Процесът на активна утайка е най-широко използваната технология за биологично пречистване на отпадъчни води. В система с активна утайка микроорганизмите, които пречистват отпадъчните води, са в състояние на суспендиран растеж-те се групират заедно в малки групи, образувайки флокули, и се суспендират в смесената течност при аериране, разбърквайки се с водния поток. Микроорганизмите и отпадъчните води влизат в пълен контакт, елиминирайки замърсителите във водата.
Тази система работи много добре, но има един недостатък: тя е деликатна. Ако обемът на входящата отпадъчна вода внезапно се увеличи, концентрацията ѝ внезапно се повиши, или температурата на водата внезапно спадне, или рН се колебае драстично, микроорганизмите могат да „задействат“-ефектът от пречистване ще намалее или дори ще настъпи натрупване на утайка, което ще повлияе на нормалната работа на системата.
Затова инженерите се чудеха дали биха могли да променят своя подход, позволявайки на микроорганизмите да се „установят“ на фиксирано място, вместо постоянно да плуват във водата?
Това е процесът на биофилма. Просто казано, процесът на биофилм използва микроорганизми, растящи върху филтърна среда или носител за пречистване на отпадъчни води.
Основната идея на технологията за биофилм е проста: осигурете на микроорганизмите фиксирани „къщи“, където те могат да се заселят, възпроизвеждат и образуват „микробна общност“. Отпадъчните води текат през тази общност, а замърсителите вътре се консумират от „жителите“.
Тези „къщи“ се наричат професионално опаковъчни материали или носители. Различните процеси на биофилм използват напълно различни носители. Най-често срещаните видове са:
Първият тип: Опаковъчен материал при биологично контактно окисление – „топки от пластмасова нишка“, висящи в резервоара
Резервоарът за контактно окисляване е пълен с низове от опаковъчни материали, наподобяващи големи пластмасови четки. Отпадъчните води се аерират от дъното на резервоара и се измиват нагоре, карайки тези опаковъчни материали да се люлеят леко във водата, покрити с жълтеникаво-кафяв биофилм. Този вид опаковъчен материал има голяма специфична повърхност; 1 кубичен метър може да осигури от 800 до 900 квадратни метра "жилищна площ".
Вторият тип: Дискове в биологични въртящи се дискове – „въртящи се дискове“
Биологичните въртящи се дискове не използват опаковъчни материали; техните „къщи“ са самите дискове – десетки големи дискове с диаметър от 2 до 3 метра, нанизани заедно на въртящ се вал и бавно въртящи се от двигател с намаление на скоростта. Първият тип включва биологичен филтърен диск, наполовина потопен в отпадъчни води и наполовина изложен на въздух. Микроорганизмите растат от двете страни на диска, адсорбирайки замърсители, когато са потопени и абсорбират кислород от въздуха, когато са изложени на повърхността. Този дизайн има относително ниска консумация на енергия, не изисква допълнителна аерация и е икономичен при работа.
Трети тип: Опаковъчен материал за биологично аериран филтър (BAF) – „филтърно легло от малки керамични камъчета“
BAF използва малки керамични камъчета с диаметър от 3 до 6 милиметра, натрупани като малки камъчета в резервоара. Отпадъчните води текат от дъното нагоре, докато аерацията се извършва едновременно от дъното. Този дизайн с малки частици има две предимства: първо, голяма специфична повърхност, което води до висока биомаса на единица обем; второ, празнините между частиците улавят суспендирани твърди частици, което прави отпадъчните води на BAF изключително чисти.
Четвъртият тип: Опаковъчният материал за биологичен биофилтър (MBBR) – „малки пластмасови листове, търкалящи се във водата“
MBBR използва окачени малки пластмасови листове, оформени като малки колела или цилиндри, с плътност малко по-лека от водата. При аериране тези опаковъчни материали непрекъснато се въртят и текат в резервоара, позволявайки на биофилма да влезе в контакт с отпадъчните води, докато се движат. Опаковъчният материал е постоянно в движение; стареещият биофилм се изтрива и новият биофилм непрекъснато расте, елиминирайки необходимостта от ръчно обратно промиване. Има силни само-способности за самопочистване и няма да запуши резервоара.
Петият тип: Носителят на биологичен флуидизиран слой – „малки частици, които се въртят като каша“
Биологичните кипящи слоеве използват още по-малки носители, обикновено 0,3 до 1 mm пясък, активен въглен или частици кокс. Задвижвани от високо{3}}воден или въздушен поток, тези малки частици непрекъснато се въртят и течат като каша. Тъй като носителят е изключително малък, всеки кубичен метър носител може да осигури 2000 до 3000 квадратни метра жизнено пространство, което води до най-високата микробна концентрация и обемно натоварване сред всички процеси на биофилм. Той може да се похвали с изключително висока ефективност на обработка и много малък отпечатък, но неговият дизайн и работа също са относително сложни.
Всяка от тези различни типове „къщи“ има свои собствени приложими сценарии. Контактното окисление е подходящо за пречистване на малки до средни-отпадъчни води, MBBR е подходящо за преоборудване и разширяване, BAF е подходящо за усъвършенствано третиране, биологичните въртящи се дискове са подходящи за сценарии с малък-обем,-спестяване на енергия, а биологичните кипящи слоеве са подходящи за промишлени отпадъчни води с висока-концентрация или сценарии с ограничено пространство.
1. Как "расте" биофилмът?
Когато опаковъчният материал се постави в отпадъчни води и отпадъчните води продължават да текат през него, този процес започва.
Стъпка 1: Микроорганизмите преминават и се установяват
Отпадъчните води съдържат голям брой микроорганизми. Докато текат по повърхността на опаковъчния материал, някои се залепват. Това първоначално закрепване разчита на електростатични взаимодействия и сили на Ван дер Ваалс.
Стъпка 2: От временно споразумение към дългосрочно-уреждане
Заседналите микроорганизми започват да отделят лепкава субстанция, наречена извънклетъчни полимерни вещества (API). Това вещество действа като лепило, здраво фиксира микроорганизмите към повърхността на опаковъчния материал, образувайки "архитектурната рамка" на биофилма.
Стъпка 3: Установяване и разпространение на пролиферация
След като се установят, микроорганизмите започват да растат и да се размножават. Едно става две, две стават четири... Скоро тънък слой микробен филм покрива повърхността на опаковъчния материал. Това е биофилмът.
Стъпка 4: Формиране на зряла общност
С течение на времето биофилмът става по-дебел, а "жителите" в него стават по-разнообразни. Ще се появят не само бактерии, но и гъбички, протозои и метазои. Сред тях се образува хранителна верига: бактериите ядат замърсители, протозоите ядат бактерии, а метазоите ядат протозои. Така се създава пълна малка екосистема.
Този процес се нарича професионално образуване на биофилм. За типичните градски отпадъчни води, при подходящи температури, образуването на биофилм може да завърши за приблизително 7 до 20 дни.
2. Структура на биофилма
Въпреки че биофилмът е само тънка мембрана, вътрешната му структура е доста слоеста. В зависимост от качеството на отпадъчните води и условията на подаване на кислород, те не винаги могат да образуват три пълни слоя; в някои сценарии може да се образуват само аеробен и анаеробен слой.
Слоят, който е най-близо до опаковъчния материал, е анаеробният слой. Този слой е най-отдалечен от отпадъчните води, което затруднява дифузията на кислорода. Обитава се предимно от анаеробни бактерии. Те не се нуждаят от кислород, като получават енергия чрез разлагане на сложна органична материя, но ефективността им на разлагане е сравнително ниска.
Слоят, който е най-близо до отпадъчните води, е аеробният слой. Този слой има сравнително изобилен кислород и е обитаван от аеробни бактерии, които са "основната сила" в процеса; разграждането на органичната материя се извършва главно тук.
Ако отпадъчните води изискват денитрификация, в средата ще се образува аноксичен слой, където факултативните бактерии могат да извършват денитрификация, превръщайки нитратите в азотен газ. Именно поради тази слоеста структура биофилмът може едновременно да завърши аеробни и анаеробни реакции в рамките на един и същи слой-нещо, което е трудно постижимо при процесите на активирана утайка в суспендиран растеж.
3. Обновяване на биофилма
Биофилмите не растат безкрайно. Когато достигнат определена дебелина, те ще се отделят и ще се обновят. Основната причина е, че анаеробният слой вътре става все по-дебел. Когато анаеробният слой достигне определена дебелина, микроорганизмите в близост до повърхността на носителя, лишени от органична материя за хранене, навлизат във фаза на ендогенно дишане, отслабвайки способността си да се прикрепят към носителя. Под силата на срязване на външния воден поток стареещият биофилм ще се отдели на петна. Отделеният биофилм изтича с водния поток и нови микроорганизми незабавно се прикрепят към отделените места. По този начин старият биофилм се отделя и новият биофилм расте, поддържайки високо ниво на активност на биофилма.
Този механизъм води до значително по-ниска скорост на производство на утайка в сравнение с процеса на активна утайка. Въпреки че все още е необходимо периодично отстраняване на утайки, то елиминира необходимостта от чест и прецизен контрол, изискван от процеса на активна утайка, като значително опростява работата и управлението.
4. Сравнение на процеси с активна утайка и биофилм
В активната утайка микроорганизмите са суспендирани в смесената течност, докато в биофилма микроорганизмите са имобилизирани върху опаковъчния материал. Що се отнася до устойчивостта на ударни натоварвания, процесите на активирана утайка обикновено са по-малко ефективни, като колебанията в качеството и количеството на водата лесно водят до намаляване на ефективността на пречистване; процесите на биофилм са много по-силни и по-стабилни.
По отношение на адаптивността към отпадъчните води с ниска{0}}концентрация, микроорганизмите от активната утайка са склонни към недостатъчно хранене, което води до намалена активност; процесите на биофилма поддържат висока активност дори при много ниски влиятелни концентрации.
По отношение на натрупването на утайки, процесите с активирана утайка са предразположени към натрупване на утайки; процесите с биофилм не го правят, тъй като микроорганизмите са обездвижени.
По отношение на биомаса на единица обем, процесите с активна утайка обикновено произвеждат 2 до 4 грама на литър, докато процесите с биофилм могат да достигнат 10 до 20 грама на литър, 3 до 5 пъти повече.
При едновременна нитрификация и денитрификация, процесът на активната утайка изисква рециркулация между различни резервоари; процесът с биофилм, поради своята стратифицирана структура, може да постигне това в рамките на един и същи резервоар.
Как да изберем? Просто казано: за големи обеми стабилни битови отпадъчни води процесът на активна утайка е зряла технология; за отпадъчни води с големи колебания в обема и качеството, ниска концентрация или изискващи едновременна денитрификация, процесът с биофилм е по-изгоден.
5. Основни процеси на биофилм процеси
Основните процеси включват: биологично контактно окисление, MBBR, аериран биологичен филтър (BAF), биологичен въртящ се диск, биологичен кипящ слой и традиционни биологични филтри (обикновени, високо-натоварени, тип кула). Въпреки че тези процеси се различават по форма, техният основен принцип е един и същ-като позволява на микроорганизмите да се прикрепят към носител, за да образуват биофилм, използвайки тази мембрана за пречистване на отпадъчни води.
Основните разлики са две: първо, типът на "къщи"-фиксирани дискове, опаковъчен материал, пълнещ резервоара, малки керамични частици, подредени във филтърен слой, въртящи се малки пластмасови листове или флуидизирани микрочастици; второ, как се доставя кислород-естествена вентилация, въртене на диска или изкуствена аерация.
Процесът на биофилм включва изграждане на местообитания за микроорганизми, което им позволява да се заселят и спомагат за пречистването на отпадъчните води.
След като микроорганизмите се преместят в своите „домове“, те отделят лепкава субстанция, за да се закотвят, да растат и да се възпроизвеждат, образувайки структуриран биофилм -външен аеробен слой, отговорен за разграждането на органичната материя, и вътрешен анаеробен слой, отговорен за по-нататъшното разграждане (може да се образува аноксичен слой между тях, в зависимост от качеството на водата). Отпадъчните води протичат и замърсителите постепенно се абсорбират от всеки слой. Когато биофилмът расте до определена дебелина, старите слоеве се отделят и новите продължават да растат. Няма нужда да се притеснявате за натрупване на утайки или чести корекции на изхвърлянето на утайки, което прави работата и управлението много по-лесни!