O explicație simplă a tratării cu biofilm: oferirea unui cămin pentru bacterii pentru o tratare robustă și fără griji{0}}apelor uzate

Procesul cu nămol activ este cea mai utilizată tehnologie de tratare biologică a apelor uzate. Într-un sistem cu nămol activat, microorganismele care purifică apele uzate se află într-o stare de creștere suspendată-se adună împreună în grupuri mici, formând flocuri și sunt suspendate în lichidul amestecat sub aerare, amestecându-se odată cu fluxul de apă. Microorganismele și apele uzate intră în contact complet, eliminând poluanții din apă.

Acest sistem funcționează foarte bine, dar are un dezavantaj: este delicat. Dacă volumul apei reziduale influente crește brusc, concentrația acesteia crește brusc sau temperatura apei scade brusc sau pH-ul fluctuează drastic, microorganismele pot „acționa”-efectul epurării va scădea sau chiar se va produce înmulțirea nămolului, afectând funcționarea normală a sistemului.

Prin urmare, inginerii s-au întrebat dacă și-ar putea schimba abordarea, permițând microorganismelor să se „aseze” într-o locație fixă, în loc să plutească constant în apă?

Acesta este procesul biofilmului. Mai simplu spus, procesul de biofilm folosește microorganisme care cresc pe medii filtrante sau pe un purtător pentru a trata apele uzate.

Ideea de bază a tehnologiei biofilmului este simplă: oferiți microorganismelor „case” fixe unde acestea se pot stabili, se pot reproduce și forma o „comunitate microbiană”. Prin această comunitate curg apele uzate, iar poluanții din interior sunt consumați de „rezidenți”.

Aceste „case” sunt numite profesional materiale de ambalare sau transportoare. Diferite procese de biofilm folosesc purtători complet diferiți. Cele mai comune tipuri sunt:

Primul tip: Material de ambalare în oxidare de contact biologic – „bile din filament de plastic” agățate în rezervor

Rezervorul de oxidare de contact este umplut cu șiruri de materiale de ambalare, care seamănă cu perii mari de plastic. Apa uzată este aerisită din partea de jos a rezervorului și spălată în sus, determinând ca aceste materiale de ambalare să se balanseze ușor în apă, acoperite cu un biofilm-maro gălbui. Acest tip de material de ambalare are o suprafață specifică mare; 1 metru cub poate oferi 800 până la 900 de metri pătrați de „spațiu de locuit”.

Al doilea tip: Discuri în discuri biologice rotative – „discuri rotative”

Discurile biologice rotative nu folosesc materiale de ambalare; „casele” lor sunt discurile în sine – zeci de discuri mari, de 2 până la 3 metri în diametru, înșirate împreună pe un arbore rotativ și rotite încet de un motor cu o reducere a vitezei. Primul tip implică un disc de filtru biologic, jumătate scufundat în apă uzată și jumătate expus la aer. Microorganismele cresc pe ambele părți ale discului, absorbind poluanții atunci când sunt scufundate și absorbind oxigenul din aer atunci când sunt expuse la suprafață. Acest design are un consum de energie relativ scăzut, nu necesită aerare suplimentară și este economic în funcționare.

Al treilea tip: materialul de ambalare pentru un filtru aerat biologic (BAF) – „un pat filtrant format din pietricele ceramice mici”

BAF folosește pietricele ceramice mici, cu un diametru de 3 până la 6 milimetri, îngrămădite ca niște pietricele mici în rezervor. Apele uzate curg de jos în sus, în timp ce aerarea are loc simultan de jos. Acest design cu particule mici are două avantaje: în primul rând, o suprafață specifică mare, rezultând o biomasă mare pe unitate de volum; în al doilea rând, golurile dintre particule captează solidele în suspensie, făcând efluentul BAF excepțional de clar.

Al patrulea tip: materialul de ambalare pentru un biofiltru biologic (MBBR) – „foi mici de plastic care se prăbușesc în apă”

MBBR folosește mici foi de plastic suspendate, în formă de roți sau cilindri mici, cu o densitate puțin mai ușoară decât apa. Sub aerare, aceste materiale de ambalare se rotesc continuu și curg în rezervor, permițând biofilmului să intre în contact cu apa uzată pe măsură ce se deplasează. Materialul de ambalare este în permanentă mișcare; biofilmul îmbătrânit este îndepărtat, iar biofilmul nou crește continuu, eliminând necesitatea spălării manuale. Are capacități puternice de auto-curățare și nu va înfunda rezervorul.

Al cincilea tip: purtătorul unui pat biologic fluidizat – „particule minuscule care se prăbușesc ca terciul”

Paturile biologice fluidizate folosesc purtători chiar mai mici, de obicei nisip de 0,3 până la 1 mm, cărbune activ sau particule de cocs. Acționate de fluxul de apă sau de aer cu viteză mare-, aceste particule minuscule se prăbușesc și se fluidizează continuu ca terciul. Deoarece suportul este extrem de mic, fiecare metru cub de suport poate oferi 2000 până la 3000 de metri pătrați de spațiu de locuit, rezultând cea mai mare concentrație microbiană și rata de încărcare volumetrică dintre toate procesele de biofilm. Se mândrește cu o eficiență de tratament extrem de ridicată și o amprentă foarte mică, dar designul și funcționarea sa sunt, de asemenea, relativ complexe.

Aceste tipuri diferite de „case” fiecare au propriile scenarii aplicabile. Oxidarea prin contact este potrivită pentru tratarea apelor uzate de dimensiuni mici și mijlocii, MBBR este potrivit pentru modernizare și extindere, BAF este potrivit pentru tratarea avansată, discurile biologice rotative sunt potrivite pentru scenarii de-volum mic, de economisire a energiei-, iar paturile biologice fluidizate sunt potrivite pentru ape uzate industriale cu concentrație ridicată{{4}sau scenarii limitate.

Când materialul de ambalare este plasat în apa uzată și apa uzată continuă să curgă prin ea, începe acest proces.

Pasul 1: Microorganismele trec și se instalează

Apa uzată conține un număr mare de microorganisme. Pe măsură ce curg pe suprafața materialului de ambalare, unele se blochează. Acest atașament inițial se bazează pe interacțiuni electrostatice și pe forțele van der Waals.

Pasul 2: de la decontare temporară la decontare pe termen lung-

Microorganismele blocate încep să secrete o substanță lipicioasă numită substanțe polimerice extracelulare (API). Această substanță acționează ca un lipici, fixând ferm microorganismele de suprafața materialului de ambalare, formând „cadrul arhitectural” al biofilmului.

Pasul 3: Instalarea și răspândirea Proliferate

După ce se instalează, microorganismele încep să crească și să se reproducă. Unul devine doi, doi devin patru... Curând, un strat subțire de peliculă microbiană acoperă suprafața materialului de ambalare. Acesta este biofilmul.

Pasul 4: Formarea unei comunități mature

În timp, biofilmul devine mai gros, iar „rezidenții” din cadrul acestuia devin mai diversi. Vor apărea nu numai bacterii, ci și ciuperci, protozoare și metazoare. Printre ele se formează un lanț alimentar: bacteriile mănâncă poluanți, protozoarele mănâncă bacterii, iar metazoarele mănâncă protozoare. Se instituie astfel un mic ecosistem complet.

Acest proces este numit profesional formarea biofilmului. Pentru apele uzate urbane tipice, la temperaturi adecvate, formarea biofilmului poate fi finalizată în aproximativ 7 până la 20 de zile.

Deși un biofilm este doar o membrană subțire, structura sa internă este destul de stratificată. În funcție de calitatea apei uzate și de condițiile de alimentare cu oxigen, este posibil să nu formeze întotdeauna trei straturi complete; în unele scenarii, se pot forma doar un strat aerob și unul anaerob.

Stratul cel mai apropiat de materialul de ambalare este stratul anaerob. Acest strat este cel mai îndepărtat de apa uzată, ceea ce face dificilă difuzarea oxigenului. Este locuită în principal de bacterii anaerobe. Nu au nevoie de oxigen, obținând energie prin descompunerea materiei organice complexe, dar randamentul lor de descompunere este relativ scăzut.

Stratul cel mai apropiat de apa uzată este stratul aerob. Acest strat are oxigen relativ abundent și este locuit de bacterii aerobe, care sunt „forța principală” în proces; degradarea materiei organice are loc în principal aici.

Dacă apele uzate necesită denitrificare, se va forma un strat anoxic în mijloc, unde bacteriile facultative pot efectua denitrificare, transformând nitrații în azot gazos. Tocmai datorită acestei structuri stratificate, biofilmul poate finaliza simultan reacțiile aerobe și anaerobe în același strat-ceva dificil de realizat în procesele cu nămol activ cu creștere în suspensie.

Biofilmele nu cresc la infinit. Când ajung la o anumită grosime, se vor desprinde și se vor reînnoi. Motivul principal este că stratul anaerob din interior devine din ce în ce mai gros. Când stratul anaerob atinge o anumită grosime, microorganismele din apropierea suprafeței purtătorului, lipsite de materie organică pentru nutriție, intră într-o fază de respirație endogenă, slăbind capacitatea lor de a se atașa de purtător. Sub forța de forfecare a fluxului extern de apă, biofilmul îmbătrânit se va desprinde în pete. Biofilmul detașat curge cu fluxul de apă, iar noi microorganisme se atașează imediat la locurile detașate. În acest fel, biofilmul vechi se detașează și biofilmul nou crește, menținând un nivel ridicat de activitate a biofilmului.

Acest mecanism are ca rezultat o rată semnificativ mai mică de producție de nămol în comparație cu procesul de nămol activ. Deși îndepărtarea periodică a nămolului este încă necesară, aceasta elimină necesitatea controlului frecvent și precis cerut de procesul de nămol activ, simplificând considerabil operarea și managementul.

În nămolul activat, microorganismele sunt suspendate în lichidul amestecat, în timp ce în biofilm, microorganismele sunt imobilizate pe materialul de ambalare. În ceea ce privește rezistența la sarcinile de șoc, procesele cu nămol activ sunt în general mai puțin eficiente, fluctuațiile calității și cantității apei conducând cu ușurință la o scădere a eficienței epurării; procesele de biofilm sunt mult mai puternice și mai robuste.

În ceea ce privește adaptabilitatea la apele uzate cu{0}}concentrație scăzută, microorganismele cu nămol activ sunt predispuse la subalimentare, ceea ce duce la scăderea activității; procesele de biofilm mențin o activitate ridicată chiar și cu concentrații foarte scăzute de influenți.

În ceea ce privește înmulțirea nămolului, procesele cu nămol activ sunt predispuse la înmulțirea nămolului; procesele biofilm nu, deoarece microorganismele sunt imobilizate.

În ceea ce privește biomasa pe unitate de volum, procesele cu nămol activ produc de obicei 2 până la 4 grame pe litru, în timp ce procesele cu biofilm pot ajunge la 10 până la 20 de grame pe litru, de 3 până la 5 ori mai mare.

În nitrificarea și denitrificarea simultană, procesul cu nămol activ necesită recirculare între diferite rezervoare; procesul de biofilm, datorită structurii sale stratificate, poate realiza acest lucru în cadrul aceluiași rezervor.

Cum să alegi? Mai simplu spus: pentru volume mari de ape uzate municipale stabile, procesul cu nămol activ este o tehnologie matură; pentru apele uzate cu fluctuații mari de volum și calitate, concentrație scăzută sau care necesită denitrificare simultană, procesul de biofilm este mai avantajos.

Principalele procese includ: oxidarea de contact biologic, MBBR, filtru biologic aerat (BAF), disc biologic rotativ, pat biologic fluidizat și filtre biologice tradiționale (încărcare obișnuită,-înaltă, tip turn). Deși aceste procese diferă ca formă, principiul lor de bază este același-permițând microorganismelor să se atașeze de un purtător pentru a forma un biofilm, folosind această membrană pentru a purifica apele uzate.

Principalele diferențe sunt două: în primul rând, tipul de discuri fixe „de casă”-, materialul de ambalare care umple rezervorul, particulele ceramice mici stivuite într-un strat de filtru, foile mici de plastic care se răsturnează sau microparticulele fluidizate; în al doilea rând, cum este furnizat oxigenul-ventilația naturală, rotația discurilor sau aerarea artificială.

Procesul de biofilm implică construirea de habitate pentru microorganisme, permițându-le să se stabilească și să ajute la tratarea apelor uzate.

Odată ce microorganismele se mută în „casele” lor, ele secretă o substanță lipicioasă pentru a se ancora, a crește și a se reproduce, formând un biofilm structurat-un strat aerob exterior responsabil de degradarea materiei organice și un strat anaerob interior responsabil pentru descompunerea ulterioară (se poate forma un strat anoxic între ele, în funcție de calitatea apei). Apele uzate curg, iar poluanții sunt absorbiți treptat de fiecare strat. Pe măsură ce biofilmul crește până la o anumită grosime, straturile vechi se desprind, iar altele noi continuă să crească. Nu este nevoie să vă faceți griji cu privire la înmulțirea nămolului sau la ajustările frecvente ale evacuarii nămolului, făcând operarea și gestionarea mult mai ușoare!