Preprosta razlaga čiščenja biofilma: Zagotavljanje doma za bakterije za robustno in{0}}brezskrbno čiščenje odpadne vode

Postopek z aktivnim blatom je najbolj razširjena tehnologija biološkega čiščenja odpadne vode. V sistemu z aktivnim blatom so mikroorganizmi, ki čistijo odpadno vodo, v suspendiranem stanju rasti-združujejo se v majhne skupine in tvorijo kosmiče ter se suspendirajo v mešani tekočini pod prezračevanjem, ki se meša z vodnim tokom. Mikroorganizmi in odpadna voda pridejo v popoln stik in odstranijo onesnaževala v vodi.

Ta sistem deluje zelo dobro, vendar ima eno pomanjkljivost: je občutljiv. Če se dotočna prostornina odpadne vode nenadoma poveča, njena koncentracija nenadoma naraste ali temperatura vode nenadoma pade ali pH drastično niha, lahko mikroorganizmi "pospešijo"-učinek čiščenja se bo zmanjšal ali pa bo prišlo celo do kopičenja blata, kar bo vplivalo na normalno delovanje sistema.

Zato so se inženirji spraševali, ali bi lahko spremenili svoj pristop in omogočili mikroorganizmom, da se "ustalijo" na fiksni lokaciji, namesto da nenehno lebdijo v vodi?

To je proces biofilma. Preprosto povedano, proces biofilma uporablja mikroorganizme, ki rastejo na filtrirnem mediju ali nosilcu za čiščenje odpadne vode.

Osnovna ideja tehnologije biofilma je preprosta: zagotoviti mikroorganizmom fiksne "hiše", kjer se lahko naselijo, razmnožujejo in tvorijo "mikrobno skupnost". Skozi to skupnost teče odpadna voda, onesnaževala v notranjosti pa zaužijejo »prebivalci«.

Te »hišice« strokovno imenujemo embalaža ali nosilci. Različni postopki biofilma uporabljajo popolnoma različne nosilce. Najpogostejše vrste so:

Prvi tip: Embalažni material v biološki kontaktni oksidaciji – "plastične filamentne kroglice", ki visijo v rezervoarju

Rezervoar za kontaktno oksidacijo je napolnjen z vrvicami embalaže, ki spominjajo na velike plastične krtače. Odpadna voda se prezračuje z dna rezervoarja in odplakne navzgor, zaradi česar se ti embalažni materiali nežno zibljejo v vodi, prekriti z rumenkasto-rjavim biofilmom. Ta vrsta embalaže ima veliko specifično površino; 1 kubični meter lahko zagotovi od 800 do 900 kvadratnih metrov "življenjskega prostora".

Druga vrsta: Diski v bioloških vrtečih se diskih – "rotacijski diski"

Biološki rotacijski diski ne uporabljajo embalaže; njihove "hiše" so sami diski – na desetine velikih diskov, premera 2 do 3 metre, nanizanih skupaj na vrtljivo gred in jih počasi vrti motor z redukcijo hitrosti. Prva vrsta vključuje biološki filtrirni disk, ki je napol potopljen v odpadno vodo in napol izpostavljen zraku. Mikroorganizmi rastejo na obeh straneh diska, adsorbirajo onesnaževala, ko so potopljeni, in absorbirajo kisik iz zraka, ko so izpostavljeni površini. Ta zasnova ima relativno nizko porabo energije, ne zahteva dodatnega prezračevanja in je ekonomična pri delovanju.

Tretji tip: Embalaža za biološko zračen filter (BAF) – »filtrirna posteljica iz drobnih keramičnih kamenčkov«

BAF uporablja majhne keramične kamenčke s premerom od 3 do 6 milimetrov, ki so nabrani kot majhni kamenčki v rezervoarju. Odpadna voda teče od spodaj navzgor, prezračevanje pa poteka istočasno od spodaj. Ta oblika majhnih delcev ima dve prednosti: prvič, veliko specifično površino, kar ima za posledico visoko biomaso na prostorninsko enoto; drugič, vrzeli med delci ujamejo suspendirane trdne snovi, zaradi česar je iztok BAF izjemno čist.

Četrta vrsta: Embalaža za biološki biofilter (MBBR) – »majhne plastične plošče, ki se vrtijo v vodi«

MBBR uporablja obešene majhne plastične plošče v obliki majhnih koles ali valjev, katerih gostota je nekoliko lažja od gostote vode. Pod prezračevanjem se ti embalažni materiali nenehno vrtijo in tečejo v rezervoarju, kar omogoča, da biofilm pride v stik z odpadno vodo, ko se premikajo. Embalažni material je nenehno v gibanju; starajoči se biofilm se zdrgne, novi biofilm pa nenehno raste, kar odpravlja potrebo po ročnem izpiranju. Ima močne-zmožnosti samočiščenja in ne bo zamašil rezervoarja.

Peti tip: Nosilec biološke fluidizirane plasti – "drobni delci, ki padajo kot kaša"

Biološke fluidizirane plasti uporabljajo še manjše nosilce, običajno 0,3 do 1 mm pesek, aktivno oglje ali delce koksa. Ti drobni delci, ki jih poganja -vodni ali zračni tok visoke hitrosti, se nenehno vrtijo in fluidizirajo kot kaša. Ker je nosilec izredno majhen, lahko vsak kubični meter nosilca zagotovi 2000 do 3000 kvadratnih metrov življenjskega prostora, kar ima za posledico najvišjo koncentracijo mikrobov in stopnjo volumske obremenitve med vsemi procesi biofilma. Ponaša se z izjemno visoko učinkovitostjo zdravljenja in zelo majhnim odtisom, vendar sta njegova zasnova in delovanje tudi relativno kompleksna.

Vsaka od teh različnih vrst "hiš" ima svoje uporabne scenarije. Kontaktna oksidacija je primerna za čiščenje-majhne-velike odpadne vode, MBBR je primeren za naknadno vgradnjo in razširitev, BAF je primeren za napredno čiščenje, biološki rotacijski diski so primerni za majhne-prostornine, scenarije-varčevanja z energijo, biološke fluidizirane postelje pa so primerne za visoko-koncentrirano industrijsko odpadno vodo ali scenarije z omejenim prostorom.

Ko je embalaža postavljena v odpadno vodo in ta še naprej teče skozenj, se ta proces začne.

1. korak: Mikroorganizmi gredo mimo in se naselijo

Odpadna voda vsebuje veliko število mikroorganizmov. Ko tečejo po površini embalaže, se nekateri zataknejo. Ta začetna pritrditev temelji na elektrostatičnih interakcijah in van der Waalsovih silah.

2. korak: Od začasne poravnave do dolgoročne-poravnave

Zataknjeni mikroorganizmi začnejo izločati lepljivo snov, imenovano zunajcelične polimerne snovi (API). Ta snov deluje kot lepilo, ki trdno pritrdi mikroorganizme na površino embalaže in tvori "arhitekturni okvir" biofilma.

3. korak: Naselitev in širjenje proliferacije

Po naselitvi začnejo mikroorganizmi rasti in se razmnoževati. Ena postane dve, dve postanejo štiri ... Kmalu tanka plast mikrobnega filma prekrije površino embalaže. To je biofilm.

4. korak: Oblikovanje zrele skupnosti

Sčasoma postane biofilm debelejši, »prebivalci« v njem pa bolj raznoliki. Ne bodo se pojavile samo bakterije, ampak tudi glive, protozoji in metazoji. Med njimi se oblikuje prehranjevalna veriga: bakterije jedo onesnaževala, protozoe jedo bakterije in metazoe jedo protozoe. Tako se vzpostavi popoln majhen ekosistem.

Ta proces se strokovno imenuje nastanek biofilma. Pri tipični urbani odpadni vodi se lahko pri primernih temperaturah tvorba biofilma konča v približno 7 do 20 dneh.

Čeprav je biofilm le tanka membrana, je njegova notranja struktura precej slojevita. Odvisno od kakovosti odpadne vode in pogojev oskrbe s kisikom morda ne tvori vedno treh popolnih plasti; v nekaterih scenarijih se lahko tvorita le aerobna in anaerobna plast.

Plast, ki je najbližja embalažnemu materialu, je anaerobna plast. Ta plast je najbolj oddaljena od odpadne vode, kar otežuje difuzijo kisika vanjo. V njem živijo predvsem anaerobne bakterije. Ne potrebujejo kisika, energijo pridobivajo z razgradnjo kompleksne organske snovi, vendar je njihova učinkovitost razgradnje relativno nizka.

Plast, ki je najbližja odpadni vodi, je aerobna plast. Ta plast ima razmeroma veliko kisika in jo naseljujejo aerobne bakterije, ki so "glavna sila" v procesu; tu poteka predvsem razgradnja organskih snovi.

Če odpadna voda zahteva denitrifikacijo, se v sredini oblikuje anoksična plast, kjer lahko fakultativne bakterije izvedejo denitrifikacijo in pretvorijo nitrate v dušikov plin. Ravno zaradi te večplastne strukture lahko biofilm hkrati izvede aerobne in anaerobne reakcije znotraj iste plasti-, kar je težko doseči v procesih suspendirane rasti z aktivnim blatom.

Biofilmi ne rastejo v nedogled. Ko dosežejo določeno debelino, se odlepijo in obnovijo. Glavni razlog je, da anaerobna plast v notranjosti postaja vse debelejša. Ko anaerobna plast doseže določeno debelino, mikroorganizmi v bližini površine nosilca, ki nimajo organske snovi za prehrano, preidejo v fazo endogenega dihanja, kar oslabi njihovo sposobnost pritrditve na nosilec. Pod strižno silo zunanjega vodnega toka se bo starajoči se biofilm v zaplatah ločil. Odtrgan biofilm odteče ven s tokom vode, novi mikroorganizmi pa se takoj pritrdijo na odcepljena mesta. Na ta način se stari biofilm loči in zraste nov biofilm, ki ohranja visoko raven aktivnosti biofilma.

Rezultat tega mehanizma je znatno nižja stopnja proizvodnje blata v primerjavi s postopkom z aktivnim blatom. Medtem ko je občasno odstranjevanje blata še vedno potrebno, odpravlja potrebo po pogostem in natančnem nadzoru, ki ga zahteva proces aktivnega blata, kar znatno poenostavi delovanje in upravljanje.

V aktivnem blatu so mikroorganizmi suspendirani v mešani tekočini, medtem ko so v biofilmu mikroorganizmi imobilizirani na embalažnem materialu. Kar zadeva odpornost na udarne obremenitve, so postopki z aktivnim blatom na splošno manj učinkoviti, saj nihanja v kakovosti in količini vode zlahka vodijo do zmanjšanja učinkovitosti čiščenja; procesi biofilma so veliko močnejši in robustnejši.

Kar zadeva prilagodljivost odpadni vodi z nizko-koncentracijo, so mikroorganizmi z aktivnim blatom nagnjeni k premajhnemu hranjenju, kar ima za posledico zmanjšano aktivnost; biofilmski procesi ohranjajo visoko aktivnost tudi pri zelo nizkih dotočnih koncentracijah.

Kar zadeva zbiranje blata, so procesi z aktivnim blatom nagnjeni k povečanju blata; procesi z biofilmom ne, saj so mikroorganizmi imobilizirani.

Kar zadeva biomaso na prostorninsko enoto, procesi z aktivnim blatom običajno proizvedejo 2 do 4 grame na liter, medtem ko lahko postopki z biofilmom dosežejo 10 do 20 gramov na liter, kar je 3- do 5-krat več.

Pri sočasni nitrifikaciji in denitrifikaciji proces aktivnega blata zahteva recirkulacijo med različnimi rezervoarji; postopek z biofilmom lahko zaradi svoje stratificirane strukture to doseže znotraj istega rezervoarja.

Kako izbrati? Preprosto povedano: za velike količine stabilne komunalne odpadne vode je postopek z aktivnim blatom zrela tehnologija; za odpadno vodo z velikimi nihanji prostornine in kakovosti, nizko koncentracijo ali zahtevajo hkratno denitrifikacijo je ugodnejši postopek z biofilmom.

Glavni procesi vključujejo: biološko kontaktno oksidacijo, MBBR, zračni biološki filter (BAF), biološki rotacijski disk, biološko zvrtinčeno plast in tradicionalne biološke filtre (navadni, visoko-obremenjeni, stolpni tip). Čeprav se ti procesi razlikujejo po obliki, je njihov temeljni princip enak-mikroorganizmom omogoča, da se pritrdijo na nosilec in tvorijo biofilm, s pomočjo te membrane za čiščenje odpadne vode.

Glavne razlike so dvojne: prvič, vrsta "hišnih"-fiksiranih diskov, embalažni material, ki polni rezervoar, majhni keramični delci, zloženi v plast filtra, vrteči se majhni plastični listi ali fluidizirani mikrodelci; drugič, kako se dovaja kisik-naravno prezračevanje, vrtenje diska ali umetno prezračevanje.

Proces biofilma vključuje gradnjo habitatov za mikroorganizme, ki jim omogoča, da se naselijo in pomagajo pri čiščenju odpadne vode.

Ko se mikroorganizmi preselijo v svoje »domove«, izločajo lepljivo snov, da se zasidrajo, rastejo in razmnožujejo ter tvorijo strukturiran biofilm-zunanjo aerobno plast, ki je odgovorna za razgradnjo organske snovi, in notranjo anaerobno plast, ki je odgovorna za nadaljnjo razgradnjo (vmes lahko nastane anoksična plast, odvisno od kakovosti vode). Skozi teče odpadna voda in vsaka plast postopoma absorbira onesnaževala. Ko biofilm zraste do določene debeline, se stare plasti ločijo, nove pa rastejo naprej. Ni vam treba skrbeti za zbiranje blata ali pogoste prilagoditve izpusta blata, zaradi česar je delovanje in upravljanje veliko lažje!