Μια απλή εξήγηση της επεξεργασίας βιοφίλμ: Παρέχοντας ένα σπίτι για βακτήρια για ισχυρή και ανησυχητική-Δωρεάν επεξεργασία λυμάτων

Η διαδικασία ενεργού ιλύος είναι η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη τεχνολογία βιολογικής επεξεργασίας λυμάτων. Σε ένα σύστημα ενεργοποιημένης λάσπης, οι μικροοργανισμοί που καθαρίζουν τα λύματα βρίσκονται σε κατάσταση αναστολής ανάπτυξης-συγκεντρώνονται σε μικρές ομάδες, σχηματίζοντας κροκίδες και αιωρούνται στο αναμεμειγμένο υγρό υπό αερισμό, αναδεύοντας με τη ροή του νερού. Οι μικροοργανισμοί και τα λύματα έρχονται σε πλήρη επαφή, εξαλείφοντας τους ρύπους στο νερό.

Αυτό το σύστημα λειτουργεί πολύ καλά, αλλά έχει ένα μειονέκτημα: είναι ευαίσθητο. Εάν ο όγκος των εισερχόμενων λυμάτων αυξηθεί ξαφνικά, η συγκέντρωσή του αυξηθεί ξαφνικά ή η θερμοκρασία του νερού πέσει ξαφνικά ή το pH αυξομειωθεί δραστικά, οι μικροοργανισμοί μπορεί να «δράσουν»-το αποτέλεσμα επεξεργασίας θα μειωθεί ή ακόμη και ο όγκος της λάσπης θα επηρεάσει την κανονική λειτουργία του συστήματος.

Ως εκ τούτου, οι μηχανικοί αναρωτήθηκαν αν θα μπορούσαν να αλλάξουν την προσέγγισή τους, επιτρέποντας στους μικροοργανισμούς να «εγκαθίστανται» σε μια σταθερή θέση, αντί να επιπλέουν συνεχώς στο νερό;

Αυτή είναι η διαδικασία βιοφίλμ. Με απλά λόγια, η διαδικασία βιοφίλμ χρησιμοποιεί μικροοργανισμούς που αναπτύσσονται σε μέσα φίλτρου ή σε έναν φορέα για την επεξεργασία των λυμάτων.

Η βασική ιδέα της τεχνολογίας βιοφίλμ είναι απλή: παρέχετε στους μικροοργανισμούς σταθερά «σπίτια» όπου μπορούν να εγκατασταθούν, να αναπαραχθούν και να σχηματίσουν μια «μικροβιακή κοινότητα». Τα λύματα ρέουν μέσα από αυτήν την κοινότητα, και οι ρύποι μέσα καταναλώνονται από τους «κατοίκους».

Αυτά τα «σπίτια» ονομάζονται επαγγελματικά υλικά συσκευασίας ή μεταφορείς. Διαφορετικές διεργασίες βιοφίλμ χρησιμοποιούν εντελώς διαφορετικούς φορείς. Οι πιο συνηθισμένοι τύποι είναι:

Ο πρώτος τύπος: Υλικό συσκευασίας σε βιολογική οξείδωση επαφής – «πλαστικές μπάλες νήματος» που κρέμονται στη δεξαμενή

Η δεξαμενή οξείδωσης επαφής είναι γεμάτη με σειρές υλικών συσκευασίας, που μοιάζουν με μεγάλες πλαστικές βούρτσες. Τα λύματα αερίζονται από τον πυθμένα της δεξαμενής και ξεπλένονται προς τα πάνω, με αποτέλεσμα αυτά τα υλικά συσκευασίας να ταλαντεύονται απαλά στο νερό, καλυμμένα με ένα κιτρινωπό-καφέ βιοφίλμ. Αυτός ο τύπος υλικού συσκευασίας έχει μεγάλη ειδική επιφάνεια. 1 κυβικό μέτρο μπορεί να προσφέρει 800 έως 900 τετραγωνικά μέτρα «ζωτικού χώρου».

Ο δεύτερος τύπος: Δίσκοι σε βιολογικούς περιστρεφόμενους δίσκους – «περιστρεφόμενοι δίσκοι»

Οι βιολογικοί περιστρεφόμενοι δίσκοι δεν χρησιμοποιούν υλικά συσκευασίας. Τα «σπίτια» τους είναι οι ίδιοι οι δίσκοι – δεκάδες μεγάλοι δίσκοι, διαμέτρου 2 έως 3 μέτρων, που δένονται μαζί σε έναν περιστρεφόμενο άξονα και περιστρέφονται αργά από έναν κινητήρα με μείωση της ταχύτητας. Ο πρώτος τύπος περιλαμβάνει έναν βιολογικό δίσκο φίλτρου, ο μισός βυθισμένος στα λύματα και ο μισός εκτεθειμένος στον αέρα. Οι μικροοργανισμοί αναπτύσσονται και στις δύο πλευρές του δίσκου, προσροφώντας ρύπους όταν βυθίζονται και απορροφώντας οξυγόνο από τον αέρα όταν εκτίθενται στην επιφάνεια. Αυτός ο σχεδιασμός έχει σχετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, δεν απαιτεί πρόσθετο αερισμό και είναι οικονομικός στη λειτουργία.

Ο τρίτος τύπος: Το υλικό συσκευασίας για ένα βιολογικά αεριζόμενο φίλτρο (BAF) - "μια κλίνη φίλτρου από μικρά κεραμικά βότσαλα"

Το BAF χρησιμοποιεί μικρά κεραμικά βότσαλα με διάμετρο 3 έως 6 χιλιοστά, στοιβαγμένα σαν μικρά βότσαλα στη δεξαμενή. Τα λύματα ρέουν από κάτω προς τα πάνω, ενώ ο αερισμός γίνεται ταυτόχρονα από τον πυθμένα. Αυτός ο σχεδιασμός μικρών σωματιδίων έχει δύο πλεονεκτήματα: πρώτον, μεγάλη ειδική επιφάνεια, με αποτέλεσμα υψηλή βιομάζα ανά μονάδα όγκου. Δεύτερον, τα κενά μεταξύ των σωματιδίων παγιδεύουν αιωρούμενα στερεά, καθιστώντας τα απόβλητα BAF εξαιρετικά διαυγή.

Ο τέταρτος τύπος: Το υλικό συσκευασίας για ένα βιολογικό βιοφίλτρο (MBBR) – «μικρά πλαστικά φύλλα που πέφτουν στο νερό»

Το MBBR χρησιμοποιεί αιωρούμενα μικρά πλαστικά φύλλα, σε σχήμα μικρών τροχών ή κυλίνδρων, με πυκνότητα ελαφρώς ελαφρύτερη από το νερό. Υπό τον αερισμό, αυτά τα υλικά συσκευασίας ανατρέπονται συνεχώς και ρέουν στη δεξαμενή, επιτρέποντας στο βιοφίλμ να έρθει σε επαφή με τα λύματα καθώς κινούνται. Το υλικό συσκευασίας είναι συνεχώς σε κίνηση. Το παλιό βιοφίλμ τρίβεται και το νέο βιοφίλμ αναπτύσσεται συνεχώς, εξαλείφοντας την ανάγκη για χειροκίνητη αντίστροφη πλύση. Έχει ισχυρές δυνατότητες αυτοκαθαρισμού και δεν φράζει τη δεξαμενή.

Ο πέμπτος τύπος: Ο φορέας μιας βιολογικής ρευστοποιημένης κλίνης - "μικροσκοπικά σωματίδια που πέφτουν σαν χυλός"

Οι βιολογικές ρευστοποιημένες κλίνες χρησιμοποιούν ακόμη μικρότερους φορείς, συνήθως άμμου 0,3 έως 1 mm, ενεργό άνθρακα ή σωματίδια οπτάνθρακα. Καθοδηγούμενα από-τη ροή νερού ή αέρα υψηλής ταχύτητας, αυτά τα μικροσκοπικά σωματίδια συνεχώς πέφτουν και ρευστοποιούνται σαν χυλός. Επειδή ο φορέας είναι εξαιρετικά μικρός, κάθε κυβικό μέτρο φορέα μπορεί να παρέχει 2000 έως 3000 τετραγωνικά μέτρα ζωτικού χώρου, με αποτέλεσμα την υψηλότερη μικροβιακή συγκέντρωση και ογκομετρικό ρυθμό φόρτωσης μεταξύ όλων των διεργασιών βιοφίλμ. Διαθέτει εξαιρετικά υψηλή απόδοση επεξεργασίας και πολύ μικρό αποτύπωμα, αλλά ο σχεδιασμός και η λειτουργία του είναι επίσης σχετικά περίπλοκες.

Αυτοί οι διαφορετικοί τύποι «σπιτιών» έχουν το καθένα τα δικά του εφαρμόσιμα σενάρια. Η οξείδωση επαφής είναι κατάλληλη για επεξεργασία λυμάτων μικρού έως μεσαίου μεγέθους, το MBBR είναι κατάλληλο για μετασκευή και επέκταση, το BAF είναι κατάλληλο για προηγμένη επεξεργασία, οι βιολογικοί περιστρεφόμενοι δίσκοι είναι κατάλληλοι για σενάρια μικρού-όγκου, εξοικονόμησης ενέργειας-και οι βιολογικές ρευστοποιημένες κλίνες είναι κατάλληλες για υψηλού ή βιομηχανικού περιορισμού χώρου.{4}

Όταν το υλικό συσκευασίας τοποθετείται σε λύματα και τα λύματα συνεχίζουν να ρέουν μέσα από αυτό, αυτή η διαδικασία ξεκινά.

Βήμα 1: Οι μικροοργανισμοί περνούν και εγκαθίστανται

Τα λύματα περιέχουν μεγάλο αριθμό μικροοργανισμών. Καθώς ρέουν στην επιφάνεια του υλικού συσκευασίας, μερικά κολλάνε. Αυτή η αρχική προσάρτηση βασίζεται σε ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις και δυνάμεις van der Waals.

Βήμα 2: Από τον Προσωρινό Διακανονισμό στον Μακροπρόθεσμο-Διακανονισμό

Οι κολλημένοι μικροοργανισμοί αρχίζουν να εκκρίνουν μια κολλώδη ουσία που ονομάζεται εξωκυτταρικές πολυμερείς ουσίες (APIs). Αυτή η ουσία δρα σαν κόλλα, στερεώνοντας σταθερά τους μικροοργανισμούς στην επιφάνεια του υλικού συσκευασίας, σχηματίζοντας το «αρχιτεκτονικό πλαίσιο» του βιοφίλμ.

Βήμα 3: Εγκατάσταση και εξάπλωση Πολλαπλασιάζονται

Αφού εγκατασταθούν, οι μικροοργανισμοί αρχίζουν να αναπτύσσονται και να αναπαράγονται. Ένα γίνεται δύο, δύο γίνονται τέσσερα… Σύντομα, ένα λεπτό στρώμα μικροβιακής μεμβράνης καλύπτει την επιφάνεια του υλικού συσκευασίας. Αυτό είναι το βιοφίλμ.

Βήμα 4: Δημιουργία ώριμης κοινότητας

Με τον καιρό, το βιοφίλμ γίνεται πιο παχύρρευστο και οι «κάτοικοι» μέσα σε αυτό γίνονται πιο διαφορετικοί. Δεν θα εμφανιστούν μόνο βακτήρια, αλλά και μύκητες, πρωτόζωα και μεταζώα. Ανάμεσά τους σχηματίζεται μια τροφική αλυσίδα: τα βακτήρια τρώνε ρύπους, τα πρωτόζωα τρώνε βακτήρια και τα μεταζώα τρώνε πρωτόζωα. Δημιουργείται έτσι ένα πλήρες μικρό οικοσύστημα.

Αυτή η διαδικασία ονομάζεται επαγγελματικά σχηματισμός βιοφίλμ. Για τυπικά αστικά λύματα, κάτω από κατάλληλες θερμοκρασίες, ο σχηματισμός βιοφίλμ μπορεί να ολοκληρωθεί σε περίπου 7 έως 20 ημέρες.

Αν και ένα βιοφίλμ είναι μόνο μια λεπτή μεμβράνη, η εσωτερική του δομή είναι αρκετά πολυεπίπεδη. Ανάλογα με την ποιότητα των λυμάτων και τις συνθήκες παροχής οξυγόνου, μπορεί να μην σχηματίζουν πάντα τρία πλήρη στρώματα. Σε ορισμένα σενάρια, μπορεί να σχηματιστεί μόνο ένα αερόβιο και ένα αναερόβιο στρώμα.

Το στρώμα που βρίσκεται πιο κοντά στο υλικό συσκευασίας είναι το αναερόβιο στρώμα. Αυτό το στρώμα βρίσκεται πιο μακριά από τα λύματα, καθιστώντας δύσκολη τη διάχυση του οξυγόνου. Κατοικείται κυρίως από αναερόβια βακτήρια. Δεν χρειάζονται οξυγόνο, παίρνοντας ενέργεια με την αποσύνθεση σύνθετης οργανικής ύλης, αλλά η απόδοση διάσπασής τους είναι σχετικά χαμηλή.

Το στρώμα που βρίσκεται πιο κοντά στα λύματα είναι το αερόβιο στρώμα. Αυτό το στρώμα έχει σχετικά άφθονο οξυγόνο και κατοικείται από αερόβια βακτήρια, τα οποία είναι η «κύρια δύναμη» στη διαδικασία. η αποικοδόμηση της οργανικής ύλης γίνεται κυρίως εδώ.

Εάν τα λύματα απαιτούν απονιτροποίηση, θα σχηματιστεί ένα ανοξικό στρώμα στη μέση, όπου τα προαιρετικά βακτήρια μπορούν να πραγματοποιήσουν απονιτροποίηση, μετατρέποντας τα νιτρικά άλατα σε αέριο άζωτο. Ακριβώς λόγω αυτής της πολυεπίπεδης δομής το βιοφίλμ μπορεί ταυτόχρονα να ολοκληρώσει αερόβιες και αναερόβιες αντιδράσεις εντός του ίδιου στρώματος-κάτι που είναι δύσκολο να επιτευχθεί σε διαδικασίες ενεργού ιλύος αιωρούμενης ανάπτυξης.

Τα βιοφίλμ δεν αναπτύσσονται επ' αόριστον. Όταν φτάσουν σε κάποιο πάχος, θα αποκολληθούν και θα ανανεωθούν. Ο κύριος λόγος είναι ότι το αναερόβιο στρώμα στο εσωτερικό γίνεται όλο και πιο παχύ. Όταν το αναερόβιο στρώμα φτάσει σε ένα ορισμένο πάχος, μικροοργανισμοί κοντά στην επιφάνεια του φορέα, χωρίς οργανική ύλη για θρέψη, εισέρχονται σε μια ενδογενή φάση αναπνοής, εξασθενώντας την ικανότητά τους να προσκολλώνται στον φορέα. Κάτω από τη δύναμη διάτμησης της εξωτερικής ροής νερού, το βιοφίλμ γήρανσης θα αποκολληθεί σε μπαλώματα. Το αποκολλημένο βιοφίλμ ρέει έξω με τη ροή του νερού και νέοι μικροοργανισμοί προσκολλώνται αμέσως στις αποκολλημένες θέσεις. Με αυτόν τον τρόπο, το παλιό βιοφίλμ αποκολλάται και το νέο βιοφίλμ αναπτύσσεται, διατηρώντας υψηλό επίπεδο δραστηριότητας βιοφίλμ.

Αυτός ο μηχανισμός έχει ως αποτέλεσμα σημαντικά χαμηλότερο ρυθμό παραγωγής ιλύος σε σύγκριση με τη διαδικασία ενεργού ιλύος. Ενώ η περιοδική απομάκρυνση της λάσπης εξακολουθεί να είναι απαραίτητη, εξαλείφει την ανάγκη για συχνό και ακριβή έλεγχο που απαιτείται από τη διαδικασία της ενεργοποιημένης λάσπης, απλοποιώντας σημαντικά τη λειτουργία και τη διαχείριση.

Στην ενεργοποιημένη ιλύ, οι μικροοργανισμοί αιωρούνται στο αναμεμειγμένο υγρό, ενώ στο βιοφίλμ, οι μικροοργανισμοί ακινητοποιούνται στο υλικό συσκευασίας. Όσον αφορά την αντίσταση σε φορτία κρούσης, οι διεργασίες ενεργοποιημένης ιλύος είναι γενικά λιγότερο αποτελεσματικές, με τις διακυμάνσεις στην ποιότητα και την ποσότητα του νερού να οδηγούν εύκολα σε μείωση της αποτελεσματικότητας της επεξεργασίας. Οι διαδικασίες βιοφίλμ είναι πολύ ισχυρότερες και πιο στιβαρές.

Όσον αφορά την προσαρμοστικότητα σε λύματα χαμηλής-συγκέντρωσης, οι μικροοργανισμοί της ενεργοποιημένης ιλύος είναι επιρρεπείς σε υποτροφοδότηση, με αποτέλεσμα τη μειωμένη δραστηριότητα. Οι διεργασίες βιοφίλμ διατηρούν υψηλή δραστηριότητα ακόμη και με πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις εισροής.

Όσον αφορά τη διόγκωση της ιλύος, οι διεργασίες ενεργοποιημένης ιλύος είναι επιρρεπείς σε διόγκωση ιλύος. διεργασίες βιοφίλμ όχι, καθώς οι μικροοργανισμοί ακινητοποιούνται.

Όσον αφορά τη βιομάζα ανά μονάδα όγκου, οι διεργασίες ενεργοποιημένης ιλύος παράγουν συνήθως 2 έως 4 γραμμάρια ανά λίτρο, ενώ οι διεργασίες βιοφίλμ μπορεί να φτάσουν τα 10 έως 20 γραμμάρια ανά λίτρο, 3 έως 5 φορές υψηλότερα.

Κατά την ταυτόχρονη νιτροποίηση και απονιτροποίηση, η διαδικασία ενεργού ιλύος απαιτεί ανακυκλοφορία μεταξύ διαφορετικών δεξαμενών. η διαδικασία βιοφίλμ, λόγω της στρωματοποιημένης δομής της, μπορεί να το πετύχει αυτό μέσα στην ίδια δεξαμενή.

Πώς να επιλέξετε; Με απλά λόγια: για μεγάλους όγκους σταθερών αστικών λυμάτων, η διαδικασία ενεργού ιλύος είναι μια ώριμη τεχνολογία. για λύματα με μεγάλες διακυμάνσεις σε όγκο και ποιότητα, χαμηλή συγκέντρωση ή που απαιτούν ταυτόχρονη απονιτροποίηση, η διαδικασία βιοφίλμ είναι πιο πλεονεκτική.

Οι κύριες διεργασίες περιλαμβάνουν: βιολογική οξείδωση επαφής, MBBR, αεριζόμενο βιολογικό φίλτρο (BAF), βιολογικό περιστρεφόμενο δίσκο, βιολογική ρευστοποιημένη κλίνη και παραδοσιακά βιολογικά φίλτρα (συνηθισμένο, υψηλό-φορτίο, τύπος πύργου). Αν και αυτές οι διαδικασίες διαφέρουν ως προς τη μορφή, η βασική τους αρχή είναι η ίδια-που επιτρέπει στους μικροοργανισμούς να προσκολληθούν σε έναν φορέα για να σχηματίσουν ένα βιοφίλμ, χρησιμοποιώντας αυτή τη μεμβράνη για τον καθαρισμό των λυμάτων.

Οι κύριες διαφορές είναι δύο: πρώτον, ο τύπος των σταθερών δίσκων-«σπιτιού», το υλικό συσκευασίας που γεμίζει τη δεξαμενή, τα μικρά κεραμικά σωματίδια στοιβαγμένα σε ένα στρώμα φίλτρου, τα αναδιπλούμενα μικρά πλαστικά φύλλα ή τα ρευστοποιημένα μικροσωματίδια. δεύτερον, πώς παρέχεται οξυγόνο-φυσικός αερισμός, περιστροφή δίσκου ή τεχνητός αερισμός.

Η διαδικασία του βιοφίλμ περιλαμβάνει τη δημιουργία ενδιαιτημάτων για μικροοργανισμούς, επιτρέποντάς τους να εγκατασταθούν και να βοηθήσουν στην επεξεργασία των λυμάτων.

Μόλις οι μικροοργανισμοί μεταβούν στα «σπίτια» τους, εκκρίνουν μια κολλώδη ουσία για να αγκιστρωθούν, να αναπτυχθούν και να αναπαραχθούν, σχηματίζοντας ένα δομημένο βιοφίλμ-ένα εξωτερικό αερόβιο στρώμα υπεύθυνο για την αποικοδόμηση της οργανικής ύλης και ένα εσωτερικό αναερόβιο στρώμα υπεύθυνο για περαιτέρω αποσύνθεση (ενδιάμεσα μπορεί να σχηματιστεί ένα ανοξικό στρώμα, ανάλογα με την ποιότητα του νερού). Τα λύματα ρέουν και οι ρύποι απορροφώνται σταδιακά από κάθε στρώμα. Καθώς το βιοφίλμ μεγαλώνει σε ένα συγκεκριμένο πάχος, τα παλιά στρώματα αποσπώνται και νέα συνεχίζουν να αναπτύσσονται. Δεν χρειάζεται να ανησυχείτε για τη διόγκωση της λάσπης ή τις συχνές ρυθμίσεις εκκένωσης λάσπης, κάνοντας τη λειτουργία και τη διαχείριση πολύ πιο εύκολη!