دليل شامل لعمليات الأغشية الحيوية في معالجة المياه

مقدمة في الأغشية الحيوية في معالجة المياه

المياه هي شريان الحياة لكوكبنا ، وضمان نقاءها هي حجر الزاوية في الصحة العامة والاستدامة البيئية. مع نمو السكان العالميين وتتوسعت الأنشطة الصناعية ، فإن الطلب على فعال ومستدام معالجة المياه الحلول تكثف. من بين مجموعة متنوعة من التقنيات المستخدمة ، عمليات البيوفيلم برزت كنهج فعال بشكل ملحوظ وصديق للبيئة لتنقية المياه والعلاج مياه الصرف .

في قلبها ، تدور معالجة المياه حول تحويل المياه الملوثة إلى حالة قابلة للاستخدام. في حين تلعب الأساليب الكيميائية والفيزيائية أدوارًا مهمة ، وعمليات بيولوجية ، وخاصة تلك التي تنطوي الأغشية الحيوية ، الاستفادة من قوة الكائنات الحية الدقيقة لتحطيم الملوثات وإزالة. توفر هذه المجتمعات الميكروبية الطبيعية بديلاً مستقرًا وقويًا وفعالًا من حيث التكلفة لأنظمة النمو التقليدية المعلقة ، مما يمهد الطريق لإدارة المياه أكثر مرونة ومستدامة.

ما هي الأغشية الحيوية؟

التعريف والخصائص أ بيوفيلم هو تجميع معقد من الكائنات الحية الدقيقة ، حيث تلتزم الخلايا بسطح ويتم تغليفها داخل مصفوفة ذاتية المنتجات من المواد البوليمرية خارج الخلية (EPS). توفر هذه المصفوفة الهلامية ، التي تتكون في المقام الأول من السكريات والبروتينات والأحماض النووية والدهون ، النزاهة الهيكلية والحماية وتسهيل التواصل بين المجتمع الميكروبي. تخيلها كمدينة ميكروبية ، حيث تعيش البكتيريا والفطريات والطحالب والبروتوزوا في طبقة وليمة لزجة. هذه المجتمعات ليست ثابتة. إنها أنظمة بيئية ديناميكية تنمو باستمرار وتكييفها والاستجابة لبيئتها.

وتشمل الخصائص الرئيسية للإملاء الحيوي:

• الالتزام السطحي: الميزة المميزة ، حيث تعلق الميكروبات على الطبقة التحتية الصلبة.
• إنتاج EPS: إنشاء مصفوفة بوليرية واقية ومواد لاصقة.
• عدم التجانس الهيكلي: الأغشية الحيوية ليست موحدة. غالبًا ما تظهر القنوات والمسامات التي تسمح بنقل المغذيات والأكسجين.
• زيادة المرونة: غالبًا ما تكون الميكروبات داخل الأغشية الحيوية أكثر مقاومة للضغوط البيئية والمطهرات والمضادات الحيوية مقارنة بنظيراتها العائمة (العوالق).
• التنوع الأيضي: يمكن أن تستضيف الأغشية الحيوية مجموعة واسعة من الأنواع الميكروبية ، مما يتيح أنشطة استقلابية متنوعة حاسمة لتدهور الملوثات.

الأهمية في الأنظمة الطبيعية والمهندسة الأغشية الحيوية في كل مكان ، موجودة في كل بيئة مائية طبيعية ومهندسة تقريبًا.

• النظم الطبيعية: من الوحل على صخور النهر والنمو على أسطح النبات تحت الماء إلى الحصير الميكروبية في الينابيع الساخنة ، تلعب الأغشية الحيوية أدوارًا حرجة في ركوب الدراجات المغذيات (على سبيل المثال ، النترتة و إزالة النتروجين ) ، تحلل المواد العضوية ، والصحة العامة للنظم الإيكولوجية. فهي أساسية للدورات البيوغية الكيميائية من الكربون والنيتروجين والفوسفور والكبريت.
• الأنظمة المهندسة: في البيئات البشرية ، يمكن أن يكون وجودها سيفًا ذو حدين. في حين أنها لا تقدر بثمن في معالجة مياه الصرف الصحي نباتات مكافحة التلوث ، يمكن أن تسبب مشاكل مثل تلوث في خطوط الأنابيب الصناعية ، والمبادلات الحرارية ، والأجهزة الطبية. يسلط هذا الازدواجية الضوء على أهمية فهم السلوك الحيوي والتحكم فيه. في معالجة المياه والهدف من ذلك هو تسخير خصائصهم المفيدة لإزالة الملوثات الفعالة.

علم تشكيل الأغشية الحيوية

تشكيل أ بيوفيلم هي عملية ديناميكية متعددة المراحل مدفوعة بالتفاعلات الميكروبية والإشارات البيئية. إنه عرض رائع للتكيف الميكروبي وتنمية المجتمع.

المرفق الأولي

الخطوة الأولى في تكوين الأغشية الحيوية هي التصاق العكسي للكائنات الدقيقة العائمة (العائمة الحرة) إلى سطح مغمورة. يتأثر هذا الاتصال الأولي بعوامل مختلفة ، بما في ذلك:

• خصائص السطح: الكارهة للماء ، الخشونة ، الشحن ، والتكوين الكيميائي للطبقة التحتية. غالبًا ما تفضل الميكروبات الأسطح الخشنة مسعور.
• الظروف البيئية: درجة الحموضة ، ودرجة الحرارة ، وتوافر المغذيات ، والقوى الهيدروديناميكية (تدفق المياه).
• حركية الميكروبات: تلعب Flagella و Pili و Fimbriae أدوارًا حاسمة في تمكين البكتيريا من الاقتراب وإجراء اتصال أولي مع السطح. التفاعلات الضعيفة القابلة للعكس (على سبيل المثال ، قوى Van der Waals ، التفاعلات الإلكتروستاتيكية) تسبق ارتباطًا أقوى لا رجعة فيه.

الاستعمار والنمو

بمجرد توصيل الخلية بشكل عكسي ، يمكن أن تبدأ في الرسم بقوة أكبر على السطح. هذا ينطوي على:

• ارتباط لا رجعة فيه: إنتاج البروتينات اللاصقة والجزيئات الأخرى التي تشكل روابط قوية مع السطح.
• انقسام الخلايا والنمو: تبدأ الخلايا المرفقة في الانقسام ، وتشكيل المصانع الدقيقة.
• توظيف الخلايا الأخرى: قد تنجذب خلايا العوالق الأخرى إلى المصانع الدقيقة المتزايدة ، مما يؤدي إلى توظيف الأنواع الميكروبية المتنوعة. يعد هذا التجميع المشترك أمرًا حيويًا لتطوير مجتمع الأغشية الحيوية غير المتجانسة.

إنتاج EPS ونضج الأغشية الحيوية

مع نمو المصانع الدقيقة ، تبدأ الميزة الأكثر تميزًا في الأغشية الحيوية في التكوين: المواد البوليمرية خارج الخلية (EPS) المصفوفة.

• إفراز EPS: تفرز الكائنات الحية الدقيقة مزيجًا معقدًا من الجزيئات الكبيرة المائية ، بما في ذلك السكريات (المكون الأكثر وفرة) ، والبروتينات ، والأحماض النووية (على سبيل المثال ، الحمض النووي خارج الخلية) ، والدهون.
• تشكيل المصفوفة: هذا EPS Matrix يربط الخلايا ، تعمل كـ "Glue الحيوي" التي تجمع المجتمع معًا وتثبتها بحزم على السطح.
• نضوج الأغشية الحيوية: ال EPS تحمي المصفوفة الخلايا من الضغوطات البيئية (على سبيل المثال ، تقلبات الأس الهيدروجيني ، المواد الكيميائية السامة ، الجفاف ، الحيوانات المفترسة الرعي ، المطهرات) وتوفر سقالة للبنية ثلاثية الأبعاد للبيوفيلم. ضمن هذه المصفوفة ، تتطور بيئات المكروية ذات الدرجات المتغيرة للأوكسجين ، والمغذيات ، ودرجة الحموضة ، مما يسمح للأنواع الميكروبية المختلفة أن تزدهر في منافذ محددة. غالبًا ما تتشكل قنوات المياه داخل الأغشية الحيوية ، مما يسهل نقل العناصر الغذائية ومنتجات النفايات.

استشعار النصاب والتواصل

استشعار النصاب هو نظام اتصال متطور من الخلية إلى الخلية يلعب دورًا حيويًا في تكوين الأغشية الحيوية والسلوك.

• جزيئات الإشارة: تطلق البكتيريا جزيئات الإشارات الصغيرة (الأوساخ الآلية) في بيئتها.
• استجابة الكثافة السكانية: مع زيادة الكثافة السكانية البكتيرية داخل الأغشية الحيوية النامية ، يصل تركيز هذه الأناقة الذاتية إلى عتبة حاسمة.
• تنظيم الجينات: بمجرد استيفاء العتبة ، تنشط البكتيريا بشكل جماعي أو قمع جينات محددة. هذا التعبير الجيني المنسق يمكن أن يؤدي إلى سلوكيات جماعية مختلفة ، مثل:
  • تعزيز EPS إنتاج
  • تشكيل هياكل محددة للبيوفيلم
  • التعبير عن عوامل الفوعة
  • انفصال عن الحيوي
• العمل الجماعي: استشعار النصاب يسمح لمجتمع الأغشية الحيوية بالعمل ككائن متعدد الخلايا ، وتنسيق الأنشطة التي قد تكون غير فعالة إذا نفذت الخلايا الفردية. هذا التواصل أمر بالغ الأهمية للتشغيل الفعال والمستقر مفاعلات الأغشية الحيوية في معالجة المياه ، تمكين المجتمع الميكروبي من التكيف والاستجابة بشكل فعال للتغيرات في جودة المياه المؤثرة.

أنواع مفاعلات الأغشية الحيوية في معالجة الماء

أدت الخصائص الفريدة للإملاء الحيوي إلى تطوير مجموعة متنوعة من مفاعل البيوفيلم التصميمات ، كل منها محسّن لتطبيقات محددة وظروف تشغيلية في معالجة المياه و معالجة مياه الصرف الصحي . توفر هذه المفاعلات وسيلة صلبة للمرفق الميكروبي ، مما يخلق أنظمة معالجة بيولوجية مستقرة وفعالة.

مرشحات التدفق

ال مرشح التدفق (المعروف أيضًا باسم مرشح أو مرشح حيوي) هو واحد من أقدم وأبسط أشكال مفاعل البيوفيلم . يعتمد على سرير ثابت من الوسائط يتم توزيع مياه الصرف بشكل مستمر.

• التصميم والتشغيل:

  • بناء: يتكون مرشح التدفق من سرير من الوسائط القابلة للنفاذ (على سبيل المثال ، الصخور ، الخبث ، الوحدات البلاستيكية) عادة ما تكون بعمق 1-3 أمتار ، موجودة في خزان. موزع دوار أو فوهات ثابتة رش أو مياه الصرف الصحي المتساوية على السطح العلوي للوسائط.
  • نمو الأغشية الحيوية: كما تتسرب المياه العادمة إلى أسفل عبر وسائل الإعلام ، أ بيوفيلم ينمو على سطح التعبئة. الكائنات الحية الدقيقة داخل هذه الأغشية الحيوية تتحلل من المواد العضوية وغالبًا ما تؤدي النترتة .
  • التهوية: يدور الهواء عبر الفراغات في وسائل الإعلام ، ويوفر الأكسجين للبيوفيلم ، إما بشكل طبيعي عن طريق الحمل الحراري أو عن طريق التهوية القسرية.
  • مجموعة النفايات السائلة: يتم جمع المياه المعالجة في الأسفل وعادة ما يتم إرسالها إلى صياغة ثانوية لإزالة الأغشية الحيوية المبللة (الدبال).

• المزايا:

  • البساطة والموثوقية: بسيط نسبيا لتصميم وتشغيل وصيانة ، مع عدد قليل من الأجزاء الميكانيكية.
  • استهلاك الطاقة المنخفضة: في كثير من الأحيان يعتمد على التهوية الطبيعية ، وتقليل تكاليف الطاقة.
  • المتانة: يمكن التعامل مع التذبذب الأحمال العضوية بشكل جيد بشكل معقول.
  • إنتاج الحمأة المنخفض: بالمقارنة مع الحمأة المنشطة ، تنتج مرشحات التدفق حمأة فائضة أقل.

• عيوب:

  • إنتاج الرائحة: يمكن أن تولد في بعض الأحيان الروائح ، خاصة مع الأحمال العضوية العالية أو التهوية غير الكافية.
  • إزعاج يطير: يمكن أن تكون عرضة لتصفية الذباب ، والتي يمكن أن تكون مصدر إزعاج في المناطق الحضرية.
  • انسداد/برك: يمكن أن يصبح النمو البيولوجي مفرطًا ، مما يؤدي إلى انسداد أو برك إذا لم يتم إدارته بشكل صحيح ، مما يقلل من كفاءة العلاج.
  • إزالة المغذيات المحدودة: فعالة في المقام الأول لإزالة المواد العضوية و النترتة ؛ تحقيق كبير إزالة النتروجين أو إزالة الفوسفور عادة ما يتطلب عمليات إضافية.

المتواصل البيولوجي الدوار (كرات الدم الحمراء)

ال التوصيل البيولوجي الدوار (RBC) هو أكثر تقدما مفاعل البيوفيلم التي تستخدم الأقراص الدوارة مغمورة جزئيا في مياه الصرف الصحي.

• التصميم والتشغيل:

  • بناء: يتكون نظام RBC من سلسلة من الأقراص البلاستيكية ذات القطر الكبير والمسح على عمود أفقي. عادة ما تكون الأقراص مصنوعة من وسائط بلاستيكية عالية السطح.
  • تناوب: يدور العمود ببطء (1-2 ثورات في الدقيقة) ، مما تسبب في مرور الأقراص بالتناوب عبر مياه الصرف الصحي ثم تعرض الغلاف الجوي.
  • تشكيل الأغشية الحيوية: كما تدور الأقراص من خلال مياه الصرف ، أ بيوفيلم النماذج وتنمو على أسطحها. عند تعرضها للهواء ، فإن البيوفيلم يعلق الأكسجين.
  • تدهور الملوثات: يتيح هذا التعرض الدوري للكائنات الحية الدقيقة في الأغشية الحيوية تدهور الملوثات العضوية بشكل فعال وأداء النترتة . يزداد الغشاء الحيوي في الخزان ويتم فصله في أحد الصلصال.

• المزايا:

  • البصمة الصغيرة: مضغوط نسبيا مقارنة بالمرشحات المتساقطة ، مما يتطلب مساحة أقل.
  • عملية مستقرة: أقل عرضة للأحمال الصدمة وتقلبات الأس الهيدروجيني من أنظمة الحمأة المنشطة.
  • استهلاك الطاقة المنخفضة: يستخدم في المقام الأول الطاقة للدوران البطيء ، مما يؤدي إلى انخفاض احتياجات الطاقة.
  • صيانة بسيطة: من السهل نسبيًا تشغيل وصيانة مع تعقيدات تشغيلية أقل من الحمأة المنشطة.
  • نترايج جيد: في كثير من الأحيان فعالة جدا في تحقيق النترتة بسبب الظروف الهوائية المستقرة.

• عيوب:

  • التكلفة الرأسمالية المرتفعة: يمكن أن يكون الاستثمار الأولي لوحدات RBC أعلى من بعض الأنظمة التقليدية.
  • التآكل الميكانيكي: المحامل والأعمدة يمكن أن تعاني من التآكل والدموع ، وتتطلب الصيانة.
  • القضايا الملموسة الحيوية: يمكن أن يؤدي الإفراط في الإرشاد أو المفاجئ إلى سوء جودة النفايات السائلة إن لم يتم إدارته.
  • حساسية درجة الحرارة: يمكن أن يتأثر الأداء بالطقس البارد ، مما قد يقلل من النشاط البيولوجي.
  • إزالة المغذيات المحدودة: على غرار مرشحات التدفق ، تحقيق المتقدم إزالة النتروجين أو إزالة الفوسفور يتطلب عادة مراحل إضافية أو تصاميم معدلة.

مفاعلات تحريك السرير الحيوي (MBBRS)

ال يتحرك مفاعل بيوفيلم Bed (MBBR) هو شعبية للغاية وتنوعا عملية البيوفيلم يستخدم الناقلات البلاستيكية الصغيرة المتحركة بحرية كوسيلة مرفق للكائنات الحية الدقيقة.

• التصميم والتشغيل:

  • بناء: و MBBR يتكون من خزان مفاعل مملوء بآلاف الناقلات البلاستيكية الصغيرة المصممة خصيصًا (الوسائط) التي لها مساحة سطح داخلية عالية. هذه الناقلات مصنوعة عادة من البولي إيثيلين عالي الكثافة (HDPE).
  • حركة الناقل: يتم الحفاظ على شركات النقل في حركة ثابتة داخل الخزان عن طريق التهوية (في الأنظمة الهوائية) أو عن طريق الخلط الميكانيكي (في الأنظمة الأكسدة/اللاهوائية). تضمن هذه الحركة المستمرة الاتصال الأمثل بين مياه الصرف الصحي ، بيوفيلم والهواء/العناصر الغذائية.
  • نمو الأغشية الحيوية: رقيقة بيوفيلم ينمو على الأسطح الداخلية المحمية للناقلات. تمنع الظروف المضطربة أن تصبح الأغشية الحيوية سميكة للغاية ، مما يؤدي إلى التنظيم الذاتي ونقل الكتلة الفعال.
  • لا عودة الحمأة: على عكس الحمأة المنشطة ، ليست هناك حاجة للعودة إلى الحمأة إلى المفاعل. الغشاء الحيوي الزائد ينفصل بشكل طبيعي ويخرج بالماء المعالج إلى أحد الصلبة.

• المزايا:

  • البصمة الصغيرة: بصمة أصغر بكثير من الحمأة المنشطة التقليدية أو المرشحات المتدلية لقدرة مكافئة.
  • كفاءة علاج عالية: بسبب مساحة السطح المحمية الكبيرة ل بيوفيلم نمو، MBBRS يمكن أن تحقق معدلات تحميل عالية الحجم وأداء علاج ممتاز ، بما في ذلك فعال النترتة والإزالة العضوية.
  • المتانة والاستقرار: مرنة للغاية لصدمة الأحمال والتقلبات الهيدروليكية وتغيرات درجة الحرارة.
  • من السهل ترقية النباتات الموجودة: يمكن تنفيذها بسهولة لترقية مصانع الحمأة المنشطة الحالية عن طريق إضافة شركات النقل ببساطة ، وزيادة السعة دون توسيع حجم الخزان.
  • لا إعادة تدوير الحمأة: يلغي الحاجة إلى أنظمة إعادة تدوير الحمأة المكلفة والمعقدة.

• عيوب:

  • تكلفة رأس المال: يمكن أن يكون الاستثمار الأولي للناقلات كبيرة.
  • الاحتفاظ بالحاملة: يتطلب شاشات أو مناخات للاحتفاظ بالناقلات داخل المفاعل مع السماح للمياه بالتمرير ، والتي قد تسد في بعض الأحيان إذا لم تكن مصممة بشكل صحيح.
  • تحسين الخلط/التهوية: يعتبر الخلط المناسب والتهوية أمرًا بالغ الأهمية للحفاظ على شركات النقل في التعليق ومنع المناطق الميتة.
  • إمكانية ارتداء الناقل: يمكن أن يحدث التآكل على المدى الطويل على الناقلات في الأنظمة المضطربة للغاية ، على الرغم من أنها بسيطة عادة.

المفاعلات الحيوية للأغشية (MBRS)

ال المفاعل الحيوي للأغشية (MBR) يمثل تقدمًا كبيرًا ، يجمع بين عملية المعالجة البيولوجية (غالبًا ما يكون نظام النمو المعلق مع قوي بيوفيلم مكون) مع ترشيح الغشاء لفصل السائل الصلب.

• التصميم والتشغيل:

  • المفاعل البيولوجي: تدخل مياه الصرف أولاً مفاعلًا بيولوجيًا حيث تتحلل الكائنات الحية الدقيقة (غالبًا ما تكون هجينة من FLOCs المعلقة والنمو المرفق داخل FLOCs).
  • فصل الغشاء: بدلاً من الصلبة الثانوية ، يتم غمر الأغشية شبه القابلة للنفاذ (الترشيح الدقيق أو الترشيح الفائق) مباشرة في الخزان البيولوجي (مغمورة MBR ) أو في وحدة خارجية (التيار الجانبي MBR ).
  • فصل سائل صلب: تفصل الأغشية جسديًا الماء المعالج عن الخمور المختلطة ، مع الاحتفاظ بجميع الكتلة الحيوية ، بما في ذلك Flocs المشتتة بدقة وأي تشكيل الأغشية الحيوية ، داخل المفاعل. هذا يسمح بتركيزات عالية جدًا في الكتلة الحيوية (المواد الصلبة المختلطة المعلقة ، MLSS) والاحتفاظ الكامل للكائنات البطيئة النمو.
  • نفايات سائلة عالية الجودة: يعمل الغشاء كحاجز مطلق أمام المواد الصلبة والبكتيريا المعلقة ، وحتى بعض الفيروسات ، مما ينتج عن النفايات السائلة عالية الجودة بشكل استثنائي.

• المزايا:

  • جودة النفايات السائلة المتفوقة: ينتج النفايات السائلة من الجودة العالية للغاية ، وغالبًا ما تكون مناسبة لإعادة الاستخدام دون مزيد من العلاج ، خالية تقريبًا من المواد الصلبة المعلقة ومسببات الأمراض.
  • البصمة الصغيرة: البصمة الأصغر بكثير من أنظمة الحمأة المنشطة التقليدية بسبب تركيز الكتلة الحيوية العالية ولا حاجة لمصارفة.
  • التحميل الحجمي العالي: يمكن التعامل مع معدلات التحميل العضوية والهيدروليكية عالية جدا.
  • خصائص الحمأة المحسنة: ينتج حمأة أقل فائضة وغالبًا ما تؤدي إلى حمأة أكثر كثافة وأسهل للمياه.
  • إزالة المغذيات المعززة: يسمح بالاحتفاظ بالنيترات البطيئة وبكتيريا إزالة النترات ، مما يؤدي إلى أفضل النترتة و إزالة النتروجين .

• عيوب:

  • التكلفة الرأسمالية المرتفعة: الأغشية هي مكونات باهظة الثمن ، مما يؤدي إلى ارتفاع الاستثمار الأولي.
  • قاذفة الغشاء: هذا هو التحدي التشغيلي الأساسي. بيوفيلم النمو على سطح الغشاء (الوقود الحيوي) يقلل بشكل كبير من التدفق ويزيد من استهلاك الطاقة ويتطلب تنظيفًا أو استبدالًا متكررًا.
  • استهلاك الطاقة: ارتفاع الطلب على الطاقة بسبب التهوية في النشاط البيولوجي والتجوب الغشائي ، وكذلك التخلل الضخ.
  • التعقيد التشغيلي: يتطلب مراقبة أكثر تطوراً والتحكم في تنظيف الغشاء والصيانة.

الحمأة المتكاملة للفيلم الثابتة (IFAs)

ال الحمأة المتكاملة للفيلم الثابتة (IFAs) النظام هي تقنية هجينة تجمع بين أفضل ميزات الحمأة المنشطة (النمو المعلق) و بيوفيلم (النمو المرفق) العمليات داخل مفاعل واحد.

• التصميم والتشغيل:

  • النظام المشترك: IFAS تدمج الأنظمة الوسائط الثابتة أو المتحركة (على غرار MBBR شركات النقل أو الشبكات الثابتة) في حوض الحمأة المنشط.
  • الكتلة الحيوية المزدوجة: يحتوي المفاعل على كلا من الكتلة الحيوية المعلقة (Flocs الحمأة المنشطة) ومرفق بيوفيلم على وسائل الإعلام.
  • التأثير التآزري: يعالج النمو المعلق الجزء الأكبر من الحمل العضوي ، في حين أن المحمية محمية بيوفيلم يوفر بيئة مستقرة للكائنات الحية الدقيقة المتخصصة المتخصصة ، وخاصة البكتيريا النتروية. يسمح ذلك بتركيزات عالية الكتلة الحيوية والسكان المتخصصين دون زيادة وقت الاحتفاظ بالهيدروليكية.
  • فصل الحمأة: على غرار الحمأة المنشطة ، يتم استخدام ترشيح ثانوي لفصل الخمور المختلطة عن النفايات السائلة المعالجة وإرجاع الحمأة المنشطة.

• المزايا:

  • النتروجين المعزز: فعالة للغاية في تحقيق مستقر وكامل النترتة بسبب وجود النيترات البطيئة النمو في المحمية بيوفيلم .
  • زيادة السعة/انخفاض البصمة: يسمح لمحطات الحمأة المنشطة الحالية بالتعامل مع الأحمال الأعلى أو تحقيق جودة أفضل للاشتعال (على سبيل المثال ، إزالة النيتروجين) دون توسيع حجم الخزان.
  • المتانة: يوفر الاستقرار المحسّن ضد أحمال الصدمة مقارنة بالحمأة المنشطة التقليدية.
  • إنتاج حمأة أقل: يمكن أن يؤدي إلى انخفاض إنتاج الحمأة الزائدة مقارنة بأنظمة الحمأة المنشطة النقية ، على الرغم من أنه عادة أكثر من نقي MBBR .

• عيوب:

  • تكلفة رأس المال: يمكن أن تؤدي إضافة شاشات الوسائط والاحتفاظ إلى الدبابات الحالية إلى زيادة الاستثمار الأولي.
  • الاحتفاظ الإعلامي: يتطلب شاشات للاحتفاظ بوسائل الإعلام ، على غرار MBBR والتي يمكن أن تكون عرضة للانسداد.
  • تعقيد التصميم: يتطلب تصميم دقيق لضمان الخلط المناسب والتهوية وتوزيع الوسائط لكل من النمو المعلق والمرفق.
  • التحكم التشغيلي: يتطلب مراقبة كل من الكتلة الحيوية المعلقة والمرفقة ، إضافة طبقة من التعقيد التشغيلي.

تطبيقات عمليات البيوفيلم في معالجة المياه

براعة وقوة عمليات البيوفيلم جعلتها لا غنى عنها عبر مجموعة واسعة من معالجة المياه التطبيقات ، ومعالجة مختلف الملوثات وأهداف العلاج. تتيح قدرتها على تأوي مجتمعات الميكروبات المتنوعة تدهور وإزالة مجموعة واسعة من الملوثات.

إزالة المواد العضوية

أحد التطبيقات الأولية والأساسية لـ مفاعلات الأغشية الحيوية هو الإزالة الفعالة للمواد العضوية من الماء. تستهلك المركبات العضوية ، المقاسة كطلب الأكسجين الكيميائي الحيوي (BOD) أو الطلب على الأكسجين الكيميائي (COD) ، الأكسجين الذائب في المسطحات المائية ويمكن أن يكون ضارًا بالحياة المائية.

• الآلية: في الهوائية بيوفيلم الأنظمة (مثل مرشحات التدفق و كرات الدم الحمراء و MBBRS والأقسام الهوائية من MBRS و IFAS ) ، البكتيريا غير المتجانسة داخل بيوفيلم الاستفادة من المركبات العضوية كمصدر غذائي. إنهم يصرخون بسرعة ويستقلبون ويؤدون هذه المركبات إلى مواد أبسط وأقل ضررًا مثل ثاني أكسيد الكربون والماء.
• كفاءة: التركيز العالي للكتلة الحيوية النشطة داخل بيوفيلم تضمن المصفوفة ، جنبًا إلى جنب مع الاتصال المستمر مع مياه الصرف ، معدلات الإزالة عالية الحجم من الملوثات العضوية ، حتى في ظل ظروف التحميل المختلفة.

إزالة المغذيات (النيتروجين والفوسفور)

النيتروجين المفرط والفوسفور في مياه الصرف الصحي هما الأسباب الرئيسية للتخثفي ، مما يؤدي إلى أزهار الطحالب ونضوب الأكسجين في استلام المياه. عمليات البيوفيلم فعالة للغاية للتقدم إزالة المغذيات .

• إزالة النيتروجين (النتروجين وإزالة النتروجين):
  • النترتة: بكتيريا النتروفيك الذاتي (على سبيل المثال ، النتروسوموناس و النتروباكتر ) داخل بيوفيلم أكسدة الأمونيا (NH3) إلى نتريت (NO2−) ثم إلى النترات (NO3−) في ظل الظروف الهوائية. مفاعلات الأغشية الحيوية يحب MBBRS و IFAS هي مناسبة بشكل خاص ل النترتة بسبب قدرتها على الاحتفاظ بهذه البكتيريا البطيئة النمو.
  • نزع النترج: البكتيريا غير المتجانسة في المناطق الأكسدة (التي تعاني من نقص الأكسجين) من بيوفيلم تقليل نترات (NO3−) إلى غاز النيتروجين (N2) ، والتي يتم إطلاقها بعد ذلك في الغلاف الجوي. يحدث هذا في كثير من الأحيان في أقسام أعمق ومحدودة الأكسجين من السميكة بيوفيلم أو في المناطق الأكسسية المخصصة من المراحل المتعددة مفاعلات الأغشية الحيوية .
• إزالة الفوسفور:
  • بينما البيولوجية الأولية إزالة الفوسفور غالبًا ما يعتمد على الكائنات الحية المعلقة (على سبيل المثال ، PAOS) ​​، بيوفيلم يمكن أن تسهم الأنظمة في ترسيب الفوسفور الكيميائي أو توفر ظروفًا لبعض الامتصاص البيولوجي. أكثر شيوعًا ، يتم دمج إزالة الفسفور باستخدام الإضافة الكيميائية أو إلى جانب العمليات البيولوجية الأخرى في تصميم هجين. بعض متخصص مفاعلات الأغشية الحيوية يتم تطويرها لإزالة الفوسفور البيولوجي المعزز.

إزالة المعادن الثقيلة والملوثات الناشئة

الأغشية الحيوية إظهار قدرة ملحوظة للتفاعل مع مجموعة متنوعة من الملوثات الصعبة ، بما في ذلك المعادن الثقيلة و الملوثات الناشئة (على سبيل المثال ، الأدوية ، منتجات العناية الشخصية ، مبيدات الآفات).

• إزالة المعادن الثقيلة: الأغشية الحيوية يمكن إزالة المعادن الثقيلة من خلال عدة آليات:
  • الامتصاص الحيوي: ال EPS يمكن للمصفوفة ربط أيونات المعادن من خلال التفاعلات الإلكتروستاتيكية والخلل.
  • المهد البيولوجي: يمكن أن تغير الكائنات الحية الدقيقة حموضة الرقم الهيدروجيني أو الأكسدة ، مما يؤدي إلى هطول الأمطار في المركبات المعدنية.
  • biأوeduction/الأكسدة الحيوية: يمكن للميكروبات تحويل المعادن إلى أشكال أقل سمية أو أكثر استقرارًا.
• الملوثات الناشئة (ECS): بينما يمثل التحدي ، كثير بيوفيلم تمتلك المجتمعات الآلية الأنزيمية لتحلل أو تحويل ECs العضوية المعقدة. السكان الميكروبيين المتنوعة والبيئة المستقرة داخل بيوفيلم السماح بتأقلم ونمو المهاجرين المتخصصين. هذا مجال نشط للبحث ، مع bioaugmentation (إدخال سلالات ميكروبية محددة) غالبًا ما يتم استكشافها لتعزيز إزالة EC.

معالجة مياه الشرب

بينما معروفة في المقام الأول معالجة مياه الصرف الصحي و عمليات البيوفيلم متزايد الأهمية في معالجة مياه الشرب لتحسين جودة المياه الخام ومعالجة ملوثات محددة.

• مرشحات الكربون المنشط البيولوجي (BAC): هذه هي أساسا مفاعلات الأغشية الحيوية حيث يعمل الكربون المنشط كوسيلة ل بيوفيلم نمو. تُستخدم مرشحات BAC لإزالة المادة العضوية الطبيعية (NOM) ، ومركبات الذوق والرائحة ، و micropollutants. ال بيوفيلم يعزز قدرة الامتزاز للكربون ويمتد عمره عن طريق التحلل الحيوي العضوي المموز.
• المنغنيز وإزالة الحديد: مجتمعات ميكروبية محددة في الأغشية الحيوية يمكن أكسدة المنغنيز الذائبة والحديد ، مما يؤدي إلى هطول الأمطار وإزالتها من مياه الشرب.
• ما قبل المعالجة: Biofilm يمكن استخدام المرشحات كخطوة قبل العلاج لتقليل التعكر والحمل العضوي ، وبالتالي تقليل تكوين المنتجات الثانوية للتطهير عند تطبيق الكلور لاحقًا.

معالجة مياه الصرف الصحي

التطبيق الأكثر انتشارًا وتقليديًا لـ عمليات البيوفيلم في علاج البلدية والصناعية مياه الصرف . من الأنظمة اللامركزية الصغيرة إلى المناطق الحضرية على نطاق واسع معالجة مياه الصرف الصحي النباتات ، مفاعلات الأغشية الحيوية هي مركزية في الصرف الصحي الحديث.

• معالجة مياه الصرف الصحي البلدية: مرشحات التدفق و كرات الدم الحمراء و MBBRS و IFAS ، و MBRS تستخدم على نطاق واسع للعلاج الأولي والثانوي لمياه الصرف الصحي البلدية ، وإزالة المواد العضوية بشكل فعال ، والمواد الصلبة المعلقة ، والمواد المغذية (النيتروجين والفوسفور). يتم تقديرها لمتانة وقدرتها على التعامل مع الأحمال المختلفة من المصادر السكنية والتجارية.
• معالجة مياه الصرف الصناعية: عمليات البيوفيلم يتم تكييفها لعلاج مجموعة واسعة من النفايات الصناعية ، والتي تحتوي غالبًا على مركبات عضوية محددة وأحيانًا سامة. تتيح لهم مرونةهم التعامل مع تركيزات أعلى من الملوثات والتعامل مع التصريفات الصناعية التي قد تكون صعبة لأنظمة النمو المعلق التقليدية. ومن الأمثلة على ذلك علاج مياه الصرف الصحي من الصناعات الغذائية والمشروبات والمنسوجات والكيميائية والصيدلانية. قدرة الأغشية الحيوية للتكيف مع المركبات المتكررة وتدهورها يجعلها خيارًا مفضلاً للعديد من التطبيقات الصناعية المتخصصة.

مزايا وعيوب عمليات البيوفيلم

في حين فعالة للغاية ، عمليات البيوفيلم ، مثل أي تقنية ، تأتي مع مجموعة من المزايا والعيوب المتأصلة التي تؤثر على مدى ملاءمتها للمحددة معالجة المياه التطبيقات. يعد فهم هذه الجوانب أمرًا بالغ الأهمية لاتخاذ القرارات المستنيرة في تصميم المصنع وتشغيله.

المزايا

الخصائص الفريدة ل الأغشية الحيوية يقدمون أنفسهم للعديد من الفوائد المهمة في معالجة المياه و معالجة مياه الصرف الصحي .

• كفاءة علاج عالية: مفاعلات الأغشية الحيوية تفتخر بكفاءات العلاج عالية الحجم. التركيز العالي للكتلة الحيوية النشطة (الكائنات الحية الدقيقة) معبأة بكثافة داخل بيوفيلم المصفوفة ، في كثير من الأحيان أعلى بكثير من أنظمة النمو المعلقة ، تسمح بالتدهور السريع للملوثات. يؤدي هذا النشاط الميكروبي المركّز إلى معدلات إزالة ممتازة للمادة العضوية ، النترتة وغالبا إزالة النتروجين . وجود منافذ متخصصة داخل بيوفيلم يسمح أيضًا بالإزالة الفعالة للملوثات المتنوعة أو المتنوعة.

• البصمة الصغيرة: بسبب قدرتها على العلاج العالي الحجمي ، كثير عمليات البيوفيلم تتطلب بصمة مادية أصغر بكثير مقارنة بأنظمة النمو المعلقة التقليدية (مثل الحمأة المنشطة). هذا صحيح بشكل خاص للتقنيات مثل MBBRS و MBRS ، والتي يمكن أن تحقق معدلات إزالة الملوثات المرتفعة في تصميمات المفاعل المدمجة ، مما يجعلها مثالية للمناطق الحضرية ذات توفر الأراضي المحدودة أو لتحديث المرافق الحالية دون بناء كبير.

• الاستقرار والمرونة: الكائنات الحية الدقيقة داخل أ بيوفيلم تكون أكثر حماية بطبيعتها من التقلبات البيئية المفاجئة (على سبيل المثال ، التغيرات في الرقم الهيدروجيني أو درجة الحرارة أو أحمال الصدمة السامة) من الخلايا العائمة الحرة. ال EPS مصفوفة بمثابة عازلة ، مما يوفر بيئة دقيقة مستقرة. هذه الحماية المعززة تجعل أنظمة الأغشية الحيوية قوية ومرونة بشكل ملحوظ ، قادرة على التعامل مع الاختلافات في جودة المياه المؤثرة أو معدلات التدفق مع أوقات انزعاج أقل وتشغيلًا أسرع. يترجم هذا الاستقرار أيضًا إلى تقلبات إنتاج الحمأة وجودة النفايات السائلة الأكثر اتساقًا.

• إنتاج الحمأة المنخفض: عمومًا، عمليات البيوفيلم تميل إلى إنتاج حمأة زائدة أقل مقارنة بأنظمة الحمأة المنشطة. هذا بسبب عدة عوامل:

  • وقت الاحتفاظ بأطول للمواد الصلبة (SRT): تعني الطبيعة الثابتة للكتلة الحيوية أن الكائنات الحية الدقيقة لها SRT طويلة جدًا ، مما يؤدي إلى زيادة التنفس الداخلي (حيث تستهلك الميكروبات المواد الخلوية الخاصة بها) ونمو أقل صافيًا.
  • التنظيم الذاتي: في بعض الأنظمة مثل MBBRS ، يمكن للقوى الهائلة في المفاعل أن تتفوق بشكل طبيعي على الكتلة الحيوية الزائدة ، مما يمنع المفرط بيوفيلم سمك وتؤدي إلى محصول أكثر ثباتا ، انخفاض الكتلة الحيوية. يترجم إنتاج الحمأة المنخفضة إلى انخفاض التكاليف المرتبطة بمعالجة الحمأة ، وزيادة المياه ، والتخلص منها ، والتي يمكن أن تكون نفقات تشغيلية رئيسية.

عيوب

على الرغم من مزاياها العديدة ، عمليات البيوفيلم لا تخلو من تحدياتهم ، وتتطلب اعتبارات محددة في التصميم والتشغيل والصيانة.

• قاذورات الأغشية الحيوية والانسداد: طبيعة الأغشية الحيوية - نمو لاصق - يمكن أن يؤدي إلى قضايا. مُبَالَغ فيه بيوفيلم النمو ، وخاصة في الأنظمة ذات الوسائط الثابتة مثل مرشحات التدفق أو BAFS ، يمكن أن يؤدي إلى تلوث أو انسداد مسام الوسائط وقنوات التدفق. هذا يقلل من السعة الهيدروليكية ، ويؤدي إلى انتشار دراجة قصيرة ، ويمكن أن يقلل من كفاءة العلاج. في MBRS ، الوقود الحيوي على سطح الغشاء هو التحدي التشغيلي الأساسي ، مما يقلل بشكل كبير من التدفق المتخلل ويتطلب أنظمة تنظيف مكثفة. إدارة ومنع الإفراط بيوفيلم التراكم هو مهمة تشغيلية مستمرة.

• التعقيد التشغيلي للأنظمة المتقدمة / اعتبارات الصيانة: بينما أبسط عمليات البيوفيلم مثل الأساسي مرشحات التدفق من السهل نسبيا تشغيلها ، متقدمة مفاعلات الأغشية الحيوية (مثل MBRS ومعقدة IFAS التصميمات) يمكن أن تقدم التعقيد التشغيلي الأعلى. قد ينطوي هذا على:

  • إدارة الغشاء: ل MBRS ، هناك حاجة إلى مراقبة متطورة ، وبروتوكولات التنظيف في مكانها (CIP) ، والتراجع الخلفي للإدارة تلوث .
  • الاحتفاظ بالوسائط والخلط: في MBBRS و IFAS ، يعد التصميم المناسب لشاشات الاحتفاظ بالوسائط والخلط/التهوية الأمثل أمرًا بالغ الأهمية لمنع فقدان الوسائط أو المناطق الميتة.
  • مراقبة العملية: بينما قوية ، والتحسين بيوفيلم لا يزال الأداء يتطلب مراقبة دقيقة للمعلمات مثل الأكسجين المذاب ودرجة الحموضة والمغذيات لضمان صحة ونشاط المجتمع الميكروبي. قد تتطلب هذه الأنظمة مستوى أعلى من المشغلين المهرة وإجراءات صيانة أكثر تعقيدًا مقارنة بنظرائهم الأساسيين.

العوامل التي تؤثر على أداء الأغشية الحيوية

فعالية أي مفاعل البيوفيلم يعتمد اعتمادًا كبيرًا على تفاعل معقد للمعلمات البيئية والتشغيلية. فهم هذه العوامل أمر بالغ الأهمية لتحسين بيوفيلم النمو ، والحفاظ على استقرار النظام ، وتحقيق نتائج العلاج المطلوب.

وقت الاستبقاء الهيدروليكي (HRT)

وقت الاستبقاء الهيدروليكي (HRT) يشير إلى متوسط ​​طول الوقت الذي يظل فيه حجم الماء في المفاعل. إنها معلمة تشغيلية مهمة تؤثر بشكل مباشر على وقت التلامس بين الملوثات و بيوفيلم .

• تأثير: يعد HRT كافيًا ضروريًا للسماح بالكائنات الحية الدقيقة في بيوفيلم الوقت الكافي للامتصاص ، استقلاب ، وتدهور الملوثات. إذا كانت HRT قصيرة جدًا ، فقد تمر الملوثات عبر النظام قبل أن تحدث الإزالة الكاملة ، مما يؤدي إلى سوء جودة النفايات السائلة. وعلى العكس من ذلك ، قد لا تؤدي HRT الطويل المفرط دائمًا إلى فوائد نسبية ويمكن أن تؤدي إلى أحجام مفاعل كبيرة غير ضرورية.
• تحسين: يختلف HRT الأمثل اعتمادًا على الملوثات المحددة ، وجودة النفايات السائلة المستهدفة ، ونوع من مفاعل البيوفيلم مستخدم. على سبيل المثال ، الأنظمة المصممة ل النترتة عادة ما تتطلب HRTs أطول من تلك فقط لإزالة الكربون العضوية ، حيث تنمو بكتيريا النترات ببطء أكثر.

توافر المغذيات

مثل كل الكائنات الحية ، والكائنات الحية الدقيقة في الأغشية الحيوية تتطلب إمدادات متوازنة من العناصر الغذائية الأساسية للنمو ، والتمثيل الغذائي ، والحفاظ على وظائفها الخلوية. العناصر الغذائية الأولية للبيولوجية معالجة المياه هي الكربون والنيتروجين والفوسفور.

• تأثير:
  • مصدر الكربون: تعمل المادة العضوية كمصدر أولي للكربون والطاقة للبكتيريا غير المتجانسة المسؤولة عن إزالة BOD/COD و إزالة النتروجين . يمكن أن يحد الافتقار إلى الكربون العضوي المتاح بسهولة من نشاطهم.
  • النيتروجين والفوسفور: هذه ضرورية لتوليف الخلايا. لا يمكن أن تؤدي النيتروجين والفوسفور غير الكافي (عادةً A C: N: P حوالي 100: 5: 1) بيوفيلم هيكل أو إزالة الملوثات غير المكتملة.
• تحسين: في بعض مياه الصرف الصناعية أو مياه الصمامات البلدية المخففة للغاية ، قد تكون مكملات المغذيات ضرورية لضمان الأمثل بيوفيلم أداء. على العكس من ذلك ، يمكن أن تؤدي العناصر الغذائية المفرطة إلى نمو سريع غير مرغوب فيه وزيادة تلوث .

درجة حرارة

تؤثر درجة الحرارة بشكل كبير على النشاط الأيضي ومعدلات النمو والتفاعلات الأنزيمية للكائنات الحية الدقيقة داخل بيوفيلم .

• تأثير:
  • نشاط: ترتفع معدلات التمثيل الغذائي الميكروبية عمومًا مع ارتفاع درجة الحرارة إلى الأمثل ، ثم تراجع ما وراءه. ارتفاع درجات الحرارة (داخل النطاق المتوسط ​​، حوالي 20-40 درجة مئوية) تؤدي عادة إلى تدهور أسرع من الملوثات وعلاج أكثر كفاءة.
  • معدلات النمو: معدلات نمو السكان الميكروبية الرئيسية ، مثل بكتيريا النترات ، حساسة للغاية لدرجة الحرارة. درجات الحرارة المنخفضة يمكن أن تبطئ بشكل كبير النترتة مما يجعلها عاملاً محددًا في المناخات الباردة.
  • انتشار: تؤثر درجة الحرارة أيضًا على لزوجة الماء ومعدلات انتشار الأكسجين والركائز في بيوفيلم والتي يمكن أن تؤثر على نقل الكتلة داخل بيوفيلم المصفوفة.
• تحسين: على الرغم من أن تسخين مياه الصرف غير عملي غالبًا بسبب التكلفة ، إلا أن تصميم النظام قد يفسر أحيانًا تقلبات درجات الحرارة (على سبيل المثال ، أحجام المفاعل الأكبر للمناخات الباردة) أو تختار سلالات ميكروبية تكييفها البرد.

PH

يؤثر الرقم الهيدروجيني للمياه العادمة بشكل مباشر على النشاط الأنزيمي والسلامة الهيكلية للكائنات الحية الدقيقة و EPS المصفوفة. تزدهر معظم الكائنات الحية الدقيقة لمعالجة المياه العادمة ضمن نطاق درجة الحموضة المحايدة إلى القلوية قليلاً (عادة 6.5-8.5).

• تأثير:
  • النشاط الميكروبي: يمكن أن تؤدي قيم الأس الهيدروجيني المتطرفة (الحمضية أو القلوية أيضًا) إلى توحيد الإنزيمات ، وتمنع نمو الميكروبات ، وحتى قتل الكائنات الحية الدقيقة.
  • عمليات محددة: بعض العمليات البيولوجية حساسة بشكل خاص للأس الهيدروجيني. على سبيل المثال، النترتة هو حساس للغاية للدرجة الحموضة ، وغالبا ما تتطلب درجة الحموضة أعلى من 7.0 للأداء الأمثل ، حيث تستهلك العملية القلوية. إزالة النتروجين على العكس ، يميل إلى زيادة القلوية.
  • استقرار EPS: استقرار ورسوم EPS يمكن أن تتأثر المصفوفة أيضًا بالـ PH ، مما يؤثر بيوفيلم الهيكل والالتصاق.
• تحسين: غالبًا ما تكون مراقبة وضبط درجة الحموضة لمياه الصرف الصحي المؤثرة (على سبيل المثال ، استخدام الجرعات الكيميائية) ضرورية للحفاظ على الظروف المثلى لـ بيوفيلم ومنع تثبيط العملية.

الأكسجين المذاب (do)

الأكسجين المذاب (do) هي معلمة حاسمة للأيروبيك عمليات البيوفيلم ، كما يعمل الأكسجين كمقبول للإلكترون الطرفي للعديد من التفاعلات الأيضية.

• تأثير:
  • العمليات الهوائية: كافٍ يفعل ضروري للإزالة الفعالة للمواد العضوية عن طريق البكتيريا غير المتجانسة و النترتة بواسطة النترات الذاتي. قليل يفعل يمكن أن تحد المستويات من هذه العمليات ، مما يؤدي إلى علاج غير مكتمل.
  • العمليات الأكسدة/اللاهوائية: على العكس من ذلك ، لعمليات مثل إزالة النتروجين ، الحالات الأكسدة (عدم وجود الأكسجين الجزيئي الحرة) مطلوبة. في سميكة الأغشية الحيوية ، يمكن أن تحدث تدرجات الأكسجين بشكل طبيعي ، مما يسمح لكل من التدهور الهوائي على السطح والأكسدة إزالة النتروجين أعمق داخل بيوفيلم المصفوفة.
  • بنية الأغشية الحيوية: يفعل يمكن أن تؤثر المستويات أيضًا على التركيب المادي لـ بيوفيلم ، مما يؤثر على سمكه وكثافته.
• تحسين: يتم تنفيذ استراتيجيات التهوية المناسبة (على سبيل المثال ، التهوية المنتشرة ، والهوية السطحية) للحفاظ على الأمثل يفعل مستويات في الهوائية مفاعلات الأغشية الحيوية . يراقب يفعل في مناطق مختلفة من المفاعل أمر بالغ الأهمية لتحقيق عمليات متعددة المراحل مثل إزالة الكربون مجتمعة و النترجة/إزالة النترجة .

استراتيجيات التحكم في الأغشية الحيوية

بينما الأغشية الحيوية لا تقدر بثمن معالجة المياه ، يمكن أن يؤدي نموهم غير المنضبط إلى قضايا تشغيلية ، في المقام الأول تلوث والانسداد. لذلك ، فعالة السيطرة على الأغشية الحيوية الاستراتيجيات ضرورية للحفاظ على كفاءة العملية وطول عمر النظام.

الطرق المادية

تهدف الطرق المادية إلى إزالة أو منع بيوفيلم التراكم من خلال الوسائل الميكانيكية.

• قوى التنظيف/القص: في مفاعلات مثل MBBRS و RBCs ، الحركة المستمرة للناقلات أو دوران الأقراص تخلق قوى القص التي تتفوق بشكل طبيعي على الزائدة بيوفيلم ، الحفاظ على سمك الأمثل. في الأنابيب ، يمكن أن يقلل التدفق المضطرب بيوفيلم مرفق.
• غسل العرقلة: للمفاعلات الثابتة مثل مرشحات التدفق و BAFS ، يتم استخدام غسل العاكسة الدورية (عكس تدفق الماء ، غالبًا مع نظف الهواء) لإزاحة تراكم بيوفيلم والمواد الصلبة المعلقة ، ومنع انسداد واستعادة السعة الهيدروليكية.
• التنظيف الميكانيكي: لأسطح مثل الأغشية في MBRS ، يمكن استخدام أنظمة التنظيف الميكانيكية الدورية أو أنظمة التنظيف المتخصصة ، وغالبًا ما تكون بالتزامن مع التنظيف الكيميائي.
• الكشط/الفرشاة: في خطوط الأنابيب أو الأسطح الكبيرة ، يمكن للتجشير الجسدي أو الفرشاة إزالة المتراكمة يدويًا بيوفيلم .

الطرق الكيميائية

غالبًا ما يتم استخدام العوامل الكيميائية لتثبيطها بيوفيلم تشكيل أو لفصل وقتل موجود الأغشية الحيوية .

• المطهرات/المبيدات الحيوية: يتم استخدام عوامل مثل الكلور والكلورامين وثاني أكسيد الكلور والأوزون على نطاق واسع لتطهير الماء وتمنع نمو الميكروبات. في بيوفيلم السيطرة ، يمكن تطبيقها بشكل متقطع أو مستمر عند جرعات أقل لمنع التعلق الأولي أو لقتل الكائنات الحية الدقيقة داخل بيوفيلم . لكن، الأغشية الحيوية توفر حماية كبيرة ، وغالبًا ما تتطلب تركيزات أعلى من المطهر أو أوقات اتصال أطول.
• عوامل المؤكسدة: إلى جانب المطهرات النموذجية ، يمكن استخدام عوامل مؤكسدة أخرى مثل بيروكسيد الهيدروجين لتحطيم EPS المصفوفة وقتل الخلايا المدمجة.
• السطحي والمشتتات: يمكن أن تقلل هذه المواد الكيميائية من التصاق الكائنات الحية الدقيقة إلى الأسطح والمساعدة في فصل موجود الأغشية الحيوية عن طريق تحطيم EPS مصفوفة ، مما يجعلها أكثر عرضة للإزالة.
• الإنزيمات: يمكن للإنزيمات المحددة استهداف مكونات EPS المصفوفة ، مثل السكريات أو البروتينات ، لتدهور بيوفيلم بناء.

الطرق البيولوجية

استراتيجيات التحكم البيولوجي تستفيد من التفاعلات الميكروبية أو النهج المهندسة للإدارة بيوفيلم النمو ، وغالبا ما يقدم المزيد من البدائل الصديقة للبيئة.

• استبعاد تنافسي: إدخال الكائنات الحية الدقيقة غير المسببة للأمراض التي تتنافس مع غير مرغوب فيها بيوفيلم يمكن أن يمنع الصيادون للمساحة أو العناصر الغذائية نموها.
• البكتيريا: يمكن استخدام الفيروسات التي تصيب البكتيريا على وجه التحديد و Lyse (تدمير) لاستهداف والتحكم في مجموعات بكتيرية محددة ضمن أ بيوفيلم . هذا نهج محدد للغاية.
• تبريد النصاب: تتضمن هذه الاستراتيجية التدخل في استشعار النصاب أنظمة الاتصالات من البكتيريا. عن طريق تحلل جزيئات الإشارة أو منع مستقبلاتها ، إخماد النصاب يمكن أن تمنع البكتيريا من تنسيقها بيوفيلم سلوكيات التكوين ، وبالتالي تثبيط بيوفيلم النضج وتعزيز الانفصال.
• bioaugmentation: بينما تستخدم في كثير من الأحيان لتحسين التدهور ، bioaugmentation يمكن أن تتضمن أيضًا إدخال سلالات تنتج مركبات مثبطة إلى غير مرغوب فيها بيوفيلم نمو.

دراسات الحالة: التنفيذ الناجح لعمليات الأغشية الحيوية

فعالية وتنوع عمليات البيوفيلم من الأفضل توضيحها من خلال تنفيذها الناجح في العالم الحقيقي معالجة المياه المرافق عبر مختلف المقاييس والتطبيقات.

محطة معالجة مياه الصرف الصحي البلدية

• مثال: العديد من البلدية الكبيرة معالجة مياه الصرف الصحي لقد دمجت النباتات MBBR or IFAS أنظمة لتلبية صارمة إزالة المغذيات (على سبيل المثال ، حدود التفريغ النيتروجين والفوسفور) ، وخاصة في المناطق الحساسة للتخثفي.
• قصة النجاح: قامت منشأة متروبوليتان بترقية مصنع الحمأة المنشط التقليدية عن طريق تحويل أحواض التهوية الحالية إلى IFAS المفاعلات. عن طريق إضافة MBBR الناقلات ، زادت بشكل كبير من تركيز الكتلة الحيوية ل النترتة دون توسيع البصمة الجسدية للمصنع. سمح لهم ذلك بتحقيق الامتثال باستمرار لحدود الأمونيا الجديدة الأكثر صرامة ، حتى خلال أشهر الشتاء الباردة عندما يتباطأ نشاط البكتيريا النيتروي.

معالجة مياه الصرف الصناعية

• مثال: القطاعات الصناعية ، وخاصة الأغذية والمشروبات ، اللب والورق ، والتصنيع الكيميائي ، غالباً ما تولد مياه صمامات عالية القوة أو معقدة. MBBRS واللاهوائية مفاعلات الأغشية الحيوية (على سبيل المثال ، بطانية الحمأة اللاهوائية UASB - والتي تتضمن أيضًا نموًا مرفقًا) يتم استخدامها بشكل شائع.
• قصة النجاح: نفذت مصنع الجعة بنجاح MBBR نظام له معالجة مياه الصرف الصحي . تم التعامل مع الحمل العضوي العالي من عملية التخمير بكفاءة من قبل MBBR ، السماح بحل معالجة مضغوط داخل موقعهم الحالي. أثبت النظام أنه قوي ضد التقلبات في التركيز العضوي النموذجي للعمليات الصناعية الدُفعات ، مما أدى باستمرار إلى إنتاج النفايات السائلة التي تلبي لوائح التفريغ بينما تتطلب تدخلًا أقل من المشغل من نظام الحمأة المنشطة مماثلة.

مرفق معالجة مياه الشرب

• مثال: عمليات البيوفيلم ، خصوصًا مرشحات الكربون المنشط البيولوجي (BAC) ، تستخدم بشكل متزايد في معالجة مياه الشرب لتعزيز جودة المياه وتقليل الاعتماد على المطهرات الكيميائية.
• قصة النجاح: محطة مياه الشرب التي تواجه التحديات مع مركبات الذوق الموسمي والرائحة والمخاوف بشأن تشكيل المنتجات الثانوية للتطهير (DBP) ترقية مرشحات الكربون المنشط (GAC) مرشحات BAC . من خلال التشجيع بيوفيلم النمو على وسائط GAC ، لاحظ المصنع انخفاضًا كبيرًا في المواد العضوية الطبيعية (NOM) وسلائف DBP محددة قبل الكلور. قلل هذا المعالجة المسبقة البيولوجية من كمية الكلور اللازمة للتطهير ، مما يؤدي إلى انخفاض مستويات DBP في مياه الشرب النهائية وتحسين الصفات الجمالية دون المساس بالسلامة.

الاتجاهات المستقبلية في تكنولوجيا الأغشية الحيوية

مجال تقنية الأغشية الحيوية يتطور باستمرار ، مدفوعًا بالحاجة إلى أكثر كفاءة واستدامة ومرونة معالجة المياه الحلول. العديد من الاتجاهات الرئيسية تشكل مستقبلها.

• bioaugmentation: الإدخال الاستراتيجي لسلالات ميكروبية محددة وفعالة للغاية في مفاعلات الأغشية الحيوية لتعزيز أو إدخال قدرات التمثيل الغذائي الجديد هو اتجاه متزايد. يمكن أن يكون هذا من أجل تحطيم الملوثات المتمردة (على سبيل المثال ، الأدوية المحددة ، والمواد الكيميائية الصناعية) ، والتحسين إزالة المغذيات في الظروف الصعبة ، أو زيادة مرونة العملية. التقدم في علم الجينوم الميكروبي وعلم الأحياء الاصطناعية يستهدف bioaugmentation أكثر دقة وفعالية.

• المعالجة الحيوية: الأغشية الحيوية في طليعة المعالجة الحيوية جهود المواقع الملوثة. يتضمن ذلك استخدام التمثيل الغذائي الميكروبي لتحويل أو تجميد المواد الخطرة (مثل المعادن الثقيلة ، أو الهيدروكربونات البترولية ، أو المذيبات المكلورة) في التربة والمياه الجوفية. تتضمن الاتجاهات المستقبلية في الموقع بيوفيلم التحفيز وتطور متخصص مفاعلات الأغشية الحيوية للسلبي أو شبه المتقدم المعالجة الحيوية من البيئات الصعبة.

• مفاعلات البيوفيلم المتقدمة: يستمر البحث والتطوير في دفع حدود مفاعل البيوفيلم تصميم. وهذا يشمل:

  • تطوير وسائل الإعلام الجديدة: تصميم شركات النقل ذات المساحات السطحية المحسنة ، هياكل المسام ، وحتى كيمياء السطح المصممة لتعزيز نمو المجتمعات الميكروبية المحددة.
  • الأنظمة المتكاملة: تطوير أنظمة هجينة أكثر تطوراً تجمع بسلاسة متعددة بيوفيلم وتقنيات النمو المعلقة لتحقيق أهداف علاج معقدة (على سبيل المثال ، الكربون والنيتروجين والفوسفور في وقت واحد في مفاعل واحد).
  • الأنظمة المعيارية واللامركزية: خلق مضغوط ، قابلة للتطوير مفاعلات الأغشية الحيوية للامركزية معالجة المياه في المجتمعات النائية أو التطبيقات الصناعية المحددة.

• النمذجة والمحاكاة: أصبحت أدوات النمذجة والمحاكاة الحسابية المتقدمة أمرًا حيويًا بشكل متزايد لتصميم وتحسين واستكشاف الأخطاء وإصلاحها عمليات البيوفيلم . يمكن أن تتنبأ هذه الأدوات بيوفيلم النمو ، تغلغل الركيزة ، تدرجات الأكسجين ، وأداء المفاعل العام في ظل ظروف التشغيل المختلفة. يتيح ذلك الهندسة الأكثر دقة ، ويقلل من الاعتماد على الاختبارات التجريبية الشاملة ، ويساعد على توقع مشكلات وتخفيفها تلوث . إن التكامل مع بيانات المستشعر في الوقت الفعلي وأنظمة التحكم التي تحركها الذكاء الاصطناعي سيعزز الكفاءة التشغيلية .