Proces aktivnog mulja je najrasprostranjenija tehnologija biološke obrade otpadnih voda. U sistemu aktivnog mulja, mikroorganizmi koji pročišćavaju otpadnu vodu su u stanju suspendovanog rasta-skupljaju se zajedno u male grupe, formirajući grudve, i suspendirani su u miješanoj tekućini pod aeracijom, uzburkavajući se sa protokom vode. Mikroorganizmi i otpadne vode dolaze u potpuni kontakt, eliminišući zagađivače u vodi.
Ovaj sistem radi veoma dobro, ali ima jedan nedostatak: delikatan je. Ako se količina dovodne otpadne vode naglo poveća, njena koncentracija naglo poraste, ili temperatura vode naglo opadne, ili pH drastično oscilira, mikroorganizmi mogu "postupiti"-efekat tretmana će se smanjiti, ili će se čak pojaviti mulj, što utiče na normalan rad sistema.
Stoga su se inženjeri pitali da li bi mogli promijeniti svoj pristup, dozvoljavajući mikroorganizmima da se "nasele" na fiksnoj lokaciji, umjesto da stalno plutaju u vodi?
Ovo je proces biofilma. Jednostavno rečeno, proces biofilma koristi mikroorganizme koji rastu na filterskom mediju ili nosaču za obradu otpadnih voda.
Osnovna ideja tehnologije biofilma je jednostavna: obezbijediti mikroorganizmima fiksne "kuće" u kojima se mogu nastaniti, razmnožavati i formirati "mikrobnu zajednicu". Otpadne vode teku kroz ovu zajednicu, a zagađivače iznutra troše "stanovnici".
Ove "kuće" se profesionalno nazivaju materijali za pakovanje ili nosači. Različiti procesi biofilma koriste potpuno različite nosače. Najčešći tipovi su:
Prvi tip: Ambalažni materijal u biološkoj kontaktnoj oksidaciji – „loptice od plastične niti“ koje vise u rezervoaru
Rezervoar za kontaktnu oksidaciju je napunjen nizovima materijala za pakovanje, koji podsećaju na velike plastične četke. Otpadna voda se aerira sa dna rezervoara i ispire prema gore, uzrokujući da se ovi materijali za pakovanje lagano njišu u vodi, prekriveni žućkastim-smeđim biofilmom. Ova vrsta ambalažnog materijala ima veliku specifičnu površinu; 1 kubni metar može pružiti 800 do 900 kvadratnih metara "stambenog prostora".
Drugi tip: Diskovi u biološkim rotirajućim diskovima - "rotirajući diskovi"
Biološki rotirajući diskovi ne koriste materijale za pakovanje; njihove "kuće" su sami diskovi – desetine velikih diskova, prečnika 2 do 3 metra, nanizanih na rotirajućoj osovini i polako rotirajućih motorom uz smanjenje brzine. Prvi tip uključuje biološki filter disk, pola potopljen u otpadnu vodu, a pola izložen zraku. Mikroorganizmi rastu na obje strane diska, adsorbiraju zagađivače kada su potopljeni i apsorbiraju kisik iz zraka kada su izloženi površini. Ovaj dizajn ima relativno nisku potrošnju energije, ne zahtijeva dodatnu aeraciju i ekonomičan je u radu.
Treći tip: Materijal za pakovanje biološki gaziranog filtera (BAF) – „filterski sloj od sitnih keramičkih kamenčića“
BAF koristi male keramičke kamenčiće prečnika od 3 do 6 milimetara, nagomilane poput malih kamenčića u rezervoaru. Otpadna voda teče odozdo prema vrhu, dok se aeracija odvija odozdo istovremeno. Ovaj dizajn malih čestica ima dvije prednosti: prvo, veliku specifičnu površinu, što rezultira visokom biomasom po jedinici volumena; drugo, praznine između čestica hvataju suspendovane čvrste materije, čineći BAF efluent izuzetno bistrim.
Četvrta vrsta: ambalažni materijal za biološki biofilter (MBBR) - "male plastične ploče koje se prevrću u vodi"
MBBR koristi viseće male plastične ploče, u obliku malih kotača ili cilindara, gustoće nešto lakše od vode. Pod aeracijom, ovi materijali za pakovanje se kontinuirano prevrću i teku u rezervoaru, omogućavajući biofilmu da dođe u kontakt sa otpadnom vodom dok se kreću. Materijal za pakovanje je stalno u pokretu; stari biofilm se briše, a novi biofilm neprestano raste, eliminišući potrebu za ručnim ispiranjem. Ima jake-sposobnosti samočišćenja i neće začepiti rezervoar.
Peti tip: Nosač biološkog fluidizovanog sloja – „sićušne čestice koje se prevrću poput kaše“
Biološki fluidizirani slojevi koriste čak i manje nosače, obično pijesak od 0,3 do 1 mm, aktivni ugljen ili čestice koksa. Vođene velikom-brzinom protoka vode ili vazduha, ove sićušne čestice se neprestano prevrću i fluidizuju poput kaše. Budući da je nosač izuzetno mali, svaki kubni metar nosača može osigurati 2000 do 3000 kvadratnih metara stambenog prostora, što rezultira najvećom koncentracijom mikroba i volumetrijskom stopom opterećenja među svim procesima biofilma. Može se pohvaliti izuzetno visokom efikasnošću tretmana i vrlo malim otiskom, ali su njegov dizajn i rad također relativno složeni.
Svaka od ovih različitih vrsta "kuća" ima svoje primjenjive scenarije. Kontaktna oksidacija je pogodna za male do srednje-prečišćavanje otpadnih voda, MBBR je pogodan za naknadnu ugradnju i proširenje, BAF je pogodan za napredni tretman, biološki rotirajući diskovi su pogodni za male-zapremnine,-uštede energije, a biološki fluidizirani slojevi su prikladni za visok-ograničeni prostor za industrijsku koncentraciju vode.
1. Kako "raste" biofilm?
Kada se ambalažni materijal stavi u otpadnu vodu i otpadna voda nastavi da teče kroz nju, ovaj proces počinje.
Korak 1: Mikroorganizmi prolaze i naseljavaju se
Otpadne vode sadrže veliki broj mikroorganizama. Dok teku po površini materijala za pakovanje, neki se zaglavljuju. Ovo početno vezivanje se oslanja na elektrostatičke interakcije i van der Waalsove sile.
Korak 2: Od privremenog poravnanja do-dugoročnog poravnanja
Zaglavljeni mikroorganizmi počinju da luče ljepljivu tvar koja se naziva ekstracelularne polimerne supstance (API). Ova tvar djeluje poput ljepila, čvrsto fiksirajući mikroorganizme za površinu materijala za pakovanje, formirajući "arhitektonski okvir" biofilma.
Korak 3: Naseljavanje i širenje Proliferirajte
Nakon naseljavanja, mikroorganizmi počinju rasti i razmnožavati se. Jedan postaje dva, dva postaju četiri... Ubrzo tanak sloj mikrobnog filma prekriva površinu materijala za pakovanje. Ovo je biofilm.
Korak 4: Formiranje zrele zajednice
Vremenom, biofilm postaje deblji, a "stanovnici" unutar njega postaju raznovrsniji. Pojaviće se ne samo bakterije, već i gljivice, protozoe i metazoe. Među njima se formira lanac ishrane: bakterije jedu zagađivače, protozoe jedu bakterije, a metazoe jedu protozoe. Tako je uspostavljen kompletan mali ekosistem.
Ovaj proces se stručno naziva formiranjem biofilma. Za tipičnu gradsku otpadnu vodu, pod odgovarajućim temperaturama, formiranje biofilma može se završiti za otprilike 7 do 20 dana.
2. Struktura biofilma
Iako je biofilm samo tanka membrana, njegova unutrašnja struktura je prilično slojevita. U zavisnosti od kvaliteta otpadne vode i uslova snabdevanja kiseonikom, ne može uvek da formira tri kompletna sloja; u nekim scenarijima mogu se formirati samo aerobni i anaerobni sloj.
Sloj koji je najbliži materijalu za pakovanje je anaerobni sloj. Ovaj sloj je najudaljeniji od otpadne vode, što otežava difuziju kiseonika. Uglavnom ga naseljavaju anaerobne bakterije. Ne treba im kiseonik, dobijajući energiju razgradnjom složene organske materije, ali je njihova efikasnost razgradnje relativno niska.
Sloj koji je najbliži otpadnoj vodi je aerobni sloj. Ovaj sloj ima relativno obilje kiseonika, a naseljavaju ga aerobne bakterije, koje su „glavna sila“ u tom procesu; ovdje se uglavnom odvija razgradnja organske tvari.
Ako otpadna voda zahtijeva denitrifikaciju, u sredini će se formirati anoksični sloj, gdje fakultativne bakterije mogu izvršiti denitrifikaciju, pretvarajući nitrate u dušikov plin. Upravo zbog ove slojevite strukture biofilm može istovremeno završiti aerobne i anaerobne reakcije unutar istog sloja-nešto što je teško postići u procesima aktivnog mulja suspendovanog rasta.
3. Obnova biofilma
Biofilmovi ne rastu beskonačno. Kada dostignu određenu debljinu, odvojit će se i obnoviti. Glavni razlog je što anaerobni sloj iznutra postaje sve deblji. Kada anaerobni sloj dostigne određenu debljinu, mikroorganizmi u blizini površine nosača, kojima nedostaje organska materija za ishranu, ulaze u fazu endogenog disanja, slabeći njihovu sposobnost da se vežu za nosač. Pod silom smicanja vanjskog toka vode, stari biofilm će se odvojiti u mrljama. Odvojeni biofilm istječe sa protokom vode, a novi mikroorganizmi se odmah pričvršćuju na odvojena mjesta. Na taj način se stari biofilm odvaja i novi biofilm raste, održavajući visok nivo aktivnosti biofilma.
Ovaj mehanizam rezultira značajno nižom stopom proizvodnje mulja u odnosu na proces aktivnog mulja. Iako je periodično uklanjanje mulja i dalje neophodno, ono eliminiše potrebu za čestom i preciznom kontrolom koju zahteva proces aktivnog mulja, značajno pojednostavljujući rad i upravljanje.
4. Poređenje procesa aktivnog mulja i biofilma
U aktivnom mulju, mikroorganizmi su suspendirani u miješanoj tekućini, dok se u biofilmu mikroorganizmi imobiliziraju na materijalu za pakovanje. Što se tiče otpornosti na udarna opterećenja, procesi sa aktivnim muljem su generalno manje efikasni, sa fluktuacijama u kvalitetu i količini vode lako dovode do pada efikasnosti tretmana; procesi biofilma su mnogo jači i robusniji.
U smislu prilagodljivosti otpadnim vodama niske{0}}koncentracije, mikroorganizmi aktivnog mulja skloni su nedostatku hrane, što rezultira smanjenom aktivnošću; procesi biofilma održavaju visoku aktivnost čak i uz vrlo niske koncentracije utjecaja.
Što se tiče gomilanja mulja, procesi aktivnog mulja su skloni gomilanju mulja; procesi biofilma ne, jer su mikroorganizmi imobilizirani.
U smislu biomase po jedinici zapremine, procesi aktivnog mulja obično proizvode 2 do 4 grama po litri, dok procesi biofilma mogu doseći 10 do 20 grama po litri, 3 do 5 puta više.
U simultanoj nitrifikaciji i denitrifikaciji, proces aktivnog mulja zahtijeva recirkulaciju između različitih rezervoara; proces biofilma, zbog svoje slojevite strukture, može to postići unutar istog rezervoara.
Kako odabrati? Jednostavno rečeno: za velike količine stabilnih komunalnih otpadnih voda, proces aktivnog mulja je zrela tehnologija; za otpadne vode sa velikim fluktuacijama u zapremini i kvalitetu, niske koncentracije ili koje zahtevaju istovremenu denitrifikaciju, proces biofilma je povoljniji.
5. Glavni procesi biofilmskih procesa
Glavni procesi uključuju: biološku kontaktnu oksidaciju, MBBR, aerirani biološki filter (BAF), biološki rotirajući disk, biološki fluidizirani sloj i tradicionalne biološke filtere (obični, visoko{0}}opterećeni, toranj). Iako se ovi procesi razlikuju po formi, njihov osnovni princip je isti-koji dozvoljava mikroorganizmima da se vežu za nosač kako bi formirali biofilm, koristeći ovu membranu za pročišćavanje otpadnih voda.
Glavne razlike su dvostruke: prvo, tip fiksnih diskova "kuća"-, materijal za pakovanje koji puni rezervoar, male keramičke čestice naslagane u sloj filtera, prevrtanje malih plastičnih listova ili fluidizovane mikročestice; drugo, kako se kisik dovodi-prirodna ventilacija, rotacija diskova ili umjetna aeracija.
Proces biofilma uključuje izgradnju staništa za mikroorganizme, omogućavajući im da se talože i pomažu u tretiranju otpadnih voda.
Nakon što se mikroorganizmi presele u svoje "domove", izlučuju ljepljivu tvar da se usidre, rastu i razmnožavaju, formirajući strukturirani biofilm-vanjski aerobni sloj odgovoran za razgradnju organske tvari i unutrašnji anaerobni sloj odgovoran za daljnju razgradnju (anoksični sloj se može formirati između, ovisno o kvaliteti vode). Otpadna voda teče kroz, a zagađivači se postepeno apsorbuju svakim slojem. Kako biofilm raste do određene debljine, stari slojevi se odvajaju, a novi nastavljaju rasti. Nema potrebe da brinete o nagomilavanju mulja ili čestim prilagodbama ispuštanja mulja, čineći rad i upravljanje mnogo lakšim!