כאיש מכירות מנוסה בענף לטיפול במים, אני נרגש לחלוק תובנות על טכנולוגיית ה- Biofilm Biofilm Reactor (MBBR), שיטת טיפול בשפכים יעילה ביותר הידועה בנפח הבוצה הנמוך שלה ותפעול פשוט. במאמר זה נתעמק מדוע הביופילם לא מצליח לעיתים להיווצר במדיה MBBR, בהתחשב בהיבטים שונים כמו עיקרון העבודה של המערכת וגורמים המשפיעים על היווצרות ביופילם.
עקרון תהליך ה- MBBR
מדיה MBBR מאפשרת למיקרואורגניזמים להצטרף אל פני המנשא וליצור ביו -פילם. כאשר שפכים זורמים על פני המנשא, חומר אורגני וחמצן מומס במים מתפזרים לביו -פילם. המיקרואורגניזמים בתוך הביופילם מטבוליזציה ומטמיעים את החומר האורגני בנוכחות חמצן. לאחר מכן, מוצרי הפירוק מתפזרים בחזרה לשלב המים והאוויר, ובאופן יעיל משפילים את המזהמים האורגניים בשפכים.
לדברי צ'ארקליס, ליו ואחרים, היווצרות הסרט המיקרוביאלי עוברת בדרך כלל ארבעה שלבים: שינוי משטח המנשא, התקשרות הפיכה, התקשרות בלתי הפיכה ויצירת ביו -פילם. ניתן לחלק את התהליך הזה לשני שלבים עיקריים: ספיחה מיקרוביאלית וצמיחת רצף.
גורמים המשפיעים על היווצרות ביו -פילם ב- MBBR
1. מאפייני משטח המנשא
מטען פני השטח, חספוס, גודל החלקיקים וריכוז של נשא MBBR משפיעים ישירות על התקשרות ויצירת ביו -פילם. למיקרואורגניזמים בדרך כלל מטען שלילי על פני השטח שלהם בתנאי צמיחה רגילים. משטח מנשא מחוספס מאפשר התקשרות וחיבור חיידקים.
♦ שטח פנים גדול יותר של המנשא מגדיל את שטח המגע היעיל בין חיידקים למנשא בהשוואה למשטח חלק.
♦ חלקים מחוספסים של משטח המנשא, כמו חורים וסדקים, פועלים כמגן להגנה על החיידקים המודאגים מפני כוחות גזירה הידראוליים.
נושאי גודל חלקיקים קטנים יותר נוטים יותר לייצר ביו -פילמים בגלל החיכוך ההדדי הנמוך שלהם ושטח פנים ספציפי גדול. ריכוז המנשא הוא קריטי גם ליצירת ביו -פילם. וגנר מצא כי בריכוזי מסה נמוכים מאוד של המנשא, אפילו עם ביופילם עבה, לא ניתן היה להשיג קצב הסרה יציב בעת טיפול בשפכים עקשן. עם זאת, בריכוז מוביל של 20-30 g/l, הכור יכול היה להשיג קצב הסרה יציב אפילו כאשר רק 20% מהנשאים בעלי ביופילם דק.
2. ריכוז מיקרוביאלי מושעה
באופן כללי, ככל שהריכוז של מיקרואורגניזמים מושעים עולה, גם הסיכוי למגע בין מיקרואורגניזמים למנשא עולה. יש ריכוז קריטי של מיקרואורגניזמים מושעים במהלך התקשרות מיקרוביאלית. לפני ערך קריטי זה, הובלה ודיפוזיה מיקרוביאלית משלב הנוזל למשטח המנשא היא שלב השליטה. לאחר חריגה מערך זה, התקשרות מיקרוביאלית וחיסול על פני המנשא מוגבלים על ידי שטח הפנים האפקטיבי של המוביל ואינם תלויים עוד בריכוז המיקרואורגניזמים המושעים.
3. פעילות של מיקרואורגניזמים מושעים
פעילות מיקרוביאלית, המתוארת על ידי קצב הצמיחה הספציפי (מיקרו), היא קריטית כאשר בוחנים את השלבים הראשוניים של היווצרות ביופילם. הכמות והקצב הראשוני של ההתקשרות והקיבוע של חיידקי החנקן על פני המנשא הם פרופורציונליים לפעילות של חיידקי חנקן תלויים.
♦ כאשר הפעילות הביולוגית של מיקרואורגניזמים תלויים גבוהה, גם היכולת שלהם להפריש פולימרים חוץ תאיים גבוהה יותר.
♦ רמת האנרגיה בה מיקרואורגניזמים חיים קשורה ישירות לקצב הצמיחה שלהם.
♦ מבנה השטח של המיקרואורגניזמים משתנה עם פעילותם.
♦ גורמים כמו זמן מגע מיקרוביאלי עם המנשא, זמן שמירה הידראולי (HRT), PH שלב נוזלי וכוח גזירה הידרודינמי ממלאים גם הם תפקיד.
גורמים משפיעים במהלך תהליך היווצרות הביופילם MBBR
1. גורס בתהליך היווצרות הביופילם
כוחות אלה תורמים ישירות לאינטראקציה בין מיקרואורגניזמים למשטח המנשא, וממלאים תפקיד מכריע בכל תהליך היווצרות הביופילם.
2. השפעה של הידרופיליות משטח המנשא
פני השטח של נשא ה- GPUC מכיל קבוצות הידרופיליות כמו קבוצות -OH וקבוצות אמיד. לרוב המיקרואורגניזמים יש הידרופיליות טובה, ומשטח המנשא ומשטח המיקרואורגניזם יכול ליצור מבני קשירת מימן. האנרגיה החופשית של משטח נשא הידרופילי נמוכה מזו של אחד של הידרופובי, מה שמקל על מיקרואורגניזמים במים להתקרב ולספוג על פני המוביל ההידרופילי לצמיחה.
3. השפעת הטמפרטורה על היווצרות ביו -פילם
טווח הטמפרטורה המתאים למיקרואורגניזמים אירוביים הוא 10 ~ 35 מעלות. טמפרטורת המים משפיעה באופן משמעותי על צמיחת חיידקי החנקן ועל קצב החנקן. טמפרטורת הגידול האופטימלית עבור מרבית החיידקים החנקנים היא 25 ~ 30 מעלות. כאשר הטמפרטורה נמצאת מתחת ל -25 מעלות ומעלה, גידול חיידקי החנקן מאט, ומתחת ל -10 מעלות, צמיחתם וניטריקציה שלהם מפגרים משמעותית.
בדיקות שנערכו ב -10 מעלות, 20 מעלות ו -35 מעלות הראו כי ב -10 מעלות, היווצרות הביופילם החלה לאט, עם התקשרות ביופילם בולטת לאחר 7 ימים והתבגרות לאחר 21 יום, עם ביומסה מקסימאלית של 2.1 גרם לליטר. ב -35 מעלות, הביו -פילם החל להיווצר לאחר 4 ימים והתבגר לאחר כ -19 יום, עם כמות ביופילם מקסימאלית של 3.5 גרם לליטר. תוך 20 מעלות, הביופילם החל להיווצר לאחר יומיים והגיע לכמות ביופילם מקסימאלית של 5.7 גרם לליטר לאחר כעשרה ימים. ניכר כי לטמפרטורה יש השפעה משמעותית על היווצרות הביופילם, עם התחלה מהירה יותר בין 15-30.
טמפרטורה היא גורם מפתח המשפיע על פעילות ביולוגית ועל יכולת מטבולית, ומשפיע על תהליך התגובה של ניטריפיקציה בעיקר באמצעות דפוס הצמיחה והפעילות הביולוגית של חיידקי החנקן. זה משפיע על קצב התגובה הביוכימית ועל קצב העברת החמצן.
4. השפעה של שטח פנים ספציפי למנשא וחספוס פני השטח על ביצועי הדבקה ביו -פילם
שטח פנים וחספוס ספציפיים גדולים משפרים את יכולתו של המנשא לתפוס מיקרואורגניזמים. למובילים עם חספוס פני השטח הגבוה יש יכולת חזקה יותר להפיץ מחדש את זרימת המים, להפחית את כוח הגזירה על הביופילם ולספק סביבה חיובית לערבוב ומגע בין מיקרואורגניזמים למצע. למשטח המחוספס שכבת גבול למינרית עבה יותר מאשר משטח חלק, המציע סביבה הידרודינמית סטטית טובה ונמנעת מההשפעות השליליות של גזירה של זרימת מים על צמיחת מיקרואורגניזמים מחוברים.