كيف يحقق MBBR النترجة ونزع النتروجين في وقت واحد

وفقًا لنظرية نزع النتروجين البيولوجية التقليدية، يتضمن مسار نزع النتروجين بشكل عام مرحلتين: النترتة و نزع النتروجين . يجب تنفيذ عمليتي النترجة ونزع النتروجين في مفاعلين معزولين، أو في نفس المفاعل مع بيئات نقص الأكسجين والهوائية بالتناوب في الزمان أو المكان؛ في الواقع، في الفترة السابقة، في بعض عمليات الحمأة المنشطة دون مراحل نقص الأكسجين واللاهوائية الواضحة، لاحظ الناس مرارًا وتكرارًا ظاهرة فقدان النيتروجين غير المستوعب، كما لوحظ اختفاء النيتروجين عدة مرات في أنظمة التهوية. في أنظمة المعالجة هذه، غالبًا ما تحدث تفاعلات النترجة ونزع النتروجين تحت نفس ظروف المعالجة وفي نفس مساحة المعالجة. ولذلك، تسمى هذه الظواهر النترجة / إزالة النتروجين المتزامنة (SND).

一: كيف يتم تحقيق النترجة ونزع النتروجين المتزامنين لـ MBBR؟

1. مفهوم النترجة ونزع النتروجين البيولوجي المتزامن (SND)

تهدف تقنية النترجة ونزع النتروجين المتزامن (SND) إلى إنتاج تفاعلات النترجة ونزع النتروجين وإزالة الكربون في نفس المفاعل في نفس الوقت. إنه يكسر وجهة النظر التقليدية القائلة بأن النترجة ونزع النتروجين لا يمكن أن يحدثا في نفس الوقت، خاصة في ظل الظروف الهوائية، يمكن أن تحدث عملية نزع النتروجين أيضًا، مما يجعل النترجة ونزع النتروجين في وقت واحد ممكنًا.

النترجة تستهلك القلوية، ونزع النتروجين ينتج القلوية. لذلك، يمكن لـ SND الحفاظ بشكل فعال على قيمة الرقم الهيدروجيني في المفاعل بشكل مستقر، دون تحييد القاعدة الحمضية ومصدر الكربون الخارجي؛ توفير حجم المفاعل، وتقصير وقت التفاعل، وتقليل طفو الحمأة في خزان الترسيب الثانوي عن طريق تقليل تركيز نترات النيتروجين. ولذلك، أصبح SND نقطة ساخنة لأبحاث نزع النتروجين البيولوجي. فيما يتعلق بجدوى نزع النتروجين البيولوجي من SND، هناك حاليًا ثلاث وجهات نظر رئيسية من وجهات نظر مختلفة:

المنظور البيئي الكلي: يعتقد هذا الرأي أنه لا توجد حالة خلط موحدة تمامًا، وأن التوزيع غير المتساوي للأكسيد المذاب في المفاعل يمكن أن يشكل مناطق هوائية وناقصة الأكسجين ولاهوائية. يمكن أن تحدث عملية نزع النتروجين في ظل ظروف نقص الأكسجين/اللاهوائية في نفس المفاعل الحيوي. يمكن تحقيق SND من خلال الجمع بين إزالة المواد العضوية ونترجة نيتروجين الأمونيا في البيئة الهوائية للقسم.

منظور البيئة الدقيقة: يرى هذا الرأي أن البيئة الدقيقة التي تعاني من نقص الأكسجين في الكتل الميكروبية هي السبب الرئيسي لـ SND، أي أنه بسبب محدودية انتشار (نقل) الأكسجين، يوجد تدرج أكسجين مذاب في الكتل الميكروبية، وبالتالي تشكيل بيئة دقيقة الذي يفضي إلى النترجة ونزع النتروجين في وقت واحد.

المنظور البيولوجي: يرى هذا الرأي أن وجود مجموعات ميكروبية خاصة يعتبر السبب الرئيسي لـ SND. يمكن لبعض البكتيريا الآزوتية إجراء عملية إزالة النتروجين بالإضافة إلى النترجة العادية. قام العلماء الهولنديون بعزل مكورات الكبريت البانتوتروفيك التي يمكنها إجراء كل من النترجة الهوائية ونزع النتروجين الهوائية. تتعاون بعض البكتيريا مع بعضها البعض لإجراء تفاعلات متتابعة لتحويل الأمونيا إلى غاز النيتروجين، مما يجعل من الممكن استكمال عملية نزع النتروجين البيولوجية في نفس المفاعل وتحت نفس الظروف.

في الوقت الحاضر، هناك العديد من الدراسات والتفسيرات الميكروبيولوجية حول نزع النتروجين البيولوجي، لكنها ليست مثالية، ولا يزال فهم ظاهرة SND قيد التطوير والاستكشاف. تعتبر نظرية البيئة الدقيقة مقبولة بشكل عام. نظرًا لوجود تدرج الأكسجين المذاب، يكون تركيز الأكسجين المذاب على السطح الخارجي للكتل الميكروبية أو الأغشية الحيوية مرتفعًا، خاصة البكتيريا الآزوتية الهوائية والبكتيريا الأمونية؛ في الأعماق، يتم حظر نقل الأكسجين ويتم استهلاك كمية كبيرة من الأكسجين المذاب الخارجي، مما يؤدي إلى مناطق نقص الأكسجين، حيث تكون البكتيريا النازعة للنتروجين هي الأنواع السائدة، مما قد يؤدي إلى حدوث النترجة ونزع النتروجين في وقت واحد. تشرح هذه النظرية مشكلة تعايش سلالات مختلفة في نفس المفاعل، ولكن هناك خلل أيضا وهو مشكلة مصادر الكربون العضوي. تعد مصادر الكربون العضوي من الجهات المانحة للإلكترونات من أجل نزع النتروجين غير المتجانس ومثبطات عملية النترجة. عندما يمر مصدر الكربون العضوي في مياه الصرف الصحي عبر الطبقة الهوائية، فإنه يتأكسد أولاً عن طريق الأكسدة الهوائية. لا تستطيع بكتيريا إزالة النتروجين الموجودة في منطقة نقص الأكسجين الحصول على متبرعين إلكترونيين، مما يقلل من معدل إزالة النتروجين وقد يؤثر على كفاءة إزالة النتروجين في SND. ولذلك، فإن آلية النترجة ونزع النتروجين المتزامنة لا تزال بحاجة إلى مزيد من التحسين.

2. آلية النترجة ونزع النتروجين المتزامنة للسرير المتحرك البيولوجي MBBR

MBBR هو نوع جديد من المفاعلات الفعالة التي تجمع بين طريقة الحمأة المنشطة للنمو المعلق وطريقة الأغشية الحيوية للنمو المرفقة. مبدأ التصميم الأساسي هو إضافة الحشو المعلق مباشرة بثقل محدد بالقرب من الماء ويمكن تعليقه في الماء في خزان التفاعل باعتباره حاملًا نشطًا للكائنات الحية الدقيقة. يمكن للحشو المعلق أن يتلامس مع مياه الصرف الصحي بشكل متكرر وعدة مرات، وينمو تدريجيًا غشاء حيوي (فيلم) على سطح الحشو، مما يعزز تأثير النقل الجماعي للملوثات والأكسجين المذاب والأغشية الحيوية، أي أن MBBR يسمى "الأغشية الحيوية المتنقلة" ". استنادًا إلى البحث الذي تم إجراؤه حتى الآن حول آلية SND، جنبًا إلى جنب مع البيئة الدقيقة والنظرية البيولوجية، فإن وضع التفاعل المحتمل لـ SND في الأغشية الحيوية MBBR هو أن بكتيريا مؤكسدة الأمونيا الهوائية وبكتيريا مؤكسدة النتريت وبكتيريا إزالة النتروجين الهوائية الموزعة في الطبقة الهوائية للأغشية الحيوية تتعاون مع البكتيريا المؤكسدة للأمونيا اللاهوائية، وبكتيريا النتريت ذاتية التغذية وبكتيريا إزالة النتروجين الموزعة في طبقة نقص الأكسجين البيولوجية، وأخيرًا تحقيق غرض إزالة النتروجين.

يعتمد MBBR على التهوية وتدفق المياه في خزان التهوية لجعل الناقل في حالة مميعة، وبالتالي تشكيل الحمأة المنشطة المعلقة والأغشية الحيوية المرفقة، مما يتيح المجال كاملاً لمزايا كل من الكائنات الحية ذات الطور المرفق والمعلق، وليس فقط توفير العيانية والمجهرية البيئات الهوائية واللاهوائية، ولكن أيضًا حل النزاعات حول الـ DO ومصدر الكربون بين النترترات ذاتية التغذية، ومزيلات النتروجين غير المتجانسة، والبكتيريا غير المتجانسة. لذلك، يمكن لـ MBBR تحقيق التوازن الحركي لعمليتي النترجة ونزع النتروجين، ولديه ظروف جيدة جدًا للنترجة ونزع النتروجين في وقت واحد، ويمكنه تحقيق النترجة ونزع النتروجين ونزع النتروجين في وقت واحد MBBR.

ثالثا. العوامل المؤثرة على MBBR النترجة ونزع النتروجين المتزامنين

تتمثل التقنية الرئيسية لتحقيق النترجة ونزع النتروجين المتزامنين في MBBR في التحكم في التوازن الحركي للتفاعل بين النترجة ونزع النتروجين في MBBR، وحل نزاع DO بين أجهزة النترجة ذاتية التغذية والبكتيريا غير المتجانسة ونزاع مصدر الكربون بين أجهزة إزالة النتروجين والبكتيريا غير المتجانسة، وما إلى ذلك. عوامل التحكم الرئيسية هي: نسبة الكربون إلى النيتروجين، وتركيز الأكسجين المذاب، ودرجة الحرارة ودرجة الحموضة، وما إلى ذلك.

1. تأثير الحشو على طريقة MBBR

يكمن المفتاح الفني لطريقة MBBR في الحشوات البيولوجية ذات الثقل النوعي القريب من ثقل الماء ويسهل تحريكها بحرية مع الماء مع التحريك الخفيف. عادةً ما تكون الحشوات مصنوعة من بلاستيك البولي إيثيلين. شكل كل حامل هو اسطوانة صغيرة قطرها 10 ملم وارتفاعها 8 ملم. توجد دعامات متقاطعة في الأسطوانة وزعانف عمودية بارزة على الجدار الخارجي. يمثل الجزء المجوف من الحشو 0.95 من الحجم الإجمالي، أي في حاوية مملوءة بالماء والحشو، يكون حجم الماء في كل حشو 95٪. مع الأخذ في الاعتبار دوران الحشو وحجم الحاوية الإجمالي، يتم تعريف نسبة ملء الحشو على أنها نسبة المساحة التي يشغلها الناقل. من أجل تحقيق أفضل تأثير خلط، الحد الأقصى لنسبة التعبئة للحشو هو 0.7. من الناحية النظرية، يتم تحديد إجمالي المساحة السطحية المحددة للحشو وفقًا لعدد المساحات السطحية المحددة للناقلات البيولوجية لكل وحدة حجم، والتي تبلغ بشكل عام 700 م 2 / م 3. عندما ينمو الغشاء الحيوي داخل الحامل، تبلغ مساحة السطح المحددة الفعالة الفعلية حوالي 500 م 2 / م 3.

هذا النوع من الحشو البيولوجي يفضي إلى التصاق ونمو الكائنات الحية الدقيقة داخل الحشو، مما يشكل غشاء حيوي مستقر نسبيًا، ومن السهل تشكيل حالة مميعة. عندما تكون متطلبات المعالجة المسبقة منخفضة أو تحتوي مياه الصرف الصحي على كمية كبيرة من الألياف، كما هو الحال عندما لا يتم استخدام خزان الترسيب الأولي في معالجة مياه الصرف الصحي البلدية أو عند معالجة مياه الصرف الصحي لصناعة الورق التي تحتوي على كمية كبيرة من الألياف، يتم استخدام حشو بيولوجي بسطح محدد أصغر المساحة ويتم استخدام حجم أكبر. عندما تكون هناك معالجة مسبقة جيدة أو يتم استخدامها للنترجة، يتم استخدام حشو بيولوجي بمساحة سطحية كبيرة محددة.

2. تأثير الأكسجين المذاب (DO) على طريقة MBBR

يعد تركيز D O عاملاً محددًا رئيسيًا يؤثر على النترجة ونزع النتروجين في وقت واحد . من خلال التحكم في تركيز D2O، يمكن تشكيل مناطق هوائية أو مناطق نقص الأكسجين في أجزاء مختلفة من الغشاء الحيوي، وبالتالي الحصول على الظروف الفيزيائية اللازمة لتحقيق النترجة ونزع النتروجين في وقت واحد.

من الناحية النظرية، عندما يكون تركيز D2O مرتفعًا جدًا، يمكن أن يخترق الأغشية الحيوية، مما يجعل من الصعب تكوين مناطق نقص الأكسجين بالداخل، وتتأكسد كمية كبيرة من نيتروجين الأمونيا إلى نترات ونتريت، بحيث تظل النفايات السائلة TN عالية جدًا؛ على العكس من ذلك، إذا كان تركيز D2O منخفضًا جدًا، فسوف يتسبب ذلك في ظهور نسبة كبيرة من المناطق اللاهوائية داخل الأغشية الحيوية، وسيتم تعزيز قدرة إزالة النتروجين للأغشية الحيوية (تركيزات النترات والنتريت في النفايات السائلة منخفضة جدًا)، ولكن بسبب عدم كفاية إمدادات DO، يتناقص تأثير النترجة لعملية MBBR، مما يتسبب في زيادة تركيز نيتروجين الأمونيا السائلة، مما يتسبب في زيادة النفايات السائلة TN، مما يؤثر على تأثير المعالجة النهائية.

من خلال البحث، تم أخيرًا الحصول على قيمة مثالية لـ DO لمعالجة MBBR لمياه الصرف الصحي المنزلية في المناطق الحضرية: عندما يكون تركيز DO أعلى من 2 مجم / لتر، يكون لـ DO تأثير ضئيل على تأثير النترجة لـ MBBR، يمكن أن يصل معدل إزالة نيتروجين الأمونيا إلى 97٪ -99%، ويمكن إبقاء نيتروجين الأمونيا المتدفق أقل من 1.0 ملجم/لتر؛ عندما يكون تركيز DO حوالي 1.0 ملغم/لتر، يكون معدل إزالة نيتروجين الأمونيا حوالي 84%، ويزداد تركيز نيتروجين الأمونيا السائل بشكل ملحوظ. بالإضافة إلى ذلك، يجب ألا يكون مستوى الأكسجين المذاب في خزان التهوية مرتفعًا جدًا. يمكن أن يؤدي ارتفاع نسبة الأكسجين المذاب إلى تحلل الملوثات العضوية بسرعة كبيرة، مما يؤدي إلى نقص التغذية للكائنات الحية الدقيقة، وتكون الحمأة المنشطة عرضة للشيخوخة والبنية الرخوة. بالإضافة إلى ذلك، فإن نسبة الأوكسجين المرتفعة جدًا ستستهلك الكثير من الطاقة، وهو أيضًا غير مناسب اقتصاديًا.