Progrès de la recherche sur le fonctionnement des processus et l'application du MBBR Systèmes à basses températures
Aperçu
Le procédé MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) est l’une des technologies de traitement des eaux usées par biofilm les plus utilisées à l’heure actuelle. Par rapport aux procédés conventionnels à boues activées, le MBBR offre des avantages tels qu'une qualité d'effluent efficace, une forte résistance aux charges de choc et aucune exigence de retour des boues ou de lavage à contre-courant. Pendant la période de basse température en hiver, en particulier dans les régions du nord et les plateaux du sud-ouest, la température de l'air peut facilement descendre en dessous de 5 degrés et la température de l'eau peut descendre en dessous de 15 degrés. Les basses températures peuvent entraîner le non--respect des indicateurs d'effluents tels que la demande chimique en oxygène (DCO), l'azote ammoniacal et l'azote total dans les systèmes MBBR. L’élimination de l’azote du biofilm comprend la nitrification aérobie et la dénitrification anoxique, et la température est l’un des facteurs clés affectant ces processus. À mesure que les températures diminuent, le taux de nitrification des bactéries dans les systèmes à boues activées diminue progressivement, avec une réduction significative de la capacité de nitrification lorsque les températures descendent en dessous de 8 degrés. Cet article développe systématiquement le fonctionnement des processus MBBR dans des conditions de basse -température sous des aspects tels que les communautés microbiennes, les technologies d'amélioration des porteurs et les combinaisons et manipulations de processus, fournissant des références pour des recherches et des applications ultérieures.
1. Recherche sur les communautés microbiennes dans les systèmes MBBR à basse température
Actuellement, le processus principal dans les stations d’épuration des eaux usées est le traitement biologique.Les basses températures en hiver (inférieures ou égales à 15 degrés) inhibent l'activité des bactéries nitrifiantes dans les bioréacteurs, affectant le processus de nitrification et limitant la capacité d'élimination de l'azote du système.. Les bactéries nitrifiantes sont autotrophes avec de longs cycles de génération et sont sensibles aux changements de température, avec une plage de température de croissance optimale de 20 à 35 degrés.
1.1 Activité microbienne
Les biofilms dans les réacteurs MBBR se fixent aux surfaces porteuses, favorisant la croissance de micro-organismes avec de longs cycles de génération, augmentant ainsi la teneur en bactéries nitrifiantes dans le système. Comparé aux procédés à boues activées, le MBBR présente des performances de nitrification plus élevées à basse température, ce qui le rend largement utilisé dans le traitement des eaux usées à basse température. La basse température est l'un des facteurs environnementaux importants affectant les performances de nitrification de ce réacteur. La réduction de la température entraîne une diminution de la fluidité de la membrane cellulaire et de la catalyse enzymatique, une réduction du transport de matière et des taux métaboliques, affectant ainsi la stabilité des structures secondaires de l'acide nucléique et inhibant la réplication de l'ADN, la transcription et la traduction de l'ARNm. Lorsque les températures descendent en dessous du point de congélation cytoplasmique, des cristaux de glace se forment à l’intérieur des cellules, provoquant de graves dommages structurels. Les études de Qiu Tian et al. a montré queles activités d'oxydation de l'ammoniac et d'oxydation des nitrites du biofilm MBBR à 10 degrés étaient respectivement de 55 % et 56 % de celles à 20 degrés.. Zheng Zhijia et coll. testé les taux de nitrification des boues activées dansune station d'épuration des eaux usées en été (20 degrés) et en hiver (8 degrés), constatant que le taux de nitrification de l'azote ammoniacal à 8 degrés était de 48,5 % de celui à 20 degrés. L'impact des basses températures sur la capacité de nitrification des réservoirs biochimiques comprend deux aspects : d'une part, les basses températures affectent l'activité des communautés de bactéries nitrifiantes, et d'autre part, des températures basses prolongées réduisent la population de bactéries nitrifiantes dans les boues activées.
1.2 Compétition de la communauté microbienne
Comme les bactéries nitrifiantes sont autotrophes, d’autres communautés microbiennes ont un impact significatif sur le processus de nitrification et entrent en forte concurrence avec les bactéries nitrifiantes. Houweling et coll. a mené des expériences sur le processus MBBR, montrant qu'à 4 degrés, le MBBR a un certain potentiel de nitrification, mais que la croissance excessive de micro-organismes hétérotrophes dans le système a réduit le taux de nitrification dans une certaine mesure. Shao Shuhai et coll. ont indiqué que l'effet d'élimination de l'azote du MBBR en une seule étape - n'est pas idéal en raison de la compétition entre les bactéries nitrifiantes et hétérotrophes. Han Wenjie et coll. a étudié les changements de la communauté microbienne et les modèles de distribution biologique dans une station d'épuration des eaux usées utilisant des processus hybrides MBBR pendant les saisons à basse température, découvrant que le nombre d'espèces microbiennes dans les biofilms porteurs en suspension était inférieur à celui des boues activées du même système, avec une répartition inégale des espèces. L’ajout de porteurs en suspension a amélioré la diversité microbienne dans le système, tandis que les modes influent et opérationnel présentaient une certaine sélectivité sur la composition de la communauté microbienne. Wu Han et coll. traitement des eaux usées domestiques simulé à l'aide de trois réacteurs MBBR par lots séquentiels avec différents types de charges. En réduisant progressivement les températures (25, 20, 15, 10, 6 et 5 degrés) pour cultiver et acclimater les biofilms pour les eaux usées à basse température, ils ont constaté que différents micro-organismes dominaient dans les trois réacteurs. Les résultats du séquençage à haut débit ont montré qu'à 5 degrés, les micro-organismes dégradant la matière organique étaient prédominants dans les trois réacteurs ; un réacteur a acclimaté et enrichi avec succès des bactéries nitrifiantes psychrophiles, tandis que les deux autres avaient des abondances plus élevées de bactéries fixatrices d'azote - défavorables à l'élimination de l'azote.
1.3 Acclimatation des micro-organismes psychrophiles
La technologie d'amélioration de l'acclimatation et de l'enrichissement pour les communautés microbiennes dominantes à basse température-est une méthode efficace pour améliorer l'efficacité opérationnelle et la stabilité du MBBR dans des conditions de -température. Grâce à une induction progressive et une culture optimisée, les populations dominantes sont sélectionnées et appliquées, en utilisant la forte tolérance des communautés microbiennes pour réduire l'impact des basses températures, offrant ainsi un potentiel de stabilité à long terme. Wang Dan et coll. ont découvert que dans des conditions hivernales de basses-températures, l'ajout de boues activées contenant des communautés microbiennes tolérantes au froid-pour obtenir un bioréacteur hybride symbiotique à biofilm à boues activées-offrait des avantages tels qu'un démarrage rapide, une formation rapide de biofilm et des effets de traitement stables. Delatolla et coll. découvert que la décarbonation du système à 1 degré augmentait la biomasse active nitrifiante, épaississait le biofilm, augmentait efficacement le nombre de cellules viables pendant le fonctionnement à basse -température et améliorait les performances de nitrification du système. De plus, NO, N₂H₄, NH₂OH, etc. sont des intermédiaires clés qui stimulent le processus d'oxydation anaérobie de l'ammonium (anammox) et atténuent l'inhibition des bactéries anammox par le NO₂. Zekker et al., dans une étude traitant des eaux usées à haute concentration (concentration d'azote ammoniacal de 740 mg/L) avec un système MBBR, ont découvert que l'ajout de NO accélérait considérablement le processus d'anammox et que l'abondance de bactéries oxydant l'ammoniac augmentait proportionnellement pendant le fonctionnement du système.
2. Recherche sur les technologies d'amélioration des transporteurs pour le MBBR à basses températures
La sélection de charges MBBR en suspension est l'une des technologies de base de ce procédé de traitement des eaux usées et un facteur clé affectant l'efficacité du processus et les coûts d'ingénierie. Les types de charges couramment utilisés comprennent les charges en nid d'abeilles, les charges semi-souples et les charges composites, entre autres. Les applications pratiques peuvent rencontrer des problèmes tels que le colmatage des charges, l’agglomération et le vieillissement. Dans des conditions de basse -température, la formation de biofilm sur les charges MBBR est plus lente, prolongeant potentiellement les périodes de démarrage des équipements, entravant le fonctionnement normal du processus, entraînant une mauvaise résistance aux charges de choc et ne permettant pas d'obtenir les effets de traitement attendus. Les supports suspendus MBBR utilisés industriellement varient en taille et en forme et sont fabriqués à partir de polymères de haut poids moléculaire tels que le polyéthylène haute -densité (HDPE), le polyéthylène (PE) ou le polypropylène (PP) grâce à des méthodes telles que l'extrusion par fusion ou la granulation. Avec l'application technique à grande échelle de ce processus, la variété des transporteurs commerciaux a progressivement augmenté. La conception et le traitement des supports peuvent être adaptés à la qualité de l'eau et aux caractéristiques de croissance microbienne, permettant une optimisation et une amélioration ciblées pour améliorer les systèmes de biofilm MBBR dans des conditions de basse -température. Dans les applications pratiques, les modifications des porteurs se concentrent principalement sur l'amélioration de la surface spécifique, de l'hydrophilie, de la bio-affinité, des propriétés magnétiques, etc., afin d'améliorer le transfert de masse du porteur, la formation de biofilm et les performances de traitement des eaux usées.
2.1 Chargement magnétique
Les recherches actuelles ont exploré l'utilisation des champs magnétiques pour optimiser la capacité de traitement des eaux usées du MBBR à basse température.Les champs magnétiques de certaines intensités peuvent améliorer l'élimination des polluants dans les processus de traitement biologique. Sous de faibles champs magnétiques, les polluants organiques s'enrichissent à la surface des supports biologiques magnétiques par agrégation et adsorption magnétiques, aidées par les forces magnétiques, les forces de Lorentz et les effets magnéto-colloïdaux. Dans une plage d'intensité appropriée, les champs magnétiques peuvent améliorer l'utilisation de l'oxygène microbien, améliorer le métabolisme de la croissance microbienne et l'activité enzymatique, et augmenter la perméabilité de la membrane cellulaire. Jing Shuangyi et coll. a étudié les effets comparatifs de l'ajout de supports magnétiques [polyéthylène, poudre magnétique de néodyme fer bore (Nd₂Fe₁₄B) et polyquaternium-10 (PQAS-10), etc.] par rapport aux supports commerciaux dans les réacteurs MBBR. Les résultats ont montré que dans des conditions de basse température, les supports magnétiques amélioraient considérablement l'activité de nitrification du biofilm, favorisaient la sécrétion de substance polymère extracellulaire (EPS) et maintenaient et amélioraient la morphologie et la structure du biofilm. Les supports magnétiques ont enrichi davantage de genres de bactéries nitrifiantes, avec des abondances relatives de bactéries oxydant l'ammoniac et de bactéries oxydant les nitrites augmentées respectivement de 1,82 fois et 1,05 fois par rapport aux supports commerciaux, et ont acclimaté et enrichi deux genres uniques de bactéries nitrifiantes.
2.2 Modification du transporteur
Outre le chargement magnétique, la modification par affinité des matériaux de support traditionnels comme le polyéthylène constitue également un moyen important d'améliorer les performances de formation de biofilm de charge. Sun Bo et coll. a utilisé de nouvelles nanocharges en suspension pour traiter les eaux usées domestiques à basse température-. À 10-12 degrés, la période de formation du biofilm pour les nano-charges était inférieure à 18 jours, soit plus courte que pour les autres charges, avec un taux d'élimination de la DCO du système stable à environ 75 %, démontrant une bonne valeur promotionnelle. Ren Yanqiang et coll. utilisé des charges en suspension en nid d'abeille fabriquées à partir de matériaux en alliage polymère hautement hydrophiles pour traiter les effluents du bassin de décantation primaire d'une usine de traitement des eaux usées dans des conditions de basse -température. Les résultats ont indiqué que ces charges en suspension amélioraient efficacement la capacité de fixation des micro-organismes tensioactifs, contribuant ainsi à améliorer les effets de traitement du processus MBBR. Han Xiaoyun et coll. utilisé une mousse de polyuréthane souple avec une structure de pores développée comme support immobilisé pour fixer des communautés microbiennes efficaces -tolérantes au froid séparées des boues activées. Après avoir ajouté cette charge au réacteur, les effets du traitement des polluants se sont considérablement améliorés, avec un taux d'élimination de la DCO de 82 % et un taux d'élimination de la demande biochimique en oxygène (DBO) de 92 % dans des conditions de basse température. Chen et coll. utilisé un procédé MBBR avec un gel d'alcool polyvinylique (PVA) inoculé avec des bactéries HN-AD pour traiter les eaux usées d'élevage de bétail et de volailles au lieu de boues activées. Sous différents rapports carbone-à-azote (C/N), les performances des différents transporteurs variaient considérablement. La structure poreuse du gel PVA offre une protection aux bactéries, ce qui permet d'obtenir des performances plus stables. L'analyse microbienne a montré que le processus MBBR avec des supports de gel PVA favorisait la croissance des bactéries autotrophes et des bactéries HN-AD (Paracoccus et Acinetobacter).
3. Combinaison de processus et Régulation du MBBR à basses températures
Ce système présente des exigences uniques en matière de formation de biofilm sur les surfaces de remplissage, soulignant l'importance de la combinaison des processus et de la régulation. Une nitrification stable dans le MBBR peut être obtenue grâce à la régulation des paramètres et des ratios du processus ; compenser les effets des basses températures par des contraintes plus strictes est une méthode relativement directe et efficace.
3.1 Aération
Le procédé MBBR est actuellement principalement appliqué dans les environnements aérobies. Le taux et la méthode d'aération dans le réacteur affectent directement la teneur en oxygène dissous (OD) dans le système et les caractéristiques de formation du biofilm, influençant ainsi le niveau de dégradation des polluants. Chen Long et al., lors du traitement des eaux usées industrielles, ont résolu efficacement les difficultés de formation de biofilm en utilisant des mesures telles que l'aération par lots, atteignant un taux d'élimination de la DCO de 95,5 % et un taux d'élimination de l'azote ammoniacal de 91 %. Persson et coll. utilisé MBBR pour traiter les eaux usées mélangées de déchets de cuisine et d'eaux noires après un prétraitement anaérobie à 10 degrés, obtenant ainsi une nitrification complète grâce à une aération intermittente. Bian et coll. constaté que le contrôle d'un rapport constant entre l'OD et la concentration totale d'azote ammoniacal optimisait les effets des effluents à basse température ; lorsque le rapport de contrôle ne dépassait pas 0,17, le processus de nitrification restait stable à 6 degrés.
3.2 Rapport carbone-sur-azote (C/N)
Il existe une compétition évidente entre les bactéries nitrifiantes et hétérotrophes ; par conséquent, la régulation C/N devient un paramètre important affectant l’équilibre entre la matière organique et la dégradation de l’azote dans le système. Chen et coll. ont montré que dans les systèmes MBBR, lorsque le C/N était compris entre 4 et 15, le taux d'élimination de la DCO était supérieur à 90 %. Lorsque le C/N diminuait à 1, le taux d’élimination de la DCO diminuait considérablement. L'efficacité d'élimination de l'azote ammoniacal du système a d'abord augmenté, puis diminué avec la réduction du C/N. Chen et coll. a exploré l'impact du C/N sur les performances d'un réacteur A/O-MBBR traitant les eaux usées de mariculture.Les résultats ont indiqué que la réduction du C/N est bénéfique pour amélioration de l'efficacité de l'élimination de la DCO et de l'azote ammoniacal.
3.3 Temps de rétention hydraulique
Le temps de rétention hydraulique (HRT) détermine la charge de boue active dans le système de réaction. Un HRT trop élevé ou trop faible peut affecter l’efficacité du traitement et les coûts de construction/exploitation des systèmes MBBR. La sélection d’un THS raisonnable est cruciale pour un fonctionnement stable du système. Van et coll. appliqué le MBBR pour le contrôle de la pollution agricole non ponctuelle à basse température. La recherche a montré qu'à 5 degrés, à mesure que le HRT diminuait, l'efficacité d'élimination des polluants diminuait considérablement, 8 heures étant le temps de rétention minimum pour assurer la dénitrification des nitrates en azote gazeux. Wang Chuanxin et coll. eaux usées domestiques traitées avec un système de biofilm anoxique/aérobie, en se concentrant sur les caractéristiques de nitrification et de dénitrification simultanées dans le MBBR à basse température. Les résultats ont montré que le système s'est bien adapté aux baisses de température saisonnières en prolongeant le HRT, en stabilisant les concentrations de DCO et d'azote ammoniacal des effluents pour répondre aux normes. Shitu a utilisé une nouvelle charge spongieuse comme support de biofilm MBBR pour étudier son effet sur le traitement de l'eau dans différents HRT. Les résultats ont indiqué que les effets du traitement de l’eau étaient meilleurs avec un THS de 6 h. Zhao Wenbin et coll. ont montré que le THS optimal pour l'élimination des polluants dans les eaux usées par les systèmes MBBR dans des conditions de basse -température était de 24 h. Han Lei et coll. ont étudié le taux d'élimination des polluants lorsque le HRT était réduit de 15,4 h à 11,0 h dans un procédé combiné fossé d'oxydation DE + MBBR. Les résultats ont montré qu'à mesure que le HRT raccourcissait, l'efficacité d'élimination des polluants diminuait progressivement, mais la qualité des effluents pouvait toujours répondre aux exigences cibles en matière de qualité de l'eau, reflétant la forte résistance aux chocs du système MBBR.
3.4 Combinaison de processus
Deng Rui et coll. a étudié un processus MBBR-A/O-MBBR en deux étapes pour le traitement des eaux usées municipales. Dans des conditions de basse température de l'eau et de faible concentration d'affluent, ce procédé combiné a démontré une forte résistance aux charges de choc et une adaptabilité à la température, un fonctionnement stable et un fonctionnement pratique, montrant de bonnes perspectives d'application dans le traitement des eaux usées. Luostarinen et coll. étudié les effets du traitement du procédé MBBR sur les eaux usées laitières après prétraitement anaérobie à basse température. Les résultats ont montré que le procédé pouvait éliminer 40 à 70 % de la DCO, 50 à 60 % de l'azote, et que la combinaison du lit de boues anaérobies à flux ascendant (UASB) et du MBBR pouvait éliminer 92 % de la DCO, 99 % de la DBO et 65 à 70 % de l'azote. Ru Chun et coll. a utilisé un procédé modifié de précipitation Bardenpho-MBBR + chargement magnétique pour rénover une usine de traitement des eaux usées. En ajustant les points de dosage des sources de carbone et en mettant en œuvre des influents multi-points et des reflux multi-points dans le système, une utilisation efficace des sources de carbone ajoutées de l'extérieur a été obtenue, garantissant des effets de nitrification et de dénitrification à 8,7 degrés, avec une qualité d'effluent stable meilleure que les normes de rejet.
Conclusion
Dans des conditions de basse -température, l'activité microbienne dans les systèmes MBBR diminue et il existe une compétition évidente entre les micro-organismes hétérotrophes traitant la matière organique et les micro-organismes autotrophes traitant l'azote ammoniacal. Par conséquent, sur la base de la composition des polluants de l’eau brute et des exigences en matière d’indicateurs d’effluents, un C/N approprié doit être pleinement pris en compte. Des mesures telles que l'amélioration et l'acclimatation des souches dominantes à basse -température, l'enrichissement ciblé et l'augmentation de l'abondance des populations dominantes sur les porteurs devraient être mises en œuvre pour des indicateurs clés afin de garantir la qualité des effluents.
L'amélioration du support est un moyen important d'améliorer la-tolérance aux basses températures des systèmes MBBR et d'améliorer l'efficacité de la dégradation des processus. Les mesures spécifiques comprennent principalement le chargement magnétique et le traitement structurel des supports. La charge magnétique peut améliorer la fixation des bactéries nitrifiantes à basse température, renforcer le processus de sécrétion d'EPS et améliorer l'activité bactérienne ; L'optimisation de la structure du support et des propriétés de surface peut accélérer l'efficacité du transfert de masse des polluants, améliorer leur capacité à solidifier et à protéger les communautés microbiennes et maintenir des performances de système plus stables.
Le processus MBBR lui-même possède certaines caractéristiques de résistance aux basses températures. Cependant, avec l'amélioration continue des normes de qualité des effluents pour les usines de traitement des eaux usées, l'ajustement des conditions de travail et la combinaison de processus de MBBR dans des conditions de basse -température sont devenus un contenu de recherche important pour la percée des processus. Pour différents types d'eaux usées, les conditions de travail optimales doivent être déterminées en fonction des situations réelles. Parallèlement, des combinaisons raisonnables de processus peuvent améliorer efficacement la résistance aux chocs, l’adaptabilité à la température et la stabilité des systèmes MBBR vis-à-vis des polluants.