En enkel förklaring av biofilmsbehandling: tillhandahålla ett hem för bakterier för robust och orolig-gratis avloppsvattenbehandling

Aktivslamprocessen är den mest använda biologiska reningstekniken för avloppsvatten. I ett aktiverat slamsystem är mikroorganismerna som renar avloppsvatten i ett suspenderat tillväxttillstånd-de samlas i små grupper, bildar flockar och suspenderas i den blandade luten under luftning, kärnar med vattenflödet. Mikroorganismerna och avloppsvattnet kommer i full kontakt, vilket eliminerar föroreningar i vattnet.

Det här systemet fungerar mycket bra, men det har en nackdel: det är känsligt. Om den ingående avloppsvattenvolymen plötsligt ökar, dess koncentration plötsligt stiger, eller vattentemperaturen plötsligt sjunker, eller pH-värdet fluktuerar drastiskt, kan mikroorganismerna "agera upp"-reningseffekten kommer att minska, eller till och med slambulkning kommer att inträffa, vilket påverkar systemets normala funktion.

Därför undrade ingenjörer om de kunde ändra sitt tillvägagångssätt och låta mikroorganismerna "sätta sig" på en fast plats, istället för att ständigt flyta i vattnet?

Detta är biofilmprocessen. Enkelt uttryckt använder biofilmprocessen mikroorganismer som växer på filtermedia eller en bärare för att behandla avloppsvatten.

Kärnidén med biofilmteknologi är enkel: förse mikroorganismer med fasta "hus" där de kan bosätta sig, reproducera och bilda en "mikrobiell gemenskap." Avloppsvatten rinner genom detta samhälle, och föroreningarna inuti konsumeras av "invånarna".

Dessa "hus" kallas yrkesmässigt förpackningsmaterial eller bärare. Olika biofilmprocesser använder helt olika bärare. De vanligaste typerna är:

Den första typen: Förpackningsmaterial i biologisk kontaktoxidation – "plastfilamentkulor" hängande i tanken

Kontaktoxidationstanken är fylld med strängar av förpackningsmaterial, som liknar stora plastborstar. Avloppsvatten luftas från botten av tanken och spolas uppåt, vilket gör att dessa förpackningsmaterial svajar försiktigt i vattnet, täckt med en gulaktig-brun biofilm. Denna typ av förpackningsmaterial har en stor specifik yta; 1 kubikmeter kan ge 800 till 900 kvadratmeter "levnadsyta".

Den andra typen: Skivor i biologiska roterande skivor – "roterande skivor"

Biologiska roterande skivor använder inte förpackningsmaterial; deras "hus" är själva skivorna – dussintals stora skivor, 2 till 3 meter i diameter, ihoptränade på en roterande axel och långsamt roterade av en motor med en hastighetsreduktion. Den första typen innebär en biologisk filterskiva, hälften nedsänkt i avloppsvatten och hälften exponerad för luft. Mikroorganismer växer på båda sidor av skivan, adsorberar föroreningar när de är nedsänkta och absorberar syre från luften när de utsätts för ytan. Denna design har relativt låg energiförbrukning, kräver ingen extra luftning och är ekonomisk i drift.

Den tredje typen: Förpackningsmaterialet för ett biologiskt luftat filter (BAF) – "en filterbädd gjord av små keramiska småsten"

BAF använder små keramiska småsten med en diameter på 3 till 6 millimeter, staplade som små stenar i tanken. Avloppsvatten rinner från botten till toppen, medan luftning sker samtidigt från botten. Denna design med små partiklar har två fördelar: för det första en stor specifik yta, vilket resulterar i hög biomassa per volymenhet; för det andra fångar gapen mellan partiklarna upp suspenderade partiklar, vilket gör BAF-avloppsvattnet exceptionellt klart.

Den fjärde typen: Förpackningsmaterialet för ett biologiskt biofilter (MBBR) – "små plastskivor som ramlar i vattnet"

MBBR använder upphängda små plastskivor, formade som små hjul eller cylindrar, med en densitet något lättare än vatten. Under luftning tumlar dessa förpackningsmaterial kontinuerligt och flyter i tanken, vilket gör att biofilmen kommer i kontakt med avloppsvattnet när de rör sig. Förpackningsmaterialet är ständigt i rörelse; åldrande biofilm gnids bort och ny biofilm växer kontinuerligt, vilket eliminerar behovet av manuell backspolning. Den har en stark självrengörande förmåga- och täpper inte till tanken.

Den femte typen: Bäraren av en biologisk fluidiserad bädd – "små partiklar som ramlar som gröt"

Biologiska fluidiserade bäddar använder ännu mindre bärare, typiskt 0,3 till 1 mm sand, aktivt kol eller kokspartiklar. Drivna av-höghastighetsvatten eller luftflöde, tumlar dessa små partiklar kontinuerligt och flyter som gröt. Eftersom bäraren är extremt liten, kan varje kubikmeter bärare ge 2000 till 3000 kvadratmeter livsyta, vilket resulterar i den högsta mikrobiella koncentrationen och volymetriska laddningshastigheten bland alla biofilmprocesser. Den har extremt hög behandlingseffektivitet och ett mycket litet fotavtryck, men dess design och drift är också relativt komplex.

Dessa olika typer av "hus" har var och en sina egna tillämpliga scenarier. Kontaktoxidation är lämplig för rening av små till medelstora-avloppsvatten, MBBR är lämplig för eftermontering och expansion, BAF är lämplig för avancerad rening, biologiska roterande skivor är lämpliga för små-volymer, energi-besparande scenarier och biologiska fluidiserade bäddar är lämpliga för hög-koncentration av industriellt avloppsvatten eller scenarier.

När förpackningsmaterialet placeras i avloppsvattnet och avloppsvattnet fortsätter att rinna genom det börjar denna process.

Steg 1: Mikroorganismer passerar och sätter sig in

Avloppsvatten innehåller ett stort antal mikroorganismer. När de flyter över ytan av förpackningsmaterialet fastnar en del. Denna initiala fastsättning är beroende av elektrostatiska interaktioner och van der Waals-krafter.

Steg 2: Från tillfällig förlikning till lång-avräkning

De fastnade mikroorganismerna börjar utsöndra en klibbig substans som kallas extracellulära polymera substanser (API). Detta ämne fungerar som lim och fixerar mikroorganismerna på ytan av förpackningsmaterialet och bildar biofilmens "arkitektoniska ram".

Steg 3: Att bosätta sig och sprida Proliferera

Efter att ha slagit sig in börjar mikroorganismerna växa och föröka sig. En blir två, två blir fyra... Snart täcker ett tunt lager av mikrobiell film ytan på förpackningsmaterialet. Det här är biofilmen.

Steg 4: Bildandet av en mogen gemenskap

Med tiden blir biofilmen tjockare, och "invånarna" i den blir mer mångfaldiga. Inte bara bakterier, utan även svampar, protozoer och metazoer kommer att dyka upp. En näringskedja bildas bland dem: bakterier äter föroreningar, protozoer äter bakterier och metazoer äter protozoer. Ett komplett litet ekosystem är därmed etablerat.

Denna process kallas professionellt för biofilmbildning. För typiska stadsavloppsvatten, under lämpliga temperaturer, kan biofilmbildning slutföras på cirka 7 till 20 dagar.

Även om en biofilm bara är ett tunt membran, är dess inre struktur ganska skiktad. Beroende på avloppsvattnets kvalitet och syretillförselförhållandena, kan det inte alltid bilda tre kompletta lager; i vissa scenarier kan endast ett aerobt och ett anaerobt skikt bildas.

Det skikt som ligger närmast förpackningsmaterialet är det anaeroba skiktet. Detta skikt är längst bort från avloppsvattnet, vilket gör det svårt för syre att diffundera till. Den är huvudsakligen bebodd av anaeroba bakterier. De behöver inte syre, de får energi genom att sönderdela komplext organiskt material, men deras nedbrytningseffektivitet är relativt låg.

Det skikt som ligger närmast avloppsvattnet är det aeroba skiktet. Detta lager har relativt rikligt med syre, och det är bebott av aeroba bakterier, som är "huvudkraften" i processen; här sker främst nedbrytningen av organiskt material.

Om avloppsvatten kräver denitrifiering bildas ett anoxiskt lager i mitten, där fakultativa bakterier kan utföra denitrifiering och omvandla nitrater till kvävgas. Det är just på grund av denna skiktade struktur som biofilmen samtidigt kan fullborda aeroba och anaeroba reaktioner inom samma skikt-något svårt att uppnå i suspenderade tillväxtaktiverade slamprocesser.

Biofilmer växer inte i det oändliga. När de når en viss tjocklek lossnar de och förnyas. Den främsta anledningen är att det anaeroba lagret inuti blir allt tjockare. När det anaeroba lagret når en viss tjocklek går mikroorganismer nära bärarytan, som saknar organiskt material för näring, in i en endogen andningsfas, vilket försvagar deras förmåga att fästa vid bäraren. Under skjuvkraften från det externa vattenflödet kommer den åldrande biofilmen att lossna fläckvis. Den lossnade biofilmen rinner ut med vattenflödet och nya mikroorganismer fäster omedelbart på de lossnade platserna. På så sätt lossnar gammal biofilm och ny biofilm växer, vilket bibehåller en hög nivå av biofilmaktivitet.

Denna mekanism resulterar i en betydligt lägre slamproduktionshastighet jämfört med den aktiverade slamprocessen. Även om periodiskt slamavlägsnande fortfarande är nödvändigt, eliminerar det behovet av den frekventa och exakta kontroll som krävs av den aktiverade slamprocessen, vilket förenklar drift och hantering avsevärt.

I aktivt slam suspenderas mikroorganismer i blandluten, medan i biofilm immobiliseras mikroorganismer på förpackningsmaterialet. När det gäller motståndskraft mot stötbelastningar är aktiverade slamprocesser i allmänhet mindre effektiva, med fluktuationer i vattenkvalitet och kvantitet som lätt leder till en minskning av reningseffektiviteten; biofilmprocesser är mycket starkare och mer robusta.

När det gäller anpassningsförmåga till låg-koncentration av avloppsvatten är mikroorganismer av aktiverat slam benägna att undermatas, vilket resulterar i minskad aktivitet; biofilmprocesser bibehåller hög aktivitet även med mycket låga influenskoncentrationer.

När det gäller slambulkning är aktiverade slamprocesser benägna att fylla av slam; biofilmprocesser gör det inte, eftersom mikroorganismerna är immobiliserade.

När det gäller biomassa per volymenhet producerar aktivt slamprocesser vanligtvis 2 till 4 gram per liter, medan biofilmprocesser kan nå 10 till 20 gram per liter, 3 till 5 gånger högre.

Vid samtidig nitrifikation och denitrifikation kräver den aktiva slamprocessen recirkulation mellan olika tankar; biofilmprocessen, på grund av sin stratifierade struktur, kan uppnå detta inom samma tank.

Hur väljer man? Enkelt uttryckt: för stora volymer stabilt kommunalt avloppsvatten är den aktiva slamprocessen en mogen teknik; för avloppsvatten med stora fluktuationer i volym och kvalitet, låg koncentration eller som kräver samtidig denitrifikation är biofilmprocessen mer fördelaktig.

Huvudprocesserna inkluderar: biologisk kontaktoxidation, MBBR, luftigt biologiskt filter (BAF), biologisk roterande skiva, biologisk fluidiserad bädd och traditionella biologiska filter (vanliga, hög-last, torntyp). Även om dessa processer skiljer sig åt i form, är deras kärnprincip densamma-som tillåter mikroorganismer att fästa på en bärare för att bilda en biofilm, med hjälp av detta membran för att rena avloppsvatten.

De huvudsakliga skillnaderna är två: för det första typen av "hus"-fixerade skivor, förpackningsmaterial som fyller tanken, små keramiska partiklar staplade i ett filterskikt, tumlande små plastark eller fluidiserade mikropartiklar; för det andra, hur syre tillförs-naturlig ventilation, skivrotation eller artificiell luftning.

Biofilmprocessen går ut på att bygga livsmiljöer för mikroorganismer, så att de kan bosätta sig och hjälpa till att behandla avloppsvatten.

När mikroorganismerna väl flyttar in i sina "hem" utsöndrar de en klibbig substans för att förankra sig, växa och föröka sig, och bildar en strukturerad biofilm-ett yttre aerobt skikt som ansvarar för att bryta ned organiskt material och ett inre anaerobt skikt som ansvarar för ytterligare nedbrytning (ett anoxiskt skikt kan bildas däremellan, beroende på vattenkvaliteten). Avloppsvatten rinner igenom och föroreningar absorberas gradvis av varje lager. När biofilmen växer till en viss tjocklek lossnar de gamla lagren och nya fortsätter att växa. Det finns ingen anledning att oroa sig för slambulkning eller frekventa justeringar av slamutsläpp, vilket gör drift och hantering mycket enklare!