Proste wyjaśnienie oczyszczania biofilmu: zapewnienie siedliska bakteriom w celu zapewnienia solidnego i niepokojącego działania-Bezpłatne oczyszczanie ścieków

Proces osadu czynnego jest najpowszechniej stosowaną technologią biologicznego oczyszczania ścieków. W systemie osadu czynnego mikroorganizmy oczyszczające ścieki znajdują się w stanie zawieszonego wzrostu-skupiają się w małych grupach, tworząc kłaczki i są zawieszane w mieszanym roztworze podczas napowietrzania, mieszając się z przepływem wody. Mikroorganizmy i ścieki wchodzą w pełny kontakt, eliminując zanieczyszczenia z wody.

System ten sprawdza się bardzo dobrze, ma jednak jedną wadę: jest delikatny. Jeśli objętość wpływających ścieków nagle wzrośnie, ich stężenie nagle wzrośnie, temperatura wody nagle spadnie lub pH ulegnie drastycznym zmianom, mikroorganizmy mogą „zadziałać”-efekt oczyszczania zmniejszy się lub nawet nastąpi pęcznienie osadu, co będzie miało wpływ na normalne działanie systemu.

Dlatego inżynierowie zastanawiali się, czy mogliby zmienić swoje podejście, pozwalając mikroorganizmom „osiedlić się” w ustalonym miejscu, zamiast stale unosić się w wodzie?

Jest to proces biofilmu. Mówiąc najprościej, w procesie biofilmu do oczyszczania ścieków wykorzystywane są mikroorganizmy rosnące na mediach filtracyjnych lub nośniku.

Podstawowa idea technologii biofilmu jest prosta: zapewnić mikroorganizmom stałe „domy”, w których mogą się osiedlać, rozmnażać i tworzyć „społeczność drobnoustrojów”. Przez tę społeczność przepływają ścieki, a zawarte w nich zanieczyszczenia są konsumowane przez „mieszkańców”.

Te „domki” fachowo nazywane są materiałami opakowaniowymi lub nośnikami. Różne procesy biofilmu wykorzystują zupełnie różne nośniki. Najczęstsze typy to:

Pierwszy typ: Materiał wypełniający w procesie biologicznego utleniania kontaktowego – „kulki z tworzywa sztucznego” wiszące w zbiorniku

Zbiornik utleniania kontaktowego jest wypełniony sznurami materiałów opakowaniowych przypominających duże plastikowe szczotki. Ścieki są napowietrzane z dna zbiornika i wypłukiwane do góry, co powoduje delikatne kołysanie się materiałów opakowaniowych w wodzie, pokrytych żółtawo-brązowym biofilmem. Ten rodzaj materiału opakowaniowego ma dużą powierzchnię właściwą; 1 metr sześcienny może zapewnić od 800 do 900 metrów kwadratowych „przestrzeni życiowej”.

Drugi typ: Tarcze w biologicznych tarczach wirujących – „tarcze wirujące”

Biologiczne dyski obrotowe nie wykorzystują materiałów opakowaniowych; ich „domami” są same dyski – dziesiątki dużych dysków o średnicy od 2 do 3 metrów, nawleczonych na obracający się wał i powoli obracanych przez silnik z redukcją prędkości. Pierwszy typ to biologiczny dysk filtrujący, w połowie zanurzony w ściekach i w połowie wystawiony na działanie powietrza. Mikroorganizmy rosną po obu stronach dysku, pochłaniając zanieczyszczenia po zanurzeniu i absorbując tlen z powietrza po wystawieniu na powierzchnię. Konstrukcja ta charakteryzuje się stosunkowo niskim zużyciem energii, nie wymaga dodatkowego napowietrzania i jest ekonomiczna w eksploatacji.

Trzeci rodzaj: Materiał wypełniający filtr napowietrzany biologicznie (BAF) – „złoże filtracyjne z drobnych otoczaków ceramicznych”

BAF wykorzystuje małe ceramiczne kamyki o średnicy od 3 do 6 milimetrów, ułożone w stosy jak małe kamyki w zbiorniku. Ścieki przepływają od dołu do góry, natomiast napowietrzanie odbywa się jednocześnie od dołu. Ten projekt małych cząstek ma dwie zalety: po pierwsze, dużą powierzchnię właściwą, co skutkuje wysoką biomasą na jednostkę objętości; po drugie, szczeliny pomiędzy cząstkami zatrzymują zawieszone ciała stałe, dzięki czemu ścieki BAF są wyjątkowo przejrzyste.

Czwarty typ: Materiał opakowaniowy do biofiltra biologicznego (MBBR) – „małe arkusze plastiku wrzucane do wody”

MBBR wykorzystuje zawieszone małe plastikowe arkusze w kształcie małych kół lub cylindrów, o gęstości nieco mniejszej niż woda. Podczas napowietrzania te materiały opakowaniowe w sposób ciągły wirują i przepływają w zbiorniku, umożliwiając biofilmowi kontakt ze ściekami podczas ich ruchu. Materiał opakowania jest w ciągłym ruchu; starzejący się biofilm jest usuwany, a nowy biofilm stale rośnie, co eliminuje potrzebę ręcznego płukania wstecznego. Ma silne właściwości-samooczyszczania i nie zatyka zbiornika.

Typ piąty: Nośnik biologicznego złoża fluidalnego – „drobne cząstki spadające jak owsianka”

W biologicznych złożach fluidalnych stosuje się jeszcze mniejsze nośniki, zazwyczaj piasek o średnicy od 0,3 do 1 mm, węgiel aktywny lub cząstki koksu. Napędzane-przepływem wody lub powietrza z dużą prędkością, te maleńkie cząstki nieustannie spadają i upłynniają się jak owsianka. Ponieważ nośnik jest wyjątkowo mały, każdy metr sześcienny nośnika może zapewnić od 2000 do 3000 metrów kwadratowych powierzchni mieszkalnej, co skutkuje najwyższym stężeniem drobnoustrojów i szybkością ładowania objętościowego spośród wszystkich procesów biofilmu. Charakteryzuje się niezwykle wysoką wydajnością oczyszczania i bardzo małą powierzchnią, ale jego konstrukcja i działanie są również stosunkowo złożone.

Każdy z tych różnych typów „domów” ma swoje własne, odpowiednie scenariusze. Utlenianie kontaktowe nadaje się do oczyszczania ścieków o małych i średnich-wielkościach, MBBR nadaje się do modernizacji i rozbudowy, BAF nadaje się do zaawansowanego oczyszczania, biologiczne tarcze obrotowe nadają się do małych-objętości i-scenariuszy oszczędzających energię, a biologiczne złoża fluidalne nadają się do-ścieków przemysłowych o wysokim stężeniu lub scenariuszy o ograniczonej przestrzeni.

Proces ten rozpoczyna się, gdy materiał opakowaniowy zostanie umieszczony w ściekach i ścieki będą przez nie nadal przepływać.

Krok 1: Mikroorganizmy przechodzą i osiedlają się

Ścieki zawierają dużą liczbę mikroorganizmów. Niektóre z nich utkną, gdy przepływają po powierzchni materiału opakowaniowego. To początkowe połączenie opiera się na oddziaływaniach elektrostatycznych i siłach van der Waalsa.

Krok 2: od tymczasowego rozliczenia do-długoterminowego rozliczenia

Utknięte mikroorganizmy zaczynają wydzielać lepką substancję zwaną zewnątrzkomórkowymi substancjami polimerowymi (API). Substancja ta działa jak klej, mocno mocując mikroorganizmy do powierzchni materiału opakowaniowego, tworząc „ramę architektoniczną” biofilmu.

Krok 3: Osiedlenie się i rozprzestrzenianie się

Po zasiedleniu mikroorganizmy zaczynają rosnąć i rozmnażać się. Jeden staje się dwoma, dwa czterema… Wkrótce cienka warstwa filmu mikrobiologicznego pokrywa powierzchnię materiału opakowaniowego. To jest biofilm.

Krok 4: Utworzenie dojrzałej społeczności

Z biegiem czasu biofilm staje się grubszy, a „mieszkańcy” w nim stają się bardziej różnorodni. Pojawią się nie tylko bakterie, ale także grzyby, pierwotniaki i metazoa. Tworzy się między nimi łańcuch pokarmowy: bakterie zjadają zanieczyszczenia, pierwotniaki zjadają bakterie, a metazoa zjadają pierwotniaki. W ten sposób powstaje kompletny mały ekosystem.

Proces ten nazywany jest fachowo tworzeniem biofilmu. W przypadku typowych ścieków miejskich, w odpowiednich temperaturach, tworzenie biofilmu może zakończyć się w ciągu około 7 do 20 dni.

Chociaż biofilm jest tylko cienką membraną, jego wewnętrzna struktura jest dość warstwowa. W zależności od jakości ścieków i warunków dostarczania tlenu, nie zawsze mogą one tworzyć trzy pełne warstwy; w niektórych scenariuszach może powstać tylko warstwa tlenowa i beztlenowa.

Warstwa najbliższa materiałowi opakowaniowemu to warstwa beztlenowa. Warstwa ta znajduje się najdalej od ścieków, co utrudnia dyfuzję tlenu. Zasiedlają go głównie bakterie beztlenowe. Nie potrzebują tlenu, uzyskując energię poprzez rozkład złożonej materii organicznej, ale ich wydajność rozkładu jest stosunkowo niska.

Warstwa najbliższa ściekom to warstwa tlenowa. Warstwa ta ma stosunkowo dużo tlenu i jest zamieszkana przez bakterie tlenowe, które stanowią „główną siłę” w tym procesie; zachodzi tu głównie degradacja materii organicznej.

Jeśli ścieki wymagają denitryfikacji, w środku utworzy się warstwa beztlenowa, w której bakterie fakultatywne mogą przeprowadzić denitryfikację, przekształcając azotany w azot gazowy. To właśnie dzięki tej warstwowej strukturze biofilm może jednocześnie zachodzić w tej samej warstwie reakcji tlenowych i beztlenowych,-co jest trudne do osiągnięcia w procesach osadu czynnego w postaci zawieszonego wzrostu.

Biofilmy nie rosną w nieskończoność. Kiedy osiągną określoną grubość, odłączą się i odnowią. Głównym powodem jest to, że warstwa beztlenowa wewnątrz staje się coraz gęstsza. Kiedy warstwa beztlenowa osiągnie określoną grubość, mikroorganizmy znajdujące się w pobliżu powierzchni nośnika, pozbawione materii organicznej do odżywiania, wchodzą w fazę oddychania endogennego, osłabiając ich zdolność przyłączania się do nośnika. Pod wpływem siły ścinającej zewnętrznego przepływu wody starzejący się biofilm będzie oddzielał się plamami. Oderwany biofilm wypływa wraz ze strumieniem wody, a w oderwanych miejscach natychmiast przyczepiają się nowe mikroorganizmy. W ten sposób stary biofilm odłącza się i rośnie nowy biofilm, utrzymując wysoki poziom aktywności biofilmu.

Mechanizm ten skutkuje znacznie niższą szybkością wytwarzania osadu w porównaniu z procesem z osadem czynnym. Chociaż okresowe usuwanie osadu jest nadal konieczne, eliminuje to potrzebę częstej i precyzyjnej kontroli wymaganej w procesie osadu czynnego, znacznie upraszczając obsługę i zarządzanie.

W osadzie czynnym mikroorganizmy zawieszone są w mieszanym płynie, natomiast w biofilmie mikroorganizmy są unieruchomione na materiale opakowaniowym. Jeśli chodzi o odporność na obciążenia udarowe, procesy osadu czynnego są na ogół mniej skuteczne, a wahania jakości i ilości wody łatwo prowadzą do spadku efektywności oczyszczania; procesy biofilmu są znacznie silniejsze i trwalsze.

Jeśli chodzi o zdolność przystosowania się do ścieków o niskim-stęeniu, mikroorganizmy osadu czynnego są podatne na niedożywienie, co skutkuje zmniejszoną aktywnością; procesy biofilmu utrzymują wysoką aktywność nawet przy bardzo niskich stężeniach dopływu.

Jeśli chodzi o pęcznienie osadu, procesy osadu czynnego są podatne na pęcznienie osadu; procesy biofilmu nie, ponieważ mikroorganizmy są unieruchomione.

Jeśli chodzi o biomasę na jednostkę objętości, w procesach osadu czynnego zazwyczaj powstaje od 2 do 4 gramów na litr, podczas gdy w procesach biofilmu można uzyskać od 10 do 20 gramów na litr, czyli 3 do 5 razy więcej.

Podczas jednoczesnej nitryfikacji i denitryfikacji proces osadu czynnego wymaga recyrkulacji pomiędzy różnymi zbiornikami; proces biofilmu, ze względu na swoją warstwową strukturę, może to osiągnąć w tym samym zbiorniku.

Jak wybrać? Mówiąc najprościej: w przypadku dużych ilości stabilnych ścieków komunalnych proces osadu czynnego jest technologią dojrzałą; w przypadku ścieków o dużych wahaniach objętości i jakości, o niskim stężeniu lub wymagających jednoczesnej denitryfikacji, korzystniejszy jest proces biofilmu.

Główne procesy obejmują: biologiczne utlenianie kontaktowe, MBBR, napowietrzony filtr biologiczny (BAF), biologiczny dysk wirujący, biologiczne złoże fluidalne i tradycyjne filtry biologiczne (zwykłe,-wysokoobciążeniowe, typu wieżowego). Chociaż procesy te różnią się formą, ich podstawowa zasada jest taka sama,-umożliwiającą mikroorganizmom przyczepianie się do nośnika w celu utworzenia biofilmu i wykorzystania tej membrany do oczyszczania ścieków.

Główne różnice są dwojakie: po pierwsze, rodzaj „domowych”-stałych dysków, materiał wypełniający zbiornik, małe cząsteczki ceramiczne ułożone w warstwę filtrującą, przewracane małe plastikowe arkusze lub upłynnione mikrocząstki; po drugie, sposób dostarczania tlenu-naturalna wentylacja, rotacja dysku lub sztuczne napowietrzanie.

Proces biofilmu polega na budowaniu siedlisk dla mikroorganizmów, umożliwiając im osiedlanie się i pomagając w oczyszczaniu ścieków.

Gdy mikroorganizmy przeniosą się do swoich „domów”, wydzielają lepką substancję, która zakotwicza się, rośnie i rozmnaża, tworząc ustrukturyzowany biofilm-zewnętrzną warstwę tlenową odpowiedzialną za rozkład materii organicznej i wewnętrzną warstwę beztlenową odpowiedzialną za dalszy rozkład (pomiędzy nimi może powstać warstwa beztlenowa, w zależności od jakości wody). Przez każdą warstwę przepływają ścieki, a zanieczyszczenia są stopniowo wchłaniane. W miarę wzrostu biofilmu do określonej grubości stare warstwy oddzielają się, a nowe nadal rosną. Nie ma potrzeby martwić się o pęcznienie osadu lub częste regulacje zrzutu osadu, co znacznie ułatwia obsługę i zarządzanie!