מָבוֹא
האצת העיור הפכה את בעיות הזיהום לבולטות יותר ויותר, ביניהן הביוב העירוני הפך לנושא מרכזי. שפכים הנוצרים מייצור תעשייתי ומחיי היומיום לא רק מזהמים נהרות ומקורות מים בצורה חמורה, אלא גם מהווים איום גדול על בריאות האדם והסביבה האקולוגית. לכן, שיפור איכות הטיפול בשפכים עירוניים כדי להבטיח פיתוח בריא של ערים הפך לבעיה דחופה שיש לפתור.
שיטות טיפול כימיות מסורתיות, אם מופעלות בצורה לא נכונה, יכולות בקלות לגרום לזיהום משני ולשנות את המבנה הטבעי של גופי מים לא מזוהמים. לעומת זאת, טכנולוגיית הגדלה ביולוגית המבוססת על ביופילם, כאמצעי מתפתח לטיפול בשפכים עירוניים, מציגה יתרונות ייחודיים. טכנולוגיה זו יכולה לא רק להימנע מזיהום משני, אלא גם בעלת מאפיינים של פעולה פשוטה וטיפול-בזמן אמת. חשוב מכך, טכנולוגיית הגדלה ביולוגית מושפעת פחות מריכוז מזהמים וממליחות, שומרת על פעילות גבוהה גם בתנאים שליליים, ואינה גורמת להעברת מזהמים בעת טיפול בשפכים רעילים.
עם זאת, השפעת הטיפול בפועל של ביופילם מושפעת מגורמים רבים, ביניהם סוג הנשא הוא אחד הגורמים המרכזיים. לנשאים שונים יש השפעות שונות על הצמיחה והביצועים של ביופילם. לכן, בחירת מנשאים מתאימים היא חיונית לשיפור היעילות של טכנולוגיית הגדלה ביולוגית בטיפול בזיהום מים. לשם כך, מאמר זה עורך -ניתוח מעמיק ומחקר על שיטת הטיפול בהגדלה ביולוגית לזיהום מים עירוני בהנדסת הגנת הסביבה באמצעות ניסויים, במטרה למצוא את סוג המוביל ותנאי ההפעלה הטובים ביותר, ולספק תמיכה טכנית יעילה יותר לטיפול בזיהום מים עירוני.
1 חומרים ושיטות ניסויים
1.1 הגדרה נסיונית
בניסוי נעשה שימוש בכור ביופילם פרספקס במידות של 20 ס"מ על 50 ס"מ ונפח אפקטיבי של 6.85 ל'. מכשיר האוורור היה משאבת -הגדלת חמצן, שתפקידה העיקרי היה לספק חמצן למיקרואורגניזמים ולהבטיח השעיה מספקת של הנשאים התלויים. במהלך תקופת האוורור לסירוגין של 3 שעות, נעשה שימוש במערבל כדי לערבב במלואו את הנוזל המוצק (נשאים מיקרוביאליים וביוב). טמפרטורת התגובה נשלטה על 28 ± 1 מעלות באמצעות מכשיר בקרת טמפרטורה. מערך הניסוי הכולל מוצג באיור 1.
כפי שמוצג באיור 1, כורים (א) ו-(ב) חוסנו במשקעים, כאשר הנשאים היו נשאים תלויים ונושאים אלסטיים, בהתאמה; כורים (ג) ו-(ד) חוסנו בבוצה פעילה, כאשר הנשאים הם נשאים תלויים ומנשאים אלסטיים, בהתאמה. פרמטרי הפעולה של ארבעת הכורים (a)~(d) היו זהים בעצם. מצב הפעולה היה 3 שעות + 3 שעות אוורור לסירוגין עם עלייה הדרגתית בעוצמת האוורור והפרשת בוצה לסירוגין. קצב האוורור היה 3 ליטר לדקה עבור ימים 1-2, 2 ליטר לדקה עבור ימים 3-9, ו-3 ליטר לדקה לאחר יום 9. שיטת ההצמדה לביופילם הייתה פריקה מלאה לאחר יומיים של פעולה לסירוגין.
1.2 חומרים ניסיוניים
1.2.1 תצורה של נשאים מיקרוביאליים
תצורת מנשא אלסטי: הניסוי השתמש בחבל מרכזי עמיד בפני קורוזיה-בקוטרו 4 מ"מ כ-600 חומרים חוטיים העשויים מפוליאתילן בצפיפות- גבוהה כנשא אלסטי, שהיה קבוע בחלק העליון של כור הביופילם ונתלה באופן טבעי. גובה המילוי של מנשא זה היה 26 מ"מ, קוטר נימה 10 מ"מ, מסה 0.978 גרם/ס"מ³, שטח פנים ספציפי 500 מ"ר/ס"מ⁻³, נקבוביות גדולה מ-95% ויחס מילוי 60%.
תצורת נשא מרחף: הנשאים התלויים היו חומרים גרגירים עשויים פוליוויניל כלוריד, כ-260 חלקיקים, שהיו במצב נוזלי במהלך אוורור. קוטר הנשא היה 150 מ"מ, קוטר החלקיקים 0.5 מ"מ, מסה 100 גרם/ס"מ³, שטח פנים ספציפי 311 מ"ר/ס"מ⁻³, נקבוביות גדולה מ-99% ויחס מילוי 60%.
1.2.2 הכנת מים ניסיוניים
המים הניסויים הוכנו על סמך איכות המים של נהר Mihe בעיר ווייפנג, מחוז שאנדונג. נוספו מזהמים נפוצים במי נהר Mihe, כגון KNO₃, NH₄Cl, C₆H₁₂O₆ ו- NaNO₂. טמפרטורת המים נשלטה על 7.8 מעלות -31.8 מעלות, pH ב-7.01-8.66, DO ב-6.46-11.35 מ"ג/ליטר, NH₄⁺-N ב-0.35-6.51 מ"ג/ליטר, ו-COD ב-102-273 מ"ג/ליטר. יסודות קורט כמו Cu²⁺, Mg²⁺ ו-Mn²⁺ נוספו גם הם כדי לספק סביבת חיים טובה למיקרואורגניזמים. לאחר הוספה, הריכוזים היו: CuSO₄·5H₂O 9.68 ug/L, MgSO₄ 15.2 ug/L, MnCl₂·4H₂O 211 ug/L, FeCl₃ 5.88 ug/L, ZnSO₄·7H₂O 9H₂O . CoCl₂·6H₂O 3.85 ug/L.
1.2.3 בוצה ניסויית מחוסנת
המשקע המחוסן נלקח מבוץ נהר Mihe בעיר ויי-פאנג, מחוז שאנדונג, והבוצה המופעלת שחוסנה נלקחה ממיכל האוורור של מפעל טיהור שפכים בעיר וויפאנג. המשקעים המחוסנים נשטפו במים מזוקקים וסוננו דרך מסננת 0.45 מ"מ מנירוסטה. המשקעים והבוצה הפעילה הונחו בהתאמה בתחתית כור הביופילם ביחס של 1:10.
1.3 שיטות ניתוח
1.3.1 שיטות ניתוח מחוון איכות מים
כל שיטות הניתוח של מדדי איכות המים בניסוי פעלו לפי שיטות סטנדרט לאומי. הערך הסופי של כל אינדיקטור היה הממוצע של שלושה ניסויים. הליכי המדידה הספציפיים הם כדלקמן:
pH, DO, T:נמדד באמצעות מד חמצן מומס של Mettler-. השלבים הספציפיים היו: לוודא שהמונה במצב תקין; למדוד pH; למדוד חמצן מומס (DO); למדוד טמפרטורה (T).
NH₄⁺-N:נמדד בשיטה הקולורימטרית של ריאגנט של נסלר. השלבים היו: הוסף כמות מתאימה של תמיסת נתרן הידרוקסיד לדגימת המים כדי להמיר NH₄⁺ ל NH₃. בדרך כלל, מוסיפים 0.2 גרם NaOH לכל 10 מ"ל של דגימת מים. הוסף את המגיב של נסלר בצורה טיפה לדגימת המים המטופלים כדי להגיב עם ה-NH₃ שנוצר ליצירת משקע צהוב. המתן 15-30 דקות להיווצרות משקעים מלאים. ככל שתוכן NH₄⁺-N גבוה יותר, כך צבע התמיסה כהה יותר. חשב את ריכוז NH₄⁺-N על סמך התוצאות הקולורימטריות או קריאות הספיגה.
בַּקָלָה:נמדד בשיטת עיכול מהיר. השלבים היו: הוסף כמות מתאימה מדגימת המים לבקבוק עיכול, והוספת כמות מתאימה של חומצה פרכלורית וחומצה גופרתית כדי להשיג עיכול חומצי של הדגימה. ודא שה-pH המדגם נמוך מ-2. עיכול חום: מניחים את בקבוק העיכול באמבט מים בטמפרטורה קבועה או במחמם שייקר, מחממים לרתיחה ושומרים למשך תקופה (בדרך כלל שעתיים). מצננים את בקבוק העיכול לטמפרטורת החדר. הוסף מחוון: הוסף כמות קטנה של כסף גופרתי כאינדיקטור לספיגת החומצה הכלורית שנותרה. טיטרציה: השתמש ב-Rhodeamine B לטיטרציה. הוסף את Rhodamine B בצורה טיפה לדגימה עד שהצבע ישתנה מוורוד לצהוב-ירוק. חשב את ריכוז COD.
1.3.2 שיטת ניתוח מאפיין ביופילם
כמות הביופילם נקבעה בשיטת המילוי. תכולת הפוליסכרידים ותכולת החלבון נקבעו על ידי שיטת הזיקוק של חומצה חנקתית- ושיטת Coomassie Brilliant Blue באמצעות אלבומין בסרום בקר כסטנדרט, בהתאמה. הסכום של השניים היה תוכן ה-EPS. תכולת EPS שימשה כאינדיקטור לניתוח מאפייני ביופילם. הניסוי ניתח בעיקר את התפקיד של EPS בצבירה של תאים מיקרוביאליים. דגימות ביופילם לפני ואחרי הסרת EPS נשקלו, ונוספה תמיסת 0.9% NaCl להכנת תרחיף. ערך ה-OD₆₀₀ של התרחיף הותאם ל-0.6 בספקטרופוטומטר. כמות מתאימה של תרחיף הונחה בצינור צנטריפוגה של 5 מ"ל, ו-3 מ"ל מהסופרנטנט נלקחו כל שעה כדי למדוד OD₆₀₀. אחוז צבירה של תאים מיקרוביאליים בזמן t חושב על פי הנוסחה.
תהליך הצבירה בוצע בעקבות משוואה קינטית-ראשונה.
2 תוצאות ודיון
2.1 ניתוח איכות הביוב במהלך התחלת הצמדת ביופילם-עם נשאים שונים
על פי פרמטרי ההפעלה, הכורים הופעלו, וריכוזי ה-NH₄⁺-N ו-COD בשפכים נבדקו על פי הנהלים להשוואת ביצועי הסרת NH₄⁺-N ו-COD עם מקורות חיסון שונים ונושאים שונים.
מאיור 2(א), ניתן לראות שלפי יעילות ההסרה של NH₄⁺-N, תהליך ההתחלה של-הצמדת ביופילם חולק לשלושה שלבים: הסתגלות, צמיחה מהירה וייצוב. במהלך תהליך-ההתנעה, יעילות הצמדת הביופילם של נשאים מרחפים ואלסטיים שחוסנו בבוצה פעילה הייתה טובה יותר מזו של נשאים שחוסנו במשקעים. ביניהם, כור (ב) השיג הצמדת ביופילם מוצלחת ביום 12, בעוד שהכור (א) היה מעט יותר איטי. בשל יתרונותיו המבניים, הנשא האלסטי דרש זמן קצר יותר עבור הצמדת ביופילם, בעוד שהנשא התלוי, בשל החומר שלו, היה נוטה יותר להתנתקות ביופילם, מה שהפחית את יעילות ההתקשרות. זה מצביע על כך ששפע המיקרואורגניזמים הפעילים בבוצה פעילה שיפרו את יעילות ההתחלה- של הצמדת ביופילם.
מאיור 2(ב), ניתן לראות ששיעורי סילוק ה-COD של כורים (a)~(d) תחילה עלו ולאחר מכן התייצבו. ביניהם, כור (ב) הגיע להסרה של 80% מהר יותר מ-(א), בעוד שגם (ג) ו-ד) התייצבו מעל 80% ביום 9. הסיבה לכך היא שכושר הספיחה החזק ומבנה הרשת הצולבת-של הנשא האלסטי הגדילו את שטח המגע בין מיקרואורגניזמים וביוב, תוך שיפור יעילות יירוט החומר האורגני. בנוסף, הדביקות והעושר של בוצה פעילה שיפרו גם את הסרת COD.
2.2 ניתוח ההשפעה של גורמים שונים על ביצועי ביופילם
בהתבסס על תוצאות הניתוח שלעיל, הביופילם שנוצר על ידי כור (ד) (מחוסם בבוצה פעילה ובנושא אלסטי), בעל השפעת הסרת המזהמים הטובה ביותר, נבחר כביופילם לניסויים הבאים כדי לנתח עוד יותר את ההשפעה של גורמים שונים על ביצועי הביופילם. התוצאות מוצגות באיור 3.
2.2.1 DO
טמפרטורת המים הניסיונית נקבעה ל-26 מעלות -28 מעלות, pH 6.8-7.2 וקצב זרימת המים 7.8-8.1 ליטר לדקה. שיעורי ההסרה של NH₄⁺-N ו-COD הושוו כאשר ריכוז ה-DO עלה מ-1.5 מ"ג/ליטר ל-4.5 מ"ג/ליטר, כפי שמוצג באיור 3(א).
מאיור 3(א), ניתן לראות שככל שריכוז ה-DO עלה, שיעורי ההסרה של NH₄⁺-N ו-COD עלו. כאשר DO היה 1.5 מ"ג/ליטר, שיעורי ההסרה של NH₄⁺-N ו-COD היו כ-34% ו-48%, בהתאמה. בשלב זה, גוף המים היה במצב אנוקסי, עם העברת חמצן לא מספקת לביופילם, מה שמקשה על גידול חיידקים מחנקים, וכתוצאה מכך שיעורי הסרה נמוכים. לאחר מכן, כאשר ה-DO עלה ל-3.5 מ"ג/ליטר, שני שיעורי ההסרה גדלו באופן משמעותי, ולאחר מכן השינוי השתטח בהדרגה. כלומר, לאחר שה-DO עלה על 3.5 מ"ג/ליטר, DO כבר לא היה גורם מפתח המשפיע על הסרת NH₄⁺-N ו-COD.
2.2.2 pH
טמפרטורת המים הניסיונית נקבעה ל-26 מעלות -28 מעלות, קצב זרימת המים 7.8-8.1 ליטר לדקה, ו-HCl ו-NaHCO₃ שימשו להתאמת ה-pH. שיעורי ההסרה של NH₄⁺-N ו-COD הושוו כאשר ה-pH עלה מ-6 ל-9. ניתן לראות שככל שה-pH עלה, שיעורי ההסרה של NH₄⁺-N ו-COD תחילה עלו ולאחר מכן ירדו, שניהם מגיעים למקסימום ב-pH 7. pH משפיע באופן משמעותי על חיידקים מחנקים. ה-pH האופטימלי לצמיחת חיידקים חנקת הוא 7.5-8.0, ופעילותם החזקה ביותר ב-pH 7.0-7.8. מעבר לטווח הזה, הפעילות שלהם יורדת בחדות, מה שמוביל לירידה בשיעורי ההסרה של NH₄⁺-N ו-COD, בהתאם לנתון.
2.2.3 מהירות זרימת מים
טמפרטורת המים הניסיונית נקבעה ל-26 מעלות -28 מעלות, pH 6.8-7.2, DO 3.5-4.5 מ"ג/ליטר. שיעורי ההסרה של NH₄⁺-N ו-COD הושוו כאשר מהירות זרימת המים עלתה מ-6.5 ליטר לדקה ל-9.5 ליטר לדקה. ניתן לראות שלפני שמהירות הזרימה הגיעה ל-8.0 ליטר לדקה, קצבי ההרחקה גדלו עם עליית מהירות הזרימה, והגיעו למקסימום של 8.0 ליטר לדקה, ולאחר מכן החלו לרדת. הסיבה לכך היא שמהירות זרימה מתאימה מקדמת את תנועת המים, ומאיצה את הובלת החומרים והחמצן לביופילם, אך מהירות זרימה גבוהה מדי משפיעה על הביופילם, גורמת לאובדן ביופילם מסוים, ובכך משפיעה על יעילות הטיפול.
2.2.4 עומס COD
טמפרטורת המים הניסיונית נקבעה ל-26 מעלות -28 מעלות, DO 3.5 מ"ג/ליטר, pH 7, מהירות זרימת מים 8 ליטר לדקה. שיעורי ההסרה של NH₄⁺-N ו-COD הושוו כאשר עומס ה-COD עלה מ-15 גרם/מ"ר ל-30 גרם/מ"ר. ניתן לראות שכאשר עומס ה-COD עלה מ-15 גרם/מ"ר ל-30 גרם/מ"ר, שיעורי ההסרה גדלו במהירות ולאחר מכן התייצבו בהדרגה, והגיעו למקסימום בעומס COD של 25 גרם\\מ"ר. בשלב זה, שיעור ההסרה של NH₄⁺-N היה קרוב ל-90%, ושיעור הסרת COD עלה על 90%. כאשר עומס ה-COD עלה על 25 גרם/מ"ר, הגדלת העומס לא שינתה משמעותית את שיעורי ההסרה. עומס ה-COD האופטימלי עבור הביופילם המשמש בניסוי היה 25 גרם/מ"ר.
2.2.5 יחס C/N השפעה
טמפרטורת המים הניסיונית נקבעה ל-26 מעלות -28 מעלות, DO 3.5 מ"ג/ליטר, pH 7, מהירות זרימת מים 8 ליטר לדקה. שיעורי ההסרה של NH₄⁺-N ו-COD הושוו ביחסי C/N משפיעים של 5.3, 10.2 ו-14.6, עם תוצאות המוצגות באיור 3(ה).
מאיור 3(ה), ניתן לראות שכאשר יחס ה-C/N ההשפעה היה 5.3, הביופילם השיג שיעור הסרת NH₄⁺-N טוב של 90%, אך שיעור הסרת COD היה נמוך. הסיבה לכך היא שיחס C/N נמוך מעדיף את הצמיחה של חיידקים מחנקים אוטוטרופיים, מה שגורם להם להתחרות חזק יותר על חומרים מזינים ו-DO מאשר חיידקים מחנקים הטרוטרופיים, מה שמוביל לחוסר איזון בין חיידקים מחנקים הטרוטרופיים ואוטוטרופיים, וכתוצאה מכך הסרה לקויה של COD. כאשר יחס ה-C/N ההשפעה היה 10.2, הביופילם השיג שיעורי הסרה גבוהים יחסית הן עבור NH₄⁺-N והן עבור COD, מכיוון שבמצב זה, חיידקים הטרוטרופיים והאוטוטרופיים החנקים גדלו באיזון, ויעילות טיהור הביופילם הייתה גבוהה. כאשר יחס ה-C/N המשפיע היה 14.6, שיעור הסרת COD היה גבוה, עלה על 90%, אך שיעור ההסרה של NH₄⁺-N ירד בחדות לכ-65% בלבד. לכן, בעת בחירת יחס ה-C/N המשפיע, יש לקחת בחשבון את יעילות הסרת ה-NH₄⁺-N והן COD.
3 מסקנה
כדי לשפר את השפעת הטיפול בזיהום מים, הוצעה שיטת טיפול ביולוגית לזיהום מים עירוני המבוססת על ביופילם. כור ביופילם נבנה כדי להשוות את ביצועי התחלת החיבור- של הביופילם עם מקורות חיסון שונים ונשאים שונים, כמו גם את ההשפעות של DO, pH, מהירות זרימת מים, עומס COD ויחס C/N המשפיע על יעילות הטיפול בשפכים של הביופילם. הניתוח הראה כי לביופילם הנשא האלסטי שחוסן עם בוצה פעילה היה שיעורי הסרה גבוהים יותר עבור NH₄⁺-N ו-COD, והשיג ביצועי טיפול טובים יותר. יתר על כן, כאשר ריכוז DO נשמר על 3.5 מ"ג/ליטר, pH נשלט בטווח המתאים של 7.0 עד 7.8, מהירות זרימת המים התייצבה על 8.0 ליטר לדקה, עומס COD על 25 גרם/מ"ר, ויחס C/N משפיע מותאם ל-10.2, הביופילם הראה את האפקט האופטימלי להסרת המזהם. לסיכום, שיטת הטיפול ביו-אוגמנטציה לזיהום מים עירוניים המבוססת על ביופילם מראה יתרונות ופוטנציאל משמעותיים. יצירת ביופילם המותאם לתנאים המקומיים לטיפול בזיהום מים עירוני מספק רעיונות לשיפור זיהום המים העירוני ושמירה על איזון אקולוגי עירוני.