Progreso de la investigación sobre la operación de procesos y la aplicación de MBBR Sistemas a bajas temperaturas
Descripción general
El proceso del reactor de biopelículas de lecho móvil (MBBR) es una de las tecnologías de tratamiento de aguas residuales con biopelículas más utilizadas en la actualidad. En comparación con los procesos de lodos activados convencionales, MBBR ofrece ventajas como una calidad eficaz del efluente, una fuerte resistencia a las cargas de choque y la ausencia de requisitos de retorno o retrolavado de lodos. Durante el período de bajas-temperaturas del invierno, especialmente en las regiones del norte y las mesetas del suroeste, la temperatura del aire puede caer fácilmente por debajo de los 5 grados y la temperatura del agua puede caer por debajo de los 15 grados. Las bajas temperaturas pueden provocar el incumplimiento-de los indicadores de efluentes, como la demanda química de oxígeno (DQO), el nitrógeno amoniacal y el nitrógeno total en los sistemas MBBR. La eliminación de nitrógeno en biopelículas incluye la nitrificación aeróbica y la desnitrificación anóxica, y la temperatura es uno de los factores clave que afectan estos procesos. A medida que las temperaturas disminuyen, la tasa de nitrificación de las bacterias en los sistemas de lodos activados disminuye gradualmente, con una reducción significativa en la capacidad de nitrificación cuando las temperaturas caen por debajo de los 8 grados. Este artículo detalla sistemáticamente el funcionamiento de los procesos MBBR en condiciones de baja-temperatura a partir de aspectos como comunidades microbianas, tecnologías de mejora de portadores y combinaciones y manipulación de procesos, proporcionando referencias para futuras investigaciones y aplicaciones.
1. Investigación sobre comunidades microbianas en sistemas MBBR de baja-temperatura
Actualmente, el proceso central en las plantas depuradoras de aguas residuales es el tratamiento biológico.Las bajas temperaturas en invierno (inferiores o iguales a 15 grados) inhiben la actividad de las bacterias nitrificantes en los biorreactores, afectando el proceso de nitrificación y limitando la capacidad de eliminación de nitrógeno del sistema.. Las bacterias nitrificantes son autótrofas con ciclos de generación largos y son sensibles a los cambios de temperatura, con un rango de temperatura de crecimiento óptimo de 20 a 35 grados.
1.1 Actividad microbiana
Las biopelículas en los reactores MBBR crecen adheridas a las superficies portadoras, favoreciendo el crecimiento de microorganismos con ciclos de generación largos, aumentando así el contenido de bacterias nitrificantes en el sistema. En comparación con los procesos de lodos activados, MBBR exhibe un rendimiento de nitrificación más fuerte a bajas temperaturas, lo que lo hace ampliamente utilizado en el tratamiento de aguas residuales a baja-temperatura. La baja temperatura es uno de los factores ambientales importantes que afectan el rendimiento de nitrificación de este reactor. La reducción de la temperatura conduce a una disminución de la fluidez de la membrana celular y de la catálisis enzimática, a una reducción del transporte de material y de las tasas metabólicas, lo que afecta la estabilidad de las estructuras secundarias de los ácidos nucleicos e inhibe la replicación del ADN, la transcripción y la traducción del ARNm. Cuando las temperaturas caen por debajo del punto de congelación citoplasmático, se forman cristales de hielo dentro de las células, lo que provoca graves daños estructurales. Los estudios de Qiu Tian et al. demostró queLas actividades de oxidación de amoníaco y oxidación de nitritos de la biopelícula MBBR a 10 grados fueron el 55% y el 56% de las de 20 grados, respectivamente.. Zheng Zhijia et al. Probó las tasas de nitrificación de lodos activados enuna planta de tratamiento de aguas residuales en verano (20 grados) e invierno (8 grados), encontrando que la tasa de nitrificación de nitrógeno amoniacal a 8 grados era el 48,5% de la de 20 grados.. El impacto de las bajas temperaturas en la capacidad de nitrificación de los tanques bioquímicos incluye dos aspectos: en primer lugar, las bajas temperaturas afectan la actividad de las comunidades de bacterias nitrificantes y, en segundo lugar, las bajas temperaturas prolongadas reducen la población de bacterias nitrificantes en los lodos activados.
1.2 Competencia de la comunidad microbiana
Como las bacterias nitrificantes son autótrofas, otras comunidades microbianas impactan significativamente el proceso de nitrificación y compiten fuertemente con las bacterias nitrificantes. Houweling et al. Realizó experimentos con el proceso MBBR y demostró que a 4 grados, MBBR tiene cierto potencial de nitrificación, pero el crecimiento excesivo de microorganismos heterótrofos dentro del sistema redujo la tasa de nitrificación hasta cierto punto. Shao Shuhai et al. indicó que el efecto de eliminación de nitrógeno del MBBR de una sola etapa-no es ideal debido a la competencia entre las bacterias nitrificantes y heterótrofas. Han Wenjie et al. estudiaron los cambios en la comunidad microbiana y los patrones de distribución biológica en una planta de tratamiento de aguas residuales utilizando procesos híbridos MBBR durante temporadas de baja-temperatura, y descubrieron que la cantidad de especies microbianas en las biopelículas portadoras suspendidas era menor que en el lodo activado del mismo sistema, con una distribución desigual de las especies. La adición de portadores suspendidos mejoró la diversidad microbiana en el sistema, mientras que los modos influente y operativo tuvieron cierta selectividad en la composición de la comunidad microbiana. Wuhan et al. Tratamiento simulado de aguas residuales domésticas utilizando tres reactores MBBR por lotes secuenciales con diferentes tipos de relleno. Al reducir gradualmente las temperaturas (25, 20, 15, 10, 6 y 5 grados) para cultivar y aclimatar biopelículas para aguas residuales de baja-temperatura, descubrieron que en los tres reactores dominaban diferentes microorganismos. Los resultados de la secuenciación de alto rendimiento mostraron que a 5 grados, los microorganismos que degradaban la materia orgánica eran predominantes en los tres reactores; un reactor aclimató y enriqueció con éxito bacterias nitrificantes psicrófilas, mientras que los otros dos tenían mayor abundancia de bacterias fijadoras de nitrógeno-desfavorables para la eliminación de nitrógeno.
1.3 Aclimatación de microorganismos psicrófilos
La tecnología de mejora de la aclimatación y el enriquecimiento para comunidades microbianas dominantes de baja-temperaturaes un método eficaz para mejorar la eficiencia operativa y la estabilidad de MBBR en condiciones de baja-temperatura. A través de una inducción progresiva y un cultivo optimizado, se analizan y aplican las poblaciones dominantes, utilizando la fuerte tolerancia de las comunidades microbianas para reducir el impacto de las bajas temperaturas, lo que ofrece un potencial de estabilidad a largo plazo. Wang Dan et al. descubrió que en condiciones invernales de baja-temperatura, agregar lodo activado que contenga comunidades microbianas-tolerantes al frío para lograr un biorreactor híbrido simbiótico de biopelícula de lodo activado-ofrecía ventajas como un inicio rápido, una rápida formación de biopelículas y efectos de tratamiento estables. Delatolla et al. descubrió que descarbonizar el sistema a 1 grado aumentaba la biomasa activa nitrificante, espesaba la biopelícula, aumentaba efectivamente la cantidad de células viables durante el funcionamiento a baja temperatura y mejoraba el rendimiento de nitrificación del sistema. Además, NO, N₂H₄, NH₂OH, etc., son intermediarios clave que estimulan el proceso de oxidación anaeróbica del amonio (anammox) y alivian la inhibición de las bacterias anammox por el NO₂. Zekker et al., en un estudio que trató aguas residuales de alta-concentración (concentración de nitrógeno amoniacal de 740 mg/L) con un sistema MBBR, descubrieron que agregar NO aceleró significativamente el proceso anammox y que la abundancia de bacterias oxidantes de amoníaco-aumentó proporcionalmente durante el funcionamiento del sistema.
2. Investigación sobre tecnologías de mejora de portadoras para MBBR a bajas temperaturas
La selección de rellenos MBBR suspendidos es una de las tecnologías centrales de este proceso para el tratamiento de aguas residuales y un factor clave que afecta la eficiencia del proceso y los costos de ingeniería. Los tipos de relleno más utilizados incluyen rellenos de panal, rellenos semi-blandos y rellenos compuestos, entre otros. Las aplicaciones prácticas pueden encontrar problemas como obstrucción del relleno, aglomeración y envejecimiento. En condiciones de baja-temperatura, la formación de biopelículas en los rellenos MBBR es más lenta, lo que potencialmente prolonga los períodos de arranque del equipo, dificulta la operación normal del proceso, resulta en una pobre resistencia a la carga de impacto y no logra los efectos esperados del tratamiento. Los soportes suspendidos MBBR utilizados industrialmente varían en tamaño y forma y están hechos de polímeros de alto peso molecular como polietileno de alta -densidad (HDPE), polietileno (PE) o polipropileno (PP) mediante métodos como extrusión por fusión o granulación. Con la aplicación de ingeniería a gran-escala de este proceso, la variedad de operadores comerciales ha aumentado gradualmente. El diseño y el procesamiento del portador se pueden adaptar a la calidad del agua y las características de crecimiento microbiano, lo que permite una optimización y mejora específicas para mejorar los sistemas de biopelículas MBBR en condiciones de baja-temperatura. En aplicaciones prácticas, las modificaciones del portador se centran principalmente en mejorar el área de superficie específica, la hidrofilicidad, la bio-afinidad, las propiedades magnéticas, etc., para mejorar la transferencia de masa del portador, la formación de biopelículas y el rendimiento del tratamiento de aguas residuales.
2.1 Carga magnética
La investigación actual ha explorado el uso de campos magnéticos para optimizar la capacidad de tratamiento de aguas residuales de MBBR a bajas temperaturas.Los campos magnéticos de determinadas intensidades pueden mejorar la eliminación de contaminantes en procesos de tratamiento biológico. Bajo campos magnéticos débiles, los contaminantes orgánicos se enriquecen en la superficie de los portadores biológicos magnéticos mediante agregación y adsorción magnética, con la ayuda de fuerzas magnéticas, fuerzas de Lorentz y efectos magneto-coloidales. Dentro de un rango de intensidad apropiado, los campos magnéticos pueden mejorar la utilización del oxígeno microbiano, mejorar el metabolismo del crecimiento microbiano y la actividad enzimática y aumentar la permeabilidad de la membrana celular. Jing Shuangyi et al. Estudió los efectos comparativos de agregar portadores magnéticos [polietileno, polvo magnético de neodimio, hierro y boro (Nd₂Fe₁₄B) y policuaternio-10 (PQAS-10), etc.] versus portadores comerciales en reactores MBBR. Los resultados mostraron que en condiciones de baja-temperatura, los portadores magnéticos mejoraron significativamente la actividad de nitrificación de las biopelículas, promovieron la secreción de sustancias poliméricas extracelulares (EPS) y mantuvieron y mejoraron la morfología y estructura de las biopelículas. Los portadores magnéticos enriquecieron más géneros de bacterias nitrificantes, con abundancias relativas de bacterias oxidantes de amoníaco y bacterias oxidantes de nitritos aumentaron 1,82 veces y 1,05 veces, respectivamente, en comparación con los portadores comerciales, y aclimataron y enriquecieron dos géneros únicos de bacterias nitrificantes.
2.2 Modificación del transportista
Además de la carga magnética, la modificación de la afinidad de los materiales portadores tradicionales como el polietileno también es una forma importante de mejorar el rendimiento de la formación de biopelículas de relleno. Sun Bo et al. utilizó novedosos nanorellenos suspendidos para tratar aguas residuales domésticas-a baja temperatura. A 10-12 grados, el período de formación de biopelículas para los nanorellenos fue de menos de 18 días, más corto que el de otros rellenos, con una tasa de eliminación de DQO del sistema estable en alrededor del 75%, lo que demuestra un buen valor de promoción. Ren Yanqiang et al. utilizó rellenos suspendidos en forma de panal hechos de materiales de aleación de polímeros altamente hidrófilos para tratar el efluente del tanque de sedimentación primario de una planta de tratamiento de aguas residuales en condiciones de baja-temperatura. Los resultados indicaron que estos rellenos suspendidos mejoraron efectivamente la capacidad de unión de los microorganismos tensioactivos, lo que ayudó a mejorar los efectos del tratamiento del proceso MBBR. Han Xiaoyun et al. utilizó espuma de poliuretano suave con una estructura de poros desarrollada como portador inmovilizado para fijar comunidades microbianas eficientes-tolerantes al frío separadas del lodo activado. Después de agregar este relleno al reactor, los efectos del tratamiento de contaminantes mejoraron significativamente, con una tasa de eliminación de DQO del 82 % y una tasa de eliminación de la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) del 92 % en condiciones de baja-temperatura. Chen et al. utilizó un proceso MBBR con relleno de gel de alcohol polivinílico (PVA) inoculado con bacterias HN-AD para tratar aguas residuales de cría de ganado y aves de corral en lugar de lodos activados. Bajo diferentes proporciones de carbono-a-nitrógeno (C/N), el rendimiento de los distintos transportadores varió significativamente. La estructura porosa del gel de PVA proporcionó protección a las bacterias, lo que dio como resultado un rendimiento más estable. El análisis microbiano mostró que el proceso MBBR con portadores de gel de PVA favoreció el crecimiento de bacterias autótrofas y bacterias HN-AD (Paracoccus y Acinetobacter).
3. Combinación de procesos y Regulación de MBBR a bajas temperaturas.
Este sistema tiene requisitos únicos para la formación de biopelículas en superficies de relleno, destacando la importancia de la combinación y regulación del proceso. La nitrificación estable en MBBR se puede lograr mediante la regulación de los parámetros y proporciones del proceso; compensar los efectos de las bajas temperaturas mediante restricciones más estrictas es un método relativamente directo y eficaz.
3.1 Aireación
El proceso MBBR se aplica actualmente principalmente en entornos aeróbicos. La tasa de aireación y el método en el reactor afectan directamente el contenido de oxígeno disuelto (OD) en el sistema y las características de formación de biopelículas, influyendo así en el nivel de degradación de los contaminantes. Chen Long et al., durante el tratamiento de aguas residuales industriales, abordaron eficazmente las dificultades en la formación de biopelículas utilizando medidas como la aireación por lotes, logrando una tasa de eliminación de DQO del 95,5 % y una tasa de eliminación de nitrógeno amoniacal del 91 %. Persson et al. utilizó MBBR para tratar aguas residuales mixtas de desechos de cocina y aguas negras después de un pretratamiento anaeróbico a 10 grados, logrando una nitrificación completa mediante aireación intermitente. Bian et al. descubrieron que controlar una relación constante entre OD y la concentración total de nitrógeno amoniacal optimizaba los efectos del efluente a bajas temperaturas; cuando la proporción de control no superó 0,17, el proceso de nitrificación permaneció estable a 6 grados.
3.2 Relación carbono-a-nitrógeno (C/N)
Existe una competencia obvia entre las bacterias nitrificantes y heterótrofas; por lo tanto, la regulación C/N se convierte en un parámetro importante que afecta el equilibrio entre la materia orgánica y la degradación del nitrógeno en el sistema. Chen et al. demostró que en los sistemas MBBR, cuando la C/N estaba entre 4 y 15, la tasa de eliminación de DQO era superior al 90%. Cuando C/N disminuyó a 1, la tasa de eliminación de DQO disminuyó significativamente. La eficiencia de eliminación de nitrógeno amoniacal del sistema primero aumentó y luego disminuyó al reducir el C/N. Chen et al. exploró el impacto de C/N en el rendimiento de un reactor A/O-MBBR que trata aguas residuales de maricultura.Los resultados indicaron que reducir C/N es beneficioso para mejorar la eficiencia de eliminación de DQO y nitrógeno amoniacal.
3.3 Tiempo de retención hidráulica
El tiempo de retención hidráulica (HRT) determina la carga de lodo activo dentro del sistema de reacción. Una HRT demasiado alta o demasiado baja puede afectar la eficiencia del tratamiento y los costos de construcción/operativos de los sistemas MBBR. Seleccionar un HRT razonable es crucial para el funcionamiento estable del sistema. Van et al. MBBR aplicado para el control de la contaminación agrícola de fuentes no puntuales a bajas temperaturas. La investigación demostró que a 5 grados, a medida que disminuía la HRT, la eficiencia de eliminación de contaminantes disminuía significativamente, siendo 8 horas el tiempo mínimo de retención para garantizar la desnitrificación del nitrato a gas nitrógeno. Wang Chuanxin et al. trató aguas residuales domésticas con un sistema de biopelícula anóxica/aeróbica, centrándose en las características de nitrificación y desnitrificación simultáneas en MBBR a bajas temperaturas. Los resultados mostraron que el sistema se adaptó bien a las caídas estacionales de temperatura al extender la TRH y estabilizar las concentraciones de DQO y nitrógeno amoniacal del efluente para cumplir con los estándares. Shitu utilizó un nuevo relleno de esponja como portador de biopelícula MBBR para estudiar su efecto en el tratamiento del agua en diferentes TRH. Los resultados indicaron que los efectos del tratamiento del agua fueron mejores con HRT de 6 h. Zhao Wenbin et al. demostró que el HRT óptimo para la eliminación de contaminantes en aguas residuales mediante sistemas MBBR en condiciones de baja-temperatura fue de 24 h. Han Lei et al. estudiaron la tasa de eliminación de contaminantes cuando la HRT se redujo de 15,4 h a 11,0 h en un proceso combinado de zanja de oxidación DE + MBBR. Los resultados mostraron que a medida que se acortaba el HRT, la eficiencia de eliminación de contaminantes disminuía gradualmente, pero la calidad del efluente aún podía cumplir con los requisitos objetivos de calidad del agua, lo que refleja la fuerte resistencia a la carga de impacto del sistema MBBR.
3.4 Combinación de procesos
Deng Rui et al. estudió un proceso MBBR de dos-etapas-para el tratamiento de aguas residuales municipales. En condiciones de baja temperatura del agua y baja concentración de afluentes, este proceso combinado demostró una fuerte resistencia a la carga de impacto y adaptabilidad a la temperatura, operación estable y operación conveniente, lo que muestra buenas perspectivas de aplicación en el tratamiento de aguas residuales. Luostarinen et al. estudiaron los efectos del tratamiento del proceso MBBR en aguas residuales lácteas después de un pretratamiento anaeróbico a bajas temperaturas. Los resultados mostraron que el proceso podría eliminar entre el 40% y el 70% de la DQO, entre el 50% y el 60% del nitrógeno, y la combinación de Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) y MBBR podría eliminar el 92% de la DQO, el 99% de la DBO y el 65%-70% del nitrógeno. Ru Chun et al. utilizó un proceso de precipitación de carga magnética Bardenpho-MBBR + modificado para renovar una planta de tratamiento de aguas residuales. Al ajustar los puntos de dosificación de la fuente de carbono e implementar un influente multi-y un reflujo multi-punto en el sistema, se logró la utilización eficiente de las fuentes de carbono añadidas externamente, lo que garantiza los efectos de nitrificación y desnitrificación a 8,7 grados, con una calidad estable del efluente mejor que los estándares de descarga.
Conclusión
En condiciones de baja-temperatura, la actividad microbiana en los sistemas MBBR disminuye y existe una competencia obvia entre los microorganismos heterótrofos que tratan la materia orgánica y los microorganismos autótrofos que tratan el nitrógeno amoniacal. Por lo tanto, basándose en la composición de los contaminantes del agua cruda y los requisitos de los indicadores de efluentes, se debe considerar plenamente la C/N adecuada. Se deben implementar medidas como mejorar y aclimatar las cepas dominantes de baja-temperatura, enriquecimiento dirigido y aumentar la abundancia de poblaciones dominantes en los transportadores para indicadores clave que garanticen la calidad del efluente.
La mejora del portador es un medio importante para mejorar la -tolerancia a bajas temperaturas de los sistemas MBBR y mejorar la eficiencia de la degradación del proceso. Las medidas específicas incluyen principalmente la carga magnética y el tratamiento estructural de los soportes. La carga magnética puede mejorar la unión de bacterias nitrificantes a bajas temperaturas, fortalecer el proceso de secreción de EPS y mejorar la actividad bacteriana; La optimización de la estructura del portador y las propiedades de la superficie puede acelerar la eficiencia de la transferencia de masa de contaminantes, mejorar su capacidad para solidificar y proteger las comunidades microbianas y mantener un rendimiento más estable del sistema.
El proceso MBBR en sí posee ciertas características de resistencia a bajas-temperaturas. Sin embargo, con la mejora continua de los estándares de calidad de los efluentes para las plantas de tratamiento de aguas residuales, el ajuste de las condiciones de trabajo y la combinación de procesos de MBBR en condiciones de baja-temperatura se han convertido en un importante contenido de investigación para lograr avances en los procesos. Para diferentes tipos de aguas residuales, las condiciones óptimas de trabajo deben determinarse en función de situaciones reales. Mientras tanto, combinaciones de procesos razonables pueden mejorar eficazmente la resistencia a la carga de impacto, la adaptabilidad de la temperatura y la estabilidad del sistema de los sistemas MBBR frente a los contaminantes.