Просте пояснення очищення біоплівки: створення домівки для бактерій для надійної та{0}}безтурботної очистки стічних вод

Процес біологічного очищення стічних вод є найбільш поширеною технологією біологічного очищення стічних вод. У системі з активним мулом мікроорганізми, які очищають стічні води, перебувають у стані завислого росту-вони збираються разом у невеликі групи, утворюючи пластівці, і зважуються в змішаній рідині під час аерації, збиваючись разом із потоком води. Мікроорганізми та стічні води вступають у повний контакт, усуваючи забруднюючі речовини у воді.

Ця система працює дуже добре, але в неї є один недолік: вона делікатна. Якщо об’єм стічної води, що надходить, раптово збільшиться, її концентрація раптово підвищиться, або температура води раптово впаде, або рН різко коливатиметься, мікроорганізми можуть «активізуватися»-ефект очищення зменшиться, або навіть відбудеться накопичення осаду, що вплине на нормальну роботу системи.

Тому інженери задалися питанням, чи можуть вони змінити свій підхід, дозволивши мікроорганізмам «оселитися» у фіксованому місці, а не постійно плавати у воді?

Це процес біоплівки. Простіше кажучи, процес біоплівки використовує мікроорганізми, що ростуть на фільтруючому середовищі або носії для очищення стічних вод.

Основна ідея технології біоплівки проста: надати мікроорганізмам фіксовані «будинки», де вони можуть оселятися, розмножуватися та формувати «мікробне співтовариство». Стічні води протікають через цю громаду, а забруднюючі речовини всередині споживаються «мешканцями».

Ці «будиночки» професійно називають пакувальний матеріал або носії. Різні процеси біоплівки використовують абсолютно різні носії. Найпоширеніші види:

Перший тип: пакувальний матеріал у біологічному контактному окисленні – «пластикові нитяні кульки», що висять у резервуарі

Резервуар контактного окислення заповнений ланцюжками пакувальних матеріалів, що нагадують великі пластикові щітки. Стічна вода аерується з дна резервуара та змивається вгору, завдяки чому ці пакувальні матеріали м’яко коливаються у воді, вкриті жовтувато-коричневою біоплівкою. Цей вид пакувального матеріалу має велику питому поверхню; 1 кубічний метр може забезпечити від 800 до 900 квадратних метрів «житлової площі».

Другий тип: Диски в біологічних обертових дисках – «обертові диски»

Біологічні обертові диски не використовують пакувальні матеріали; їхніми «будинками» є самі диски – десятки великих дисків діаметром від 2 до 3 метрів, нанизаних разом на обертовий вал і повільно обертаються двигуном зі зниженням швидкості. Перший тип включає диск біологічного фільтра, наполовину занурений у стічні води, а наполовину відкритий для повітря. Мікроорганізми ростуть по обидва боки диска, адсорбуючи забруднювачі під час занурення та поглинаючи кисень із повітря під час контакту з поверхнею. Така конструкція має відносно низьке енергоспоживання, не вимагає додаткової аерації, економічна в експлуатації.

Третій тип: Пакувальний матеріал для біологічно аерованого фільтра (БАФ) – «фільтрувальна підкладка з дрібної керамічної гальки»

BAF використовує дрібну керамічну гальку діаметром від 3 до 6 міліметрів, складену як дрібні камінці в резервуар. Стічні води течуть знизу вгору, а аерація відбувається одночасно знизу. Ця конструкція з малими частинками має дві переваги: ​​по-перше, велика питома поверхня, що призводить до високої біомаси на одиницю об’єму; по-друге, проміжки між частинками вловлюють зважені тверді речовини, роблячи стоки BAF надзвичайно прозорими.

Четвертий тип: Пакувальний матеріал для біологічного біофільтру (ББФБ) – «кулячі у воді невеликі пластикові листи».

MBBR використовує підвішені невеликі пластикові листи у формі невеликих коліс або циліндрів, щільність яких трохи менша за щільність води. Під час аерації ці пакувальні матеріали безперервно перекидаються та течуть у резервуарі, дозволяючи біоплівці контактувати зі стічними водами під час їх руху. Пакувальний матеріал постійно в русі; старіюча біоплівка стирається, а нова біоплівка безперервно зростає, усуваючи потребу в ручному зворотному промиванні. Він має сильну -здатність до самоочищення та не засмічує резервуар.

П'ятий тип: Носій біологічного киплячого шару – «крихітні частинки, що перекидаються, як каша»

У біологічних псевдозріджених шарах використовуються навіть менші носії, як правило, пісок розміром від 0,3 до 1 мм, активоване вугілля або частинки коксу. Під дією високошвидкісного потоку води чи повітря ці крихітні частинки безперервно перекидаються та зріджуються, як каша. Оскільки носій надзвичайно малий, кожен кубічний метр носія може забезпечити від 2000 до 3000 квадратних метрів життєвого простору, що призводить до найвищої мікробної концентрації та об’ємного навантаження серед усіх процесів біоплівки. Він може похвалитися надзвичайно високою ефективністю обробки та дуже малим розміром, але його конструкція та робота також відносно складні.

У кожного з цих різних типів «будинків» є власні застосовні сценарії. Контактне окислення підходить для обробки малих та середніх-стічних вод, MBBR підходить для модернізації та розширення, BAF підходить для розширеної очистки, біологічні обертові диски підходять для малих-об’ємів,-сценаріїв-збереження, а біологічні псевдозріджені шари підходять для високо-концентрованих промислових стічних вод або сценаріїв з обмеженим простором.

Цей процес починається, коли пакувальний матеріал поміщається в стічні води, а стічні води продовжують текти через нього.

Крок 1: Мікроорганізми проходять повз і поселяються

Стічні води містять велику кількість мікроорганізмів. Коли вони течуть поверхнею пакувального матеріалу, деякі з них застрягають. Це початкове приєднання ґрунтується на електростатичній взаємодії та силах Ван-дер-Ваальса.

Крок 2: від тимчасового врегулювання до довгострокового-врегулювання

Застряглі мікроорганізми починають виділяти липку речовину, яка називається позаклітинними полімерними речовинами (API). Ця речовина діє як клей, міцно прикріплюючи мікроорганізми до поверхні пакувального матеріалу, утворюючи «архітектурний каркас» біоплівки.

Крок 3: Заселення та поширення проліферації

Поселившись, мікроорганізми починають рости і розмножуватися. Один стає двома, два стає чотирма… Незабаром поверхню пакувального матеріалу покриває тонкий шар мікробної плівки. Це біоплівка.

Крок 4: Формування зрілої спільноти

З часом біоплівка стає товстішою, а «мешканці» в ній стають більш різноманітними. З’являться не тільки бактерії, а й гриби, найпростіші та метазоа. Серед них формується харчовий ланцюг: бактерії поїдають забруднюючі речовини, найпростіші поїдають бактерії, а метазоа поїдають найпростіших. Таким чином створюється повна мала екосистема.

Цей процес професійно називається утворенням біоплівки. Для типових міських стічних вод за відповідних температур утворення біоплівки може завершитися приблизно за 7-20 днів.

Хоча біоплівка — це лише тонка мембрана, її внутрішня структура досить багатошарова. Залежно від якості стічної води та умов подачі кисню вона не завжди може утворювати три повних шари; у деяких сценаріях можуть утворюватися лише аеробний та анаеробний шари.

Шар, найближчий до пакувального матеріалу, - це анаеробний шар. Цей шар знаходиться найдальше від стічних вод, що ускладнює дифузію кисню. В основному його заселяють анаеробні бактерії. Вони не потребують кисню, отримуючи енергію шляхом розкладання складних органічних речовин, але ефективність їх розкладання відносно низька.

Найближчим до стічних вод шаром є аеробний шар. У цьому шарі відносно багато кисню, і він населений аеробними бактеріями, які є «основною силою» процесу; тут переважно відбувається деградація органічної речовини.

Якщо стічні води потребують денітрифікації, в середині утворюється безкисневий шар, де факультативні бактерії можуть здійснювати денітрифікацію, перетворюючи нітрати на газоподібний азот. Саме завдяки такій шаруватій структурі біоплівка може одночасно завершувати аеробні та анаеробні реакції в межах одного шару-чого важко досягти в процесах активного мулу в призупиненому рості.

Біоплівки не ростуть безкінечно. Коли вони досягають певної товщини, вони від’єднуються і оновлюються. Основна причина полягає в тому, що анаеробний шар всередині стає все більш товстим. Коли анаеробний шар досягає певної товщини, мікроорганізми поблизу поверхні носія, позбавлені органіки для живлення, переходять у фазу ендогенного дихання, послаблюючи їх здатність прикріплюватися до носія. Під дією зсувної сили зовнішнього водного потоку біоплівка, що старіє, відділятиметься на частини. Відшарована біоплівка випливає з потоком води, і нові мікроорганізми негайно прикріплюються до відшарованих місць. Таким чином, стара біоплівка від’єднується, а нова біоплівка зростає, зберігаючи високий рівень активності біоплівки.

Цей механізм призводить до значно нижчої швидкості утворення мулу порівняно з процесом з активним мулом. Хоча періодичне видалення мулу все ще є необхідним, це усуває необхідність частого й точного контролю, необхідного для процесу активного мулу, значно спрощуючи роботу та управління.

В активованому мулі мікроорганізми суспендовані в змішаному розчині, тоді як у біоплівці мікроорганізми знерухомлені на пакувальному матеріалі. Що стосується стійкості до ударних навантажень, процеси з активним мулом, як правило, менш ефективні, коли коливання якості та кількості води легко призводять до зниження ефективності очищення; процеси утворення біоплівки набагато сильніші та стійкіші.

З точки зору пристосованості до стічних вод із низькою-концентрацією, мікроорганізми активного мулу схильні до недостатнього живлення, що призводить до зниження активності; процеси біоплівки зберігають високу активність навіть при дуже низьких концентраціях.

Що стосується накопичення осаду, процеси з активним мулом схильні до накопичення осаду; процеси біоплівки не відбуваються, оскільки мікроорганізми знерухомлені.

З точки зору біомаси на одиницю об’єму, процеси з активним мулом зазвичай виробляють від 2 до 4 грамів на літр, тоді як процеси з біоплівки можуть досягати 10-20 грамів на літр, тобто в 3-5 разів більше.

При одночасній нітрифікації та денітрифікації процес активного мулу вимагає рециркуляції між різними резервуарами; процес біоплівки, завдяки своїй стратифікованій структурі, може досягти цього в одному резервуарі.

Як вибрати? Простіше кажучи: для великих обсягів стабільних муніципальних стічних вод процес активного мулу є зрілою технологією; для стічних вод із великими коливаннями об’єму та якості, низькою концентрацією або потребою одночасної денітрифікації процес біоплівки є більш вигідним.

Основні процеси включають: біологічне контактне окислення, MBBR, аерований біологічний фільтр (BAF), біологічний обертовий диск, біологічний киплячий шар і традиційні біологічні фільтри (звичайні, з високим -навантаженням, баштового типу). Хоча ці процеси відрізняються за формою, їхній основний принцип є однаковим-дозволяє мікроорганізмам прикріплюватися до носія, щоб утворити біоплівку, використовуючи цю мембрану для очищення стічних вод.

Основні відмінності є подвійними: по-перше, тип «будиночних»-фіксованих дисків, пакувальний матеріал, що заповнює резервуар, дрібні керамічні частинки, укладені в шар фільтра, невеликі пластикові листи, що обертаються, або псевдозріджені мікрочастинки; по-друге, як подається кисень-природна вентиляція, обертання диска чи штучна аерація.

Процес утворення біоплівки передбачає створення середовища існування для мікроорганізмів, що дозволяє їм осідати та сприяти очищенню стічних вод.

Коли мікроорганізми переміщуються у свої «домівки», вони виділяють липку речовину, щоб закріпитися, рости та розмножуватися, утворюючи структуровану біоплівку-зовнішній аеробний шар, відповідальний за розкладання органічної речовини, та внутрішній анаеробний шар, відповідальний за подальше розкладання (між ними може утворюватися безкисневий шар, залежно від якості води). Стічні води протікають, і забруднюючі речовини поступово поглинаються кожним шаром. У міру зростання біоплівки до певної товщини старі шари відшаровуються, а нові продовжують рости. Немає необхідності турбуватися про накопичення осаду або часте регулювання скидання осаду, що значно полегшує роботу та керування!