התקדמות המחקר על תפעול תהליך ויישום של MBBR מערכות בטמפרטורות נמוכות
סקירה כללית
תהליך Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) הוא אחת מטכנולוגיות הטיפול בשפכי ביופילם הנפוצות כיום. בהשוואה לתהליכי בוצה פעילה קונבנציונליים, MBBR מציע יתרונות כגון איכות קולחים יעילה, עמידות חזקה לעומסי זעזועים, וללא דרישה להחזרת בוצה או שטיפה לאחור. בתקופת הטמפרטורות-הנמוכות בחורף, במיוחד באזורים הצפוניים ובדרום-מערב הרמות, טמפרטורות האוויר יכולות לרדת בקלות מתחת ל-5 מעלות וטמפרטורות המים יכולות לרדת מתחת ל-15 מעלות. טמפרטורות נמוכות עלולות להוביל לאי-תאימות של אינדיקטורים של קולחים כגון צריכת חמצן כימית (COD), חנקן אמוניה וחנקן כולל במערכות MBBR. הסרת חנקן ביופילם כוללת ניטריפיקציה אירובית ודניטריפיקציה אנוקסית, והטמפרטורה היא אחד מגורמי המפתח המשפיעים על תהליכים אלו. ככל שהטמפרטורות יורדות, קצב הניטריפיקציה של חיידקים במערכות בוצה פעילה יורד בהדרגה, עם ירידה משמעותית ביכולת הניטריפיקציה כאשר הטמפרטורות יורדות מתחת ל-8 מעלות. מאמר זה מרחיב באופן שיטתי את פעולתם של תהליכי MBBR בתנאי טמפרטורה-נמוכים מהיבטים כגון קהילות מיקרוביאליות, טכנולוגיות לשיפור הספקים ושילובי תהליכים ומניפולציה, ומספק הפניות למחקר ויישום נוספים.
1. מחקר על קהילות מיקרוביאליות במערכות MBBR בטמפרטורה נמוכה-
נכון להיום, תהליך הליבה במתקני טיהור שפכים הוא טיפול ביולוגי.טמפרטורות נמוכות בחורף (פחות מ-15 מעלות או שווה ל-15 מעלות) מעכבות את פעילות החיידקים המחנקים בביוריאקטורים, משפיעות על תהליך הניטריפיקציה ומגבילות את יכולת סילוק החנקן של המערכת. חיידקים מחנקים הם אוטוטרופיים עם מחזורי דור ארוכים ורגישים לשינויי טמפרטורה, עם טווח טמפרטורות גידול אופטימלי של 20-35 מעלות.
1.1 פעילות מיקרוביאלית
סרטי ביו-פילמים בכורי MBBR גדלים מחוברים למשטחי נשאים, תומכים בצמיחה של מיקרואורגניזמים בעלי מחזורי דור ארוכים, ובכך מגדילים את תכולת החיידקים המחנקים במערכת. בהשוואה לתהליכי בוצה פעילה, MBBR מציג ביצועי ניטריפיקציה חזקים יותר בטמפרטורות נמוכות, מה שהופך אותו לשימוש נרחב בטיפול בשפכים בטמפרטורה-נמוכה. טמפרטורה נמוכה היא אחד הגורמים הסביבתיים החשובים המשפיעים על ביצועי הניטריפיקציה של כור זה. הפחתת טמפרטורה מובילה לירידה בנזילות ממברנת התא וזרזת האנזים, מופחתת הובלת חומרים וקצב חילוף החומרים, ובכך משפיעה על היציבות של מבנים משניים של חומצת גרעין ומעכבת שכפול DNA, שעתוק mRNA ותרגום. כאשר הטמפרטורות יורדות מתחת לנקודת הקיפאון הציטופלזמית, נוצרים גבישי קרח בתוך התאים, וגורמים לנזק מבני חמור. מחקרים של Qiu Tian et al. הראה זאתפעילויות חמצון אמוניה וחמצון ניטריט של ביופילם MBBR ב-10 מעלות היו 55% ו-56% מאלו ב-20 מעלות, בהתאמה. Zheng Zhijia et al. בדקו את שיעורי הניטריפיקציה של בוצה פעילהמכון טיהור שפכים בקיץ (20 מעלות) ובחורף (8 מעלות), ומצא ששיעור חנקת חנקן אמוניה ב-8 מעלות היה 48.5% מזה של 20 מעלות. השפעת הטמפרטורה הנמוכה על יכולת הניטריפיקציה של מכלים ביוכימיים כוללת שני היבטים: ראשית, טמפרטורה נמוכה משפיעה על פעילותן של קהילות חיידקים מחנקות, ושנית, טמפרטורות נמוכות ממושכות מפחיתות את אוכלוסיית החיידקים המחנקים בבוצה פעילה.
1.2 תחרות קהילה מיקרוביאלית
מכיוון שחיידקים מחנקים הם אוטוטרופיים, קהילות מיקרוביאליות אחרות משפיעות באופן משמעותי על תהליך הניטריפיקציה ומתחרות חזק עם חיידקים מחנקים. Houweling et al. ערכו ניסויים בתהליך MBBR, והראו שב-4 מעלות, ל-MBBR יש פוטנציאל ניטריפיקציה מסוים, אך צמיחה מוגזמת של מיקרואורגניזמים הטרוטרופיים בתוך המערכת הפחיתה את קצב הניטריפיקציה במידה מסוימת. שאו שוהאי ואח'. הצביע על כך שהאפקט של הסרת חנקן של MBBR-שלב אחד אינו אידיאלי עקב תחרות בין חיידקים מחנקים והטרוטרופיים. האן וונג'י ועוד. חקר שינויים בקהילה מיקרוביאלית ודפוסי הפצה ביולוגיים במפעל טיהור שפכים תוך שימוש בתהליכי MBBR היברידיים בעונות-טמפרטורות נמוכות, ומצא שמספר המינים של חיידקים בביופילמים של נשאים מרחפים היה נמוך מזה שבבוצה פעילה מאותה מערכת, עם תפוצה לא אחידה של מינים. הוספה של נשאים מרחפים הגבירה את המגוון החיידקי במערכת, בעוד שלמצבי השפעה ותפעול הייתה סלקטיביות מסוימת על הרכב הקהילה המיקרוביאלית. Wu Han et al. טיפול בשפכים ביתי מדומה באמצעות שלושה כורי MBBR רצפים עם סוגי מילוי שונים. על ידי הפחתה הדרגתית של הטמפרטורות (25, 20, 15, 10, 6 ו-5 מעלות) כדי לטפח ולהתאקלם בסרטי ביו-פילמים עבור שפכים בטמפרטורה-נמוכה, הם גילו שמיקרואורגניזמים שונים שלטו בשלושת הכורים. תוצאות רצף{21}}תפוקה גבוהה הראו שב-5 מעלות, מיקרואורגניזמים המפירים חומר אורגני היו דומיננטיים בכל שלושת הכורים; כור אחד התאקלם והעשיר בהצלחה חיידקים מחנקים פסיכופיליים, בעוד שלשניים האחרים היה שפע גבוה יותר של חיידקים מקבעים חנקן- שלא היו טובים להסרת חנקן.
1.3 אקלום של מיקרואורגניזמים פסיכופיליים
טכנולוגיית שיפור ההתאקלמות וההעשרה עבור קהילות חיידקים דומיננטיות-בטמפרטורה נמוכההיא שיטה יעילה לשיפור היעילות התפעולית והיציבות של MBBR בתנאי טמפרטורה-נמוכים. באמצעות אינדוקציה מתקדמת וטיפוח אופטימלי, אוכלוסיות דומיננטיות נבדקות ומיושמות, תוך ניצול הסובלנות החזקה של הקהילות המיקרוביאליות כדי להפחית את ההשפעה של טמפרטורות נמוכות, המציעות פוטנציאל יציבות-לטווח ארוך. וואנג דן ועוד. מצא כי בתנאי טמפרטורה-נמוכים בחורף, הוספת בוצה פעילה המכילה קהילות מיקרוביאליות קרות-סובלניות כדי להשיג ביוריאקטור היברידי סימביוטי של בוצה פעילה-הציעה יתרונות כמו הפעלה מהירה, היווצרות ביופילם מהיר והשפעות טיפול יציבות. Delatolla et al. גילה ששחרור הפחמן של המערכת במעלה 1 הגדיל את הביומסה הפעילה החנקתית, עיבה את הביופילם, הגדיל למעשה את מספר התאים הקיימא במהלך פעולת{11}הטמפרטורה נמוכה, ושיפר את ביצועי הניטריפיקציה של המערכת. בנוסף, NO, N₂H₄, NH₂OH וכו' הם תוצרי ביניים מרכזיים הממריצים את תהליך חמצון האמוניום האנאירובי (אנמוקס) ומקלים על עיכוב חיידקי אנמוקס על ידי NO₂. Zekker וחב', במחקר שטיפל בשפכים בריכוז גבוה (ריכוז חנקן אמוניה 740 מ"ג/ליטר) עם מערכת MBBR, מצאו שהוספת NO האיצה משמעותית את תהליך האנמוקס, ושפע החיידקים המחמצנים אמוניה גדל באופן יחסי במהלך פעולת המערכת.
2. מחקר על טכנולוגיות לשיפור הספקים עבור MBBR בטמפרטורות נמוכות
הבחירה בחומרי מילוי MBBR מרחפים היא אחת מטכנולוגיות הליבה של תהליך זה לטיפול בשפכים וגורם מפתח המשפיע על יעילות התהליך ועלויות ההנדסה. סוגי מילוי נפוצים כוללים בין היתר חומרי מילוי חלת דבש, חומרי מילוי רכים למחצה- וחומרי מילוי מרוכבים. יישומים מעשיים עשויים להיתקל בבעיות כמו סתימת מילוי, צבירה והזדקנות. בתנאי טמפרטורה-נמוכים, היווצרות ביופילם על חומרי מילוי MBBR היא איטית יותר, מה שעלול להאריך את תקופות ההפעלה של הציוד, להפריע לפעולת התהליך הרגילה, וכתוצאה מכך לעמידות נמוכה בעומס הלם ואי השגת השפעות טיפול צפויות. מנשאים מרחפים MBBR בשימוש תעשייתי משתנים בגודל ובצורה והם עשויים מפולימרים מולקולריים גבוהים כגון פוליאתילן בצפיפות- גבוהה (HDPE), פוליאתילן (PE) או פוליפרופילן (PP) באמצעות שיטות כמו שחול נמס או גרגירה. עם היישום ההנדסי בקנה מידה גדול של תהליך זה, מגוון הספקים המסחריים גדל בהדרגה. ניתן להתאים את התכנון והעיבוד של הספקים לאיכות המים ולמאפייני גידול החיידקים, מה שמאפשר אופטימיזציה ושיפור ממוקדים כדי לשפר מערכות ביופילם MBBR בתנאי טמפרטורה{10} נמוכים. ביישומים מעשיים, שינויים בנשאים מתמקדים בעיקר בשיפור שטח פנים ספציפי, הידרופיליות, זיקה-ביולוגית, תכונות מגנטיות וכו', כדי לשפר את העברת מסת הנשא, היווצרות ביופילם וביצועי טיפול בשפכים.
2.1 טעינה מגנטית
המחקר הנוכחי חקר שימוש בשדות מגנטיים כדי לייעל את יכולת הטיפול בשפכים של MBBR בטמפרטורות נמוכות.שדות מגנטיים בעלי חוזק מסוים יכולים לשפר את סילוק המזהמים בתהליכי טיפול ביולוגי. תחת שדות מגנטיים חלשים, מזהמים אורגניים מועשרים על פני השטח של נשאים ביולוגיים מגנטיים באמצעות צבירה וספיחה מגנטית, בסיוע כוחות מגנטיים, כוחות לורנץ והשפעות קולואידיות-מגנטיות. בתוך טווח עוצמה מתאים, שדות מגנטיים יכולים לשפר את ניצול החמצן המיקרוביאלי, לשפר את חילוף החומרים של גדילת החיידקים ופעילות האנזים, ולהגביר את חדירות קרום התא. Jing Shuangyi וחב'. חקרו את ההשפעות ההשוואתיות של הוספת נשאים מגנטיים [פוליאתילן, אבקה מגנטית של ברזל בורון ניאודימיום (Nd₂Fe₁₄B), ופוליקווטרניום-10 (PQAS-10) וכו'] לעומת נשאים מסחריים בכורי MBBR. התוצאות הראו כי בתנאי טמפרטורה-נמוכים, נשאים מגנטיים שיפרו משמעותית את פעילות הניטריפיקציה של ביופילם, קידמו הפרשת חומר פולימרי חוץ-תאי (EPS) ושמרו ושיפרו את המורפולוגיה והמבנה של ביופילם. נשאים מגנטיים העשירו יותר סוגים של חיידקים מחמצנים, כאשר השפע היחסי של חיידקים מחמצנים אמוניה וחיידקים מחמצנים ניטריט גדל פי 1.82 ופי 1.05, בהתאמה, בהשוואה לנשאים מסחריים, והתאקלמו והעשירו שני סוגים ייחודיים של חיידקים מחמצנים.
2.2 שינוי הספק
מלבד העמסה מגנטית, שינוי זיקה של חומרי נשא מסורתיים כמו פוליאתילן הוא גם דרך חשובה לשיפור ביצועי יצירת הביופילם של מילוי. Sun Bo et al. השתמש בחומרי מילוי מרחפים ננו חדשים לטיפול בשפכים ביתיים בטמפרטורה-נמוכה. ב-10-12 מעלות, תקופת היווצרות הביופילם עבור חומרי מילוי ננו הייתה פחות מ-18 ימים, קצרה מחומרי מילוי אחרים, כאשר שיעור הסרת COD במערכת יציב בסביבות 75%, מה שמוכיח ערך קידום טוב. Ren Yanqiang וחב'. השתמשו בחומרי מילוי מרחפים של חלת דבש העשויים מחומרי סגסוגת פולימר הידרופיליים במיוחד לטיפול בשפכים ממיכל השקיעה הראשי של מפעל טיהור שפכים בתנאי טמפרטורה{10} נמוכים. התוצאות הצביעו על כך שחומרי המילוי המרחפים הללו שיפרו ביעילות את יכולת ההתקשרות של מיקרואורגניזמים פעילים-על פני השטח, וסייעו בהגברת השפעות הטיפול של תהליך MBBR. Han Xiaoyun et al. השתמשו בקצף פוליאוריטן רך עם מבנה נקבוביות מפותח כמנשא לא מוביל לתיקון קהילות מיקרוביאליות יעילות-סובלניות לקור המופרדות מבוצה פעילה. לאחר הוספת חומר המילוי הזה לכור, השפעות הטיפול במזהמים השתפרו משמעותית, עם שיעור הסרת COD של 82% ושיעור הסרת צריכת חמצן ביוכימית (BOD) של 92% בתנאי טמפרטורה-נמוכים. חן וחב'. השתמש בתהליך MBBR עם חומר מילוי ג'ל פוליוויניל אלכוהול (PVA) מחוסן בחיידקי HN-AD לטיפול בשפכים של בעלי חיים ועופות במקום בוצה פעילה. תחת יחסי פחמן-ל-חנקן שונים (C/N), הביצועים של נשאים שונים השתנו באופן משמעותי. המבנה הנקבובי של ג'ל PVA סיפק הגנה לחיידקים, והביא לביצועים יציבים יותר. ניתוח מיקרוביאלי הראה שתהליך MBBR עם נשאי ג'ל PVA העדיף את הצמיחה של חיידקים אוטוטרופיים וחיידקי HN-AD (Paracoccus ו-Acinetobacter).
3. שילוב תהליכים ו ויסות MBBR בטמפרטורות נמוכות
למערכת זו דרישות ייחודיות להיווצרות ביופילם על משטחי מילוי, מה שמדגיש את החשיבות של שילוב תהליכים ורגולציה. ניתן להשיג ניטריפיקציה יציבה ב-MBBR באמצעות ויסות של פרמטרים ויחסים של תהליך; פיצוי על ההשפעות של טמפרטורה נמוכה באמצעות אילוצים מחמירים היא שיטה ישירה ויעילה יחסית.
3.1 אוורור
תהליך MBBR מיושם כיום בעיקר בסביבות אירוביות. קצב האוורור והשיטה בכור משפיעים ישירות על תכולת החמצן המומס (DO) במערכת ועל המאפיינים של יצירת ביופילם, ובכך משפיעים על רמת הפירוק של מזהמים. Chen Long וחב', במהלך טיפול בשפכים תעשייתיים, התייחסו ביעילות לקשיים ביצירת ביופילם באמצעות אמצעים כמו Batch Aeration, השגת שיעור סילוק COD של 95.5% ושיעור סילוק חנקן אמוניה של 91%. פרסון וחב'. השתמש ב-MBBR לטיפול בשפכים מעורבים של פסולת מטבח ומים שחורים לאחר טיפול מקדים אנאירובי ב-10 מעלות, והשגת ניטריפיקציה מלאה באמצעות אוורור לסירוגין. ביאן וחב'. מצא ששליטה על יחס קבוע בין DO לבין ריכוז חנקן אמוניה כולל מיטב את השפעות הקולחים בטמפרטורות נמוכות; כאשר יחס הבקרה לא עלה על 0.17, תהליך הניטריפיקציה נשאר יציב ב-6 מעלות.
יחס 3.2 פחמן-ל-חנקן (C/N)
יש תחרות ברורה בין חיידקים מחנקים להטרוטרופיים; לכן, ויסות C/N הופך לפרמטר חשוב המשפיע על האיזון בין חומר אורגני ופירוק חנקן במערכת. חן וחב'. הראה כי במערכות MBBR, כאשר C/N היה בין 4-15, שיעור הסרת COD היה מעל 90%. כאשר C/N ירד ל-1, שיעור הסרת COD ירד באופן משמעותי. יעילות סילוק החנקן האמוניה של המערכת עלתה תחילה ולאחר מכן ירדה עם הפחתת C/N. חן וחב'. חקרו את ההשפעה של C/N על הביצועים של כור A/O-MBBR המטפל בשפכים של חקלאות ימית.התוצאות הצביעו על הפחתת C/N הוא מועיל ל שיפור יעילות סילוק החנקן COD ואמוניה.
3.3 זמן שמירה הידראולי
זמן החזקה הידראולי (HRT) קובע את עומס הבוצה הפעילה בתוך מערכת התגובה. HRT גבוה מדי או נמוך מדי יכול להשפיע על יעילות הטיפול ועלויות הבנייה/תפעול של מערכות MBBR. בחירת טיפול הורמונלי סביר היא חיונית לפעולה יציבה של המערכת. ואן ואחרים. יישם MBBR עבור בקרת זיהום חקלאית שאינה-נקודתית בטמפרטורות נמוכות. מחקר הראה שב-5 מעלות, עם ירידה ב-HRT, יעילות הסרת המזהמים ירדה משמעותית, כאשר 8 שעות הן זמן השמירה המינימלי כדי להבטיח דניטריפיקציה של חנקן לגז חנקן. Wang Chuanxin et al. שפכים ביתיים מטופלים עם מערכת ביופילם אנוקסית/אירובית, תוך התמקדות במאפיינים של ניטריפיקציה ודניטריפיקציה בו זמנית ב-MBBR בטמפרטורות נמוכות. התוצאות הראו שהמערכת הסתגלה היטב לירידות טמפרטורה עונתיות על ידי הארכת HRT, ייצוב ריכוזי COD בקולחים וחנקן אמוניה כדי לעמוד בתקנים. Shitu השתמש במילוי ספוג חדש כמנשא ביופילם MBBR כדי לחקור את השפעת הטיפול במים שלו בטיפולי HRT שונים. התוצאות הצביעו על כך שהשפעות הטיפול במים היו הטובות ביותר ב-HRT 6 שעות. זאו וונבין ואחרים. הראה שה-HRT האופטימלי להסרת מזהמים בשפכים על ידי מערכות MBBR בתנאי טמפרטורה-נמוכים היה 24 שעות. האן ליי וחב'. חקר את קצב הסרת המזהמים כאשר HRT הופחת מ-15.4 שעות ל-11.0 שעות בתהליך משולב של תעלת חמצון DE + MBBR. התוצאות הראו שככל שה-HRT התקצר, יעילות הסרת המזהמים ירדה בהדרגה, אך איכות הקולחים עדיין יכולה לעמוד בדרישות יעדי איכות המים, מה שמשקף את ההתנגדות החזקה לעומס ההלם של מערכת MBBR.
3.4 שילוב תהליכים
דנג רוי וחב'. למד תהליך דו-שלבי A/O-MBBR לטיפול בשפכים עירוניים. בתנאים של טמפרטורת מים נמוכה וריכוז השפעה נמוך, תהליך משולב זה הפגין עמידות חזקה בעומס זעזועים ויכולת הסתגלות לטמפרטורה, פעולה יציבה ותפעול נוח, והראה סיכויי יישום טובים בטיפול בשפכים. Luostarinen et al. חקר את השפעות הטיפול של תהליך MBBR על שפכי חלב לאחר טיפול מקדים אנאירובי בטמפרטורות נמוכות. התוצאות הראו שהתהליך יכול להסיר 40%-70% מה-COD, 50%-60% מחנקן, והשילוב של Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) ו-MBBR יכול להסיר 92% מה-COD, 99% מה-BOD ו-65%-70% מהחנקן. Ru Chun et al. השתמש ב-Bardenpho-MBBR שונה + תהליך משקעים טעינה מגנטית לשיפוץ מתקן טיהור שפכים. על ידי התאמת נקודות מינון מקור פחמן והטמעת ריפלוקס רב-נקודתי ורב-נקודתי במערכת, הושג ניצול יעיל של מקורות פחמן שנוספו חיצונית, מה שמבטיח השפעות ניטריפיקציה ודניטריפיקציה ב-8.7 מעלות, עם איכות שפכים יציבה טובה יותר מתקני פריקה.
מַסְקָנָה
בתנאי טמפרטורה-נמוכים, פעילות המיקרוביאלית במערכות MBBR פוחתת, ויש תחרות ברורה בין מיקרואורגניזמים הטרוטרופיים המטפלים בחומר אורגני לבין מיקרואורגניזמים אוטוטרופיים המטפלים בחנקן אמוניה. לכן, בהתבסס על ההרכב של מזהמי מים גולמיים ודרישות מדדי קולחים, יש לשקול באופן מלא C/N מתאים. יש ליישם אמצעים כגון שיפור והתאקלמות של זנים דומיננטיים בטמפרטורה-נמוכה, העשרה ממוקדת והגדלת שפע האוכלוסיות הדומיננטיות על נשאים עבור אינדיקטורים מרכזיים להבטחת איכות הקולחים.
שיפור הספק הוא אמצעי חשוב לשיפור-סבילות הטמפרטורה הנמוכה של מערכות MBBR ולשפר את יעילות השפלת התהליך. אמצעים ספציפיים כוללים בעיקר העמסה מגנטית וטיפול מבני במנשאים. העמסה מגנטית יכולה לשפר את ההתקשרות של חיידקים מחנקים בטמפרטורות נמוכות, לחזק את תהליך הפרשת ה-EPS ולשפר את פעילות החיידקים; אופטימיזציה של מבנה הנשא ומאפייני פני השטח יכולים להאיץ את יעילות העברת מסה מזהמים, לשפר את יכולתם לגבש ולהגן על קהילות מיקרוביאליות ולשמור על ביצועי מערכת יציבים יותר.
לתהליך MBBR עצמו יש מאפייני התנגדות-נמוכים מסוימים. עם זאת, עם שיפור מתמיד בתקני איכות הקולחים עבור מתקני טיהור שפכים, התאמת תנאי העבודה ושילוב התהליך של MBBR בתנאי טמפרטורה-נמוכים הפכו לתוכן מחקר חשוב לפריצת דרך בתהליך. עבור סוגים שונים של שפכים, יש לקבוע את תנאי העבודה האופטימליים בהתבסס על מצבים בפועל. בינתיים, שילובי תהליכים סבירים יכולים לשפר ביעילות את עמידות בעומס ההלם, יכולת הסתגלות לטמפרטורה ויציבות המערכת של מערכות MBBR כלפי מזהמים.