En enkel forklaring på biofilmbehandling: Gi et hjem for bakterier for robust og bekymringsfull-gratis avløpsvannbehandling

Aktivslamprosessen er den mest brukte teknologien for biologisk avløpsvannbehandling. I et aktivert slamsystem er mikroorganismene som renser avløpsvann i en suspendert veksttilstand-de grupperer seg sammen i små grupper, danner flokker, og blir suspendert i den blandede væsken under lufting og kjerner med vannstrømmen. Mikroorganismene og avløpsvannet kommer i full kontakt, og eliminerer forurensninger i vannet.

Dette systemet fungerer veldig bra, men det har en ulempe: det er delikat. Hvis det innflytende avløpsvannvolumet plutselig øker, konsentrasjonen plutselig stiger, eller vanntemperaturen plutselig synker, eller pH-verdien svinger drastisk, kan mikroorganismene "virke opp"-behandlingseffekten vil avta, eller til og med slambulking vil oppstå, noe som påvirker den normale driften av systemet.

Derfor lurte ingeniører på om de kunne endre tilnærmingen sin, slik at mikroorganismene kunne "sette seg til ro" på et fast sted, i stedet for konstant å flyte i vannet?

Dette er biofilmprosessen. Enkelt sagt bruker biofilmprosessen mikroorganismer som vokser på filtermedier eller en bærer for å behandle avløpsvann.

Kjerneideen til biofilmteknologi er enkel: gi mikroorganismer faste "hus" der de kan slå seg ned, reprodusere og danne et "mikrobielt samfunn." Avløpsvann renner gjennom dette samfunnet, og forurensningene inne konsumeres av «beboerne».

Disse "husene" kalles profesjonelt pakkematerialer eller bærere. Ulike biofilmprosesser bruker helt forskjellige bærere. De vanligste typene er:

Den første typen: Emballasjemateriale i biologisk kontaktoksidasjon – "plastfilamentkuler" hengende i tanken

Kontaktoksidasjonstanken er fylt med strenger av emballasjematerialer, som ligner store plastbørster. Avløpsvann luftes fra bunnen av tanken og skylles oppover, noe som får disse emballasjematerialene til å svaie forsiktig i vannet, dekket med en gulaktig-brun biofilm. Denne typen emballasjemateriale har et stort spesifikt overflateareal; 1 kubikkmeter kan gi 800 til 900 kvadratmeter «boareal».

Den andre typen: Plater i biologiske roterende skiver - "roterende skiver"

Biologiske roterende plater bruker ikke emballasjematerialer; deres "hus" er selve skivene – dusinvis av store skiver, 2 til 3 meter i diameter, trukket sammen på en roterende aksel og sakte rotert av en motor med hastighetsreduksjon. Den første typen involverer en biologisk filterskive, halvt nedsenket i avløpsvann og halvparten eksponert for luft. Mikroorganismer vokser på begge sider av skiven, adsorberer forurensninger når de er nedsenket og absorberer oksygen fra luften når de utsettes for overflaten. Denne designen har relativt lavt energiforbruk, krever ingen ekstra lufting og er økonomisk i drift.

Den tredje typen: Pakningsmaterialet for et biologisk luftet filter (BAF) - "en filterseng laget av små keramiske småstein"

BAF bruker små keramiske småstein med en diameter på 3 til 6 millimeter, stablet opp som små rullesteiner i tanken. Avløpsvann renner fra bunnen til toppen, mens lufting skjer samtidig fra bunnen. Denne utformingen av små partikler har to fordeler: for det første et stort spesifikt overflateareal, noe som resulterer i høy biomasse per volumenhet; for det andre fanger hullene mellom partiklene opp suspenderte stoffer, noe som gjør BAF-avløp eksepsjonelt klart.

Den fjerde typen: Emballasjematerialet for et biologisk biofilter (MBBR) – "små plastplater som faller i vannet"

MBBR bruker suspenderte små plastplater, formet som små hjul eller sylindre, med en tetthet litt lettere enn vann. Under lufting faller og flyter disse pakningsmaterialene kontinuerlig i tanken, slik at biofilmen kommer i kontakt med avløpsvannet mens de beveger seg. Pakningsmaterialet er konstant i bevegelse; aldrende biofilm gnis av, og ny biofilm vokser kontinuerlig, noe som eliminerer behovet for manuell tilbakespyling. Den har sterke-selvrensende evner og tetter ikke tanken.

Den femte typen: Bæreren av et biologisk fluidisert lag – "små partikler som tumler som grøt"

Biologiske fluidiserte sjikt bruker enda mindre bærere, typisk 0,3 til 1 mm sand, aktivert karbon eller kokspartikler. Drevet av høyhastighets-vann- eller luftstrøm, tumler disse små partiklene kontinuerlig og flyter som grøt. Fordi bæreren er ekstremt liten, kan hver kubikkmeter bærer gi 2000 til 3000 kvadratmeter boareal, noe som resulterer i den høyeste mikrobielle konsentrasjonen og volumetriske belastningshastigheten blant alle biofilmprosesser. Den har ekstremt høy behandlingseffektivitet og et svært lite fotavtrykk, men dens design og drift er også relativt kompleks.

Disse forskjellige typene "hus" har hver sine egne aktuelle scenarier. Kontaktoksidasjon er egnet for små til mellomstore-avløpsvannbehandling, MBBR er egnet for ettermontering og utvidelse, BAF er egnet for avansert behandling, biologiske roterende skiver er egnet for lite-volum, energi-sparende scenarier, og biologiske fluidiserte senger er egnet for høy-konsentrasjon av industrielt avløpsvann eller scenarier.

Når pakningsmaterialet legges i avløpsvannet og avløpsvannet fortsetter å strømme gjennom det, starter denne prosessen.

Trinn 1: Mikroorganismer går forbi og slår seg ned

Avløpsvann inneholder et stort antall mikroorganismer. Når de flyter over overflaten av pakningsmaterialet, setter noen seg fast. Denne innledende festingen er avhengig av elektrostatiske interaksjoner og van der Waals-krefter.

Trinn 2: Fra midlertidig oppgjør til langsiktig-oppgjør

De fastsittende mikroorganismene begynner å skille ut et klebrig stoff som kalles ekstracellulære polymere stoffer (API). Dette stoffet fungerer som lim, og fester mikroorganismene til overflaten av pakkematerialet, og danner det "arkitektoniske rammeverket" til biofilmen.

Trinn 3: Sette seg inn og spre spredning

Etter å ha satt seg inn, begynner mikroorganismene å vokse og formere seg. En blir til to, to blir til fire... Snart dekker et tynt lag med mikrobiell film overflaten av pakningsmaterialet. Dette er biofilmen.

Trinn 4: Dannelse av et modent fellesskap

Over tid blir biofilmen tykkere, og «beboerne» i den blir mer mangfoldige. Ikke bare bakterier, men også sopp, protozoer og metazoer vil dukke opp. En næringskjede dannes blant dem: bakterier spiser forurensende stoffer, protozoer spiser bakterier og metazoer spiser protozoer. Et komplett lite økosystem er dermed etablert.

Denne prosessen kalles profesjonelt biofilmdannelse. For typisk urbant avløpsvann, under passende temperaturer, kan biofilmdannelse fullføres på omtrent 7 til 20 dager.

Selv om en biofilm bare er en tynn membran, er dens indre struktur ganske lagdelt. Avhengig av avløpsvannkvaliteten og oksygentilførselsforholdene, kan det hende at det ikke alltid danner tre komplette lag; i noen scenarier kan det bare dannes et aerobt og et anaerobt lag.

Laget nærmest pakningsmaterialet er det anaerobe laget. Dette laget er lengst fra avløpsvannet, noe som gjør det vanskelig for oksygen å diffundere til. Den er hovedsakelig bebodd av anaerobe bakterier. De trenger ikke oksygen, og får energi ved å dekomponere komplekst organisk materiale, men deres nedbrytningseffektivitet er relativt lav.

Laget nærmest avløpsvannet er det aerobe laget. Dette laget har relativt rikelig med oksygen, og det er bebodd av aerobe bakterier, som er "hovedkraften" i prosessen; nedbrytningen av organisk materiale skjer hovedsakelig her.

Hvis avløpsvann krever denitrifisering, vil det dannes et anoksisk lag i midten, hvor fakultative bakterier kan utføre denitrifisering, og omdanner nitrater til nitrogengass. Det er nettopp på grunn av denne lagdelte strukturen at biofilmen samtidig kan fullføre aerobe og anaerobe reaksjoner innenfor samme lag-noe som er vanskelig å oppnå i suspendert vekstaktivert slamprosesser.

Biofilm vokser ikke i det uendelige. Når de når en viss tykkelse, vil de løsne og fornye seg. Hovedårsaken er at det anaerobe laget inni blir stadig tykkere. Når det anaerobe laget når en viss tykkelse, går mikroorganismer nær bæreroverflaten, som mangler organisk materiale for næring, inn i en endogen respirasjonsfase, noe som svekker deres evne til å feste seg til bæreren. Under skjærkraften til den eksterne vannstrømmen vil den aldrende biofilmen løsne flekker. Den løsnede biofilmen renner ut med vannstrømmen, og nye mikroorganismer fester seg umiddelbart til de løsrevne stedene. På denne måten løsner gammel biofilm og ny biofilm vokser, og opprettholder et høyt nivå av biofilmaktivitet.

Denne mekanismen resulterer i en betydelig lavere slamproduksjonshastighet sammenlignet med aktivslamprosessen. Selv om periodisk slamfjerning fortsatt er nødvendig, eliminerer det behovet for den hyppige og presise kontrollen som kreves av den aktiverte slamprosessen, noe som forenkler drift og håndtering betraktelig.

I aktivert slam er mikroorganismer suspendert i blandingsvæsken, mens i biofilm immobiliseres mikroorganismer på pakningsmaterialet. Når det gjelder motstand mot sjokkbelastninger, er aktivert slamprosesser generelt mindre effektive, med fluktuasjoner i vannkvalitet og mengde som lett fører til en nedgang i behandlingseffektivitet; biofilmprosesser er mye sterkere og mer robuste.

Når det gjelder tilpasning til lav-konsentrasjon av avløpsvann, er mikroorganismer i aktivert slam utsatt for undermating, noe som resulterer i redusert aktivitet; biofilmprosesser opprettholder høy aktivitet selv med svært lave innflytende konsentrasjoner.

Når det gjelder slambulking, er aktivert slamprosesser utsatt for slambulking; biofilmprosesser gjør det ikke, da mikroorganismene er immobilisert.

Når det gjelder biomasse per volumenhet, produserer aktivert slamprosesser typisk 2 til 4 gram per liter, mens biofilmprosesser kan nå 10 til 20 gram per liter, 3 til 5 ganger høyere.

Ved samtidig nitrifikasjon og denitrifikasjon krever aktivslamprosessen resirkulering mellom ulike tanker; biofilmprosessen, på grunn av sin stratifiserte struktur, kan oppnå dette i samme tank.

Hvordan velge? Enkelt sagt: for store mengder stabilt kommunalt avløpsvann er aktivert slamprosessen en moden teknologi; for avløpsvann med store svingninger i volum og kvalitet, lav konsentrasjon, eller som krever samtidig denitrifisering, er biofilmprosessen mer fordelaktig.

Hovedprosessene inkluderer: biologisk kontaktoksidasjon, MBBR, luftet biologisk filter (BAF), biologisk roterende skive, biologisk fluidisert sjikt og tradisjonelle biologiske filtre (vanlige, høy-last, tårntype). Selv om disse prosessene er forskjellige i form, er deres kjerneprinsipp det samme-som lar mikroorganismer feste seg til en bærer for å danne en biofilm, ved å bruke denne membranen til å rense avløpsvann.

Hovedforskjellene er todelt: for det første typen "hus"-faste plater, pakkemateriale som fyller tanken, små keramiske partikler stablet inn i et filterlag, tumlende små plastplater eller fluidiserte mikropartikler; for det andre, hvordan oksygen tilføres-naturlig ventilasjon, skiverotasjon eller kunstig lufting.

Biofilmprosessen innebærer å bygge habitater for mikroorganismer, slik at de kan bosette seg og hjelpe til med å rense avløpsvann.

Når mikroorganismene flytter inn i «hjemmene» sine, skiller de ut et klebrig stoff for å forankre seg, vokse og reprodusere, og danner en strukturert biofilm-et ytre aerobt lag som er ansvarlig for å bryte ned organisk materiale, og et indre anaerobt lag som er ansvarlig for ytterligere nedbrytning (et anoksisk lag kan dannes i mellom, avhengig av vannkvaliteten). Avløpsvann renner gjennom, og forurensninger absorberes gradvis av hvert lag. Når biofilmen vokser til en viss tykkelse, løsner de gamle lagene, og nye fortsetter å vokse. Det er ingen grunn til bekymring for slambulking eller hyppige justeringer av slamutslipp, noe som gjør drift og håndtering mye enklere!