Простое объяснение очистки биопленок: создание приюта для бактерий для надежной и безопасной-бесплатной очистки сточных вод

Процесс с активным илом является наиболее широко используемой технологией биологической очистки сточных вод. В системе с активным илом микроорганизмы, очищающие сточные воды, находятся в состоянии взвешенного роста-они группируются в небольшие группы, образуя хлопья, и суспендируются в смешанной жидкости при аэрации, перемешиваясь с потоком воды. Микроорганизмы и сточные воды вступают в полный контакт, удаляя загрязняющие вещества из воды.

Эта система работает очень хорошо, но у нее есть один недостаток: она хрупкая. Если объем поступающих сточных вод внезапно увеличится, их концентрация внезапно повысится, температура воды внезапно упадет или уровень pH резко изменится, микроорганизмы могут «взбеситься»-, эффект очистки снизится или даже произойдет накопление осадка, что повлияет на нормальную работу системы.

Поэтому инженеры задавались вопросом, могут ли они изменить свой подход, позволив микроорганизмам «селиться» в фиксированном месте, а не постоянно плавать в воде?

Это процесс биопленки. Проще говоря, в процессе биопленки используются микроорганизмы, растущие на фильтрующем материале или носителе для очистки сточных вод.

Основная идея биопленочной технологии проста: предоставить микроорганизмам фиксированные «дома», где они смогут селиться, размножаться и формировать «микробное сообщество». Сточные воды проходят через это сообщество, а загрязняющие вещества внутри потребляются «жителями».

Эти «домики» профессионально называются упаковочными материалами или носителями. В разных процессах создания биопленок используются совершенно разные носители. Наиболее распространенными типами являются:

Первый тип: Упаковочный материал при биологическом контактном окислении – «шарики из пластиковой нити», подвешенные в резервуаре.

Резервуар контактного окисления заполнен нитями упаковочного материала, напоминающими большие пластиковые щетки. Сточные воды аэрируются снизу резервуара и смываются вверх, в результате чего упаковочные материалы слегка покачиваются в воде, покрываясь желтовато-коричневой биопленкой. Этот тип упаковочного материала имеет большую удельную поверхность; 1 кубический метр может обеспечить от 800 до 900 квадратных метров «жилой площади».

Второй тип: Диски в биологических вращающихся дисках – «вращающиеся диски».

В биологических вращающихся дисках не используются упаковочные материалы; их «домами» являются сами диски – десятки крупных дисков диаметром от 2 до 3 метров, нанизанных на вращающийся вал и медленно вращающихся с помощью двигателя с пониженной скоростью. Первый тип представляет собой диск биологического фильтра, наполовину погруженный в сточные воды, а наполовину на воздухе. Микроорганизмы растут по обе стороны диска, адсорбируя загрязняющие вещества при погружении в воду и поглощая кислород из воздуха при воздействии на поверхность. Данная конструкция имеет относительно низкое энергопотребление, не требует дополнительной аэрации и экономична в эксплуатации.

Третий тип: Насадочный материал для биоаэрированного фильтра (БАФ) – «фильтровальный слой из мелкой керамической гальки».

BAF использует мелкую керамическую гальку диаметром от 3 до 6 миллиметров, сложенную в аквариуме, как мелкую гальку. Сточные воды поступают снизу вверх, при этом аэрация происходит одновременно снизу. Такая конструкция с мелкими частицами имеет два преимущества: во-первых, большая удельная площадь поверхности, что приводит к высокой биомассе на единицу объема; во-вторых, промежутки между частицами улавливают взвешенные твердые частицы, что делает стоки BAF исключительно прозрачными.

Четвертый тип: Упаковочный материал для биологического биофильтра (МББР) – «кувыркающиеся в воде небольшие пластиковые листы».

В MBBR используются подвешенные небольшие пластиковые листы в форме небольших колес или цилиндров, плотность которых немного меньше плотности воды. При аэрации эти упаковочные материалы непрерывно переворачиваются и текут в резервуаре, позволяя биопленке контактировать со сточными водами по мере их движения. Упаковочный материал постоянно находится в движении; стареющая биопленка стирается, а новая биопленка постоянно растет, что устраняет необходимость ручной обратной промывки. Он обладает мощными-способностями самоочистки и не засоряет бак.

Пятый тип: Носитель биологического кипящего слоя – «мельчайшие частицы, кувыркающиеся, как каша».

В биологических псевдоожиженных слоях используются еще более мелкие носители, обычно песок размером от 0,3 до 1 мм, активированный уголь или частицы кокса. Под действием-высокоскоростного потока воды или воздуха эти крошечные частицы постоянно падают и разжижаются, как каша. Поскольку носитель чрезвычайно мал, каждый кубический метр носителя может обеспечить от 2000 до 3000 квадратных метров жилой площади, что приводит к самой высокой концентрации микробов и объемной скорости загрузки среди всех процессов биопленки. Он может похвастаться чрезвычайно высокой эффективностью очистки и очень небольшой занимаемой площадью, но его конструкция и эксплуатация также относительно сложны.

Каждый из этих разных типов «домов» имеет свои собственные сценарии применения. Контактное окисление подходит для очистки сточных вод малого и среднего размера-, MBBR подходит для модернизации и расширения, BAF подходит для усовершенствованной очистки, биологические вращающиеся диски подходят для небольших-объемов, энергосберегающих-сценариев, а биологические псевдоожиженные слои подходят для промышленных сточных вод с высокой-концентрацией или для сценариев с ограниченным пространством.

Когда упаковочный материал помещается в сточные воды и сточные воды продолжают течь через него, этот процесс начинается.

Шаг 1: Микроорганизмы проходят и оседают

Сточные воды содержат большое количество микроорганизмов. Когда они текут по поверхности упаковочного материала, некоторые из них застревают. Это первоначальное прикрепление основано на электростатических взаимодействиях и силах Ван-дер-Ваальса.

Шаг 2. От временного урегулирования к долгосрочному-расчету

Застрявшие микроорганизмы начинают выделять липкое вещество, называемое внеклеточными полимерными веществами (API). Это вещество действует как клей, прочно закрепляя микроорганизмы на поверхности упаковочного материала, образуя «архитектурный каркас» биопленки.

Шаг 3: Оседание и распространение распространения

После заселения микроорганизмы начинают расти и размножаться. Один становится двумя, два — четырьмя… Вскоре поверхность упаковочного материала покрывает тонкий слой микробной пленки. Это биопленка.

Шаг 4: Формирование зрелого сообщества

Со временем биопленка становится толще, а «жители» внутри нее становятся более разнообразными. Появятся не только бактерии, но и грибы, простейшие и многоклеточные организмы. Между ними формируется пищевая цепь: бактерии поедают загрязняющие вещества, простейшие поедают бактерии, а многоклеточные поедают простейших. Таким образом создается полноценная небольшая экосистема.

Этот процесс профессионально называется образованием биопленки. В типичных городских сточных водах при подходящих температурах образование биопленки может завершиться примерно за 7–20 дней.

Хотя биопленка представляет собой всего лишь тонкую мембрану, ее внутренняя структура весьма многослойна. В зависимости от качества сточных вод и условий снабжения кислородом они не всегда могут образовывать три полных слоя; в некоторых сценариях могут образовываться только аэробный и анаэробный слои.

Слой, ближайший к упаковочному материалу, является анаэробным слоем. Этот слой находится дальше всего от сточных вод, что затрудняет диффузию кислорода. В основном его населяют анаэробные бактерии. Они не нуждаются в кислороде, получая энергию за счет разложения сложных органических веществ, однако эффективность разложения у них сравнительно невысока.

Слой, ближайший к сточным водам, является аэробным слоем. В этом слое относительно много кислорода, и его населяют аэробные бактерии, которые являются «главной силой» в этом процессе; здесь в основном происходит разложение органического вещества.

Если сточные воды требуют денитрификации, в середине образуется бескислородный слой, где факультативные бактерии могут выполнять денитрификацию, превращая нитраты в газообразный азот. Именно из-за такой слоистой структуры биопленка может одновременно осуществлять аэробные и анаэробные реакции внутри одного и того же слоя-, чего трудно достичь в процессах с активным илом во взвешенном росте.

Биопленки не растут бесконечно. Когда они достигнут определенной толщины, они отсоединятся и обновятся. Основная причина в том, что анаэробный слой внутри становится все более толстым. Когда анаэробный слой достигает определенной толщины, микроорганизмы вблизи поверхности носителя, испытывая недостаток органических веществ для питания, переходят в фазу эндогенного дыхания, ослабляя свою способность прикрепляться к носителю. Под действием поперечной силы внешнего потока воды стареющая биопленка будет отрываться участками. Отслоившаяся биопленка вытекает с потоком воды, и на отслоившихся участках сразу же прикрепляются новые микроорганизмы. Таким образом, старая биопленка отделяется, а новая биопленка растет, поддерживая высокий уровень активности биопленки.

Этот механизм приводит к значительно более низкой скорости производства ила по сравнению с процессом с активным илом. Хотя периодическое удаление ила по-прежнему необходимо, оно устраняет необходимость в частом и точном контроле, необходимом для процесса активного ила, что значительно упрощает эксплуатацию и управление.

В активном иле микроорганизмы находятся во взвешенном состоянии в смешанной жидкости, тогда как в биопленке микроорганизмы иммобилизованы на насадочном материале. Что касается устойчивости к ударным нагрузкам, процессы с активным илом, как правило, менее эффективны, а колебания качества и количества воды легко приводят к снижению эффективности очистки; биопленочные процессы намного сильнее и надежнее.

С точки зрения адаптации к сточным водам с низкой-концентрацией микроорганизмы активного ила склонны к недостаточному питанию, что приводит к снижению активности; Биопленочные процессы сохраняют высокую активность даже при очень низких концентрациях притока.

Что касается набухания ила, процессы с активным илом склонны к набуханию ила; биопленочных процессов нет, так как микроорганизмы иммобилизованы.

Что касается биомассы на единицу объема, процессы с активным илом обычно производят от 2 до 4 граммов на литр, тогда как процессы с биопленкой могут достигать 10-20 граммов на литр, что в 3-5 раз выше.

При одновременной нитрификации и денитрификации процесс активного ила требует рециркуляции между разными резервуарами; биопленочный процесс, благодаря своей многослойной структуре, может достичь этого в одном и том же резервуаре.

Как выбрать? Проще говоря: для больших объемов стабильных городских сточных вод процесс с активным илом является зрелой технологией; для сточных вод с большими колебаниями объема и качества, низкой концентрацией или требующими одновременной денитрификации более выгоден процесс биопленки.

Основные процессы включают: биологическое контактное окисление, MBBR, аэрированный биологический фильтр (BAF), биологический вращающийся диск, биологический псевдоожиженный слой и традиционные биологические фильтры (обычные, с высокой-нагрузкой, башенного типа). Хотя эти процессы различаются по форме, их основной принцип один и тот же:-позволяет микроорганизмам прикрепляться к носителю с образованием биопленки, используя эту мембрану для очистки сточных вод.

Основные различия двоякие: во-первых, тип «домика»-фиксированных дисков, наполнителя, заполняющего резервуар, мелких керамических частиц, уложенных в фильтрующий слой, переворачивающихся небольших пластиковых листов или псевдоожиженных микрочастиц; во-вторых, как подается кислород-естественная вентиляция, вращение диска или искусственная аэрация.

Процесс создания биопленки включает в себя создание среды обитания для микроорганизмов, позволяющей им селиться и очищать сточные воды.

Как только микроорганизмы проникают в свои «дома», они выделяют липкое вещество, чтобы закрепиться, расти и размножаться, образуя структурированную биопленку-внешний аэробный слой, ответственный за разложение органических веществ, и внутренний анаэробный слой, ответственный за дальнейшее разложение (в зависимости от качества воды между ними может образовываться бескислородный слой). Сточные воды проходят сквозь них, и загрязняющие вещества постепенно поглощаются каждым слоем. По мере того, как биопленка достигает определенной толщины, старые слои отслаиваются, а новые продолжают расти. Нет необходимости беспокоиться о накоплении осадка или частой регулировке его сброса, что значительно упрощает эксплуатацию и управление!