קהילות מיקרוביאליות: הגיבורים הלא-רוסים של טיפול במים

צמחי טיפול במים תלויים בכוח העבודה המורכב ולעיתים בלתי נראה לנקות את המים שאנו משתמשים בהם מדי יום ביומו. כוח העבודה הזה מורכב מיליארדים של אורגניזמים מיקרוסקופיים - חיידקים, ארכאה, פטריות, ופרוטוזוה - שמרכיבים קהילות מיקרוביאליות מורכבות.קהילות אלה הן המנועים הביולוגיים מאחורי הסרת חומרים מזינים כמו חנקן וזרחן משפכים, ללא טיפול, עדיין עלולים לשאת השפעות מיקרוביות מזיקות של מחלות כימיות אלה.

הסרת חומרים מזינים אינה תהליך מכני פשוט.זה תלוי בפעילויות מטבוליות של קבוצות ספציפיות של מיקרואורגניזמים הפועלים בקונצרט.כל אורגניזם ממלא תפקיד ייחודי, מפירוק פחמן אורגני כדי להמיר אמוניה לתוך גז חנקן לא מזיק. על ידי אופטימיזציה התנאים התומכים מיקרובים מועילים אלה, מתקני פסולת יכולים לשפר באופן משמעותי את ביצועי הסרת החומרים שלהם, להפחית צריכת אנרגיה, ועלויות תפעוליות נמוכות יותר.

מה הן קהילות מיקרוביאליות בטיפול במים?

קהילות מיקרוביאליות בטיפול במים הם מערכות אקולוגיות מוכללות עצמיות שפותחות בתוך כורי טיפול ביולוגיים, כגון מערכות סלפט מופעלות, העברת כורים ביופיל מיטה (MBBRs), וריצוף כורים אצווה (SBRs) הקהילות האלה נשלטות על ידי חיידקים, אבל הן כוללות גם ארכאה (במיוחד אלה המעורבים בתהליכים אנירוביים), פטריות כי לשבור תרכובות אורגניות, ופרוזול לעזור לחיידקים מאוזניים.

[ה] מבנה הקהילה המיקרוביאלית אינו אקראי, אלא נוצר על ידי הרכב של מי הפסולת הנכנסים, עיצוב מערכת הטיפול, והתנאים הסביבתיים שהוחזקו בתוך הכור, למשל, מערכות שמכוונות להסרת חנקן בדרך כלל מעודדות את הגידול של אורגניזמים חלופיים: אורגניזמים מקודמים (החלים) ו-(FLT:2NERV) LTVERVERR)

קהילות אלה הן דינמיות מאוד.הם יכולים להשתנות בתוך ימים בתגובה לשינויים בטמפרטורה, pH, חמצן מומס, או נוכחות של תרכובות רעילות.הבנת דינמיות זו חיונית עבור מפעילי צמחים אשר צריכים לשמור על ביצועים חד-תזונה עקביים של חומרים מזינים.כלי מולקולריים מודרניים, כגון 16S rRNA הגן ריצוף ו metagenomics, עכשיו לאפשר לחוקרים ומהנדסים לפקח על שינויים אלה בזמן אמת, לספק תובנה לפעילות בריאות מיקרו-נפשית של כוח העבודה מיקרו-ביו-נפש.

התפקיד של קהילות מיקרוביאליות ב- Acetic Removal

הסרת מזון בטיפול פסולת מים בעיקר מטרות חנקן ו זרחן. שני מרכיבים אלה, בעוד חיוני לחיים, יכול לגרום לבעיות סביבתיות חמורות כאשר משוחררים עודף.

Nitrogen Removal: Nitrification and Denitrification

Nitrogen in Wastewater מופיעה בדרך כלל כתרופה (NH3) מפסולת אנושית, פיסות מזון ותהליכים תעשייתיים.הסרת אמוניה היא תהליך ביולוגי של שני שלבים:0nitrificationFLT:1 ממיר ammonia ל nitrite (NO2-NO) ולאחר מכן לניטראט (NO-3) מבוצעת על ידי שתי קבוצות של דלקת מפרקים חיוני של חיידקים כגון: חנקן (Otraizing) הוא צורך בחיידקים חיוניים (NAT) וחיידקים)

ברגע שהחנקן הוא בצורת ניטריט, הצעד השני - אנדרט:0denitrificationFLT:1 - reduces nitrate to חנקן גז (N2), אשר שוחרר באופן בלתי מזיק לתוך האווירה. Denitrification מבוצע על ידי קבוצה מגוונת של חיידקים ריאה כי להשתמש אלקטרון מקבל ביעילות היעדר חמצן.

צמחים הפועלים עם חנקן ודה-הההה בו-זמנית (SND) שולטים בקפידה ברמות החמצן בכור כדי לאפשר לשני התהליכים להתרחש באותו טנק, לעתים קרובות בתוך אותו חנק או ביופיל.זה דורש איזון עדין וקהילה מיקרו-ביאלית חזקה שיכולה להתמודד עם מיקרו-סביבוני חמצן שונים.

« אורתפורמוס נזיסר

הסרת פוסחן היא מיוחדת יותר.משקעים כימיים לא קונבנציונליים באמצעות מלחי מתכת (למשל, אלומיניום או ferric chloride) יעיל אך יקר ומייצרת פעימה כימית.שיפור הסרת זרחן ביולוגי (EBPR) מסתמכת על FLT:0polyphos-accumulating אורגניזמים (PAOs) LT:1 הם מסוגלים אחסון פנימי כמו תהליך acarus המונע על ידי דלקת פרקים.

באזור אנירובי, PAOs לקחת חומצות שומן תנודתיות (VFAs) ולאחסן אותם כמו פוליhydroxyalkanoates (PHAs), שחרור אורתאופוספט בתהליך. באזור אירובי, הם משתמשים ב-EpHAs מאוחסנים כמקור אנרגיה כדי לקחת זרחן עודף של הצרכים המיידיים שלהם, לאחסן אותו כמו פוליפוחיות הרחם - לעתים קרובות משוחררים של חומצה אלקטרונית.

גורמים המשפיעים על פעילות מיקרוביאלית

הביצועים של קהילות מיקרוביאליות בהסרה תזונתית אינם סטטיים.תלויים במספר פרמטרים סביבתיים ותפעוליים. המפעילים חייבים לפקח ולבקר בגורמים אלה כדי לשמור על יעילות שיא.

טמפרטורה

חילוף החומרים מיקרוביאלי הוא טמפרטורה תלויה.רוב החיידקים הניטראטיים יש טווח טמפרטורה אופטימלי בין 20 מעלות צלזיוס ו 35 מעלות צלזיוס בטמפרטורות נמוכות (נמוך 15 מעלות צלזיוס), קצב ההניטרציה איטי באופן דרמטי, הדורש זמני שימור ארוכים יותר או ריכוזי ביומסה גבוהים יותר. Denitrification הוא בדרך כלל יותר גמיש לטמפרטורות קרות, אבל זה יכול גם להיות צוואר.

pH pH

ניטרציה צורכת אלקליניות ומפחיתה את ה- pH של הכור.אם ה- pH טיפות מתחת ל-6.5, הפעילות של חיידקים ממאוניה-מחמצן מעכבת באופן חמור.הכחשה, מצד שני, מייצרת אלקליניות ויכולה לסייע ל- pH החיסרון (Hplinsplin) לשמור על pH בטווח של 7.0–8.0 הוא אידיאלי עבור רוב הקהילות הנחנקן.

רמות חמצן מפוכחות (DO)

חמצן חיוני לתהליכים אירוביים כמו nitrification ו-phosphorus uptake באזור אירובי. Too Little חמצן (FLT:04 מ"ג / L) הוא פסולת במונחים של צריכת אנרגיה ויכול להפריע לניתוק במערכות המיועדות להסרת סימולטנית.

זמינות תזונתיים ומקורות פחמן

מיקרואורגניזמים דורשים אספקה מאוזנת של פחמן, חנקן, ו זרחן לצמיחה.עבור denitrification, מקור פחמן ביו-דידה (כמו אצטאטה, מלנול, או COD המלוטש במי פסולת) הוא חיוני.אם יחס פחמן-ל-פחמן חסר השפעה הוא נמוך מדי, denitrification הופך לחמצות פחמן-פח, בלתי מוגבלות להפחתה של שומן (או-דלקתית) באופן דומה, באופן דומה, כמו גם כן, יעיל יותר, כמו גם כן, יעיל יותר, כמו גם כן, חום-דלקת פחמן-דלקתי).

SRT) ו- Food-to-Microorganism Ratio (F/M)

SRT שולט בגיוון ובשפע של חיידקים איטיים כמו nitrifiers.עבור nitrification להתרחש באופן אמין, SRT חייב להיות מספיק זמן כדי למנוע כביסה של אורגניזמים אלה - באופן זמני 10 ימים או יותר בטמפרטורות מתון. EBPR דורש גם חיידק מספיק SRT כדי לאפשר ל- PAOs לצבור תרופות אופטיפוס.עם זאת, SRT ארוך מאוד יכול להוביל לנשימה אנדוגניתנית של פעילות נמוכה / שיתוק (הפחתת ההשפעה של זרם) של רמות של הפחתת ההשפעה של ה-המחזור נמוך של ה-המטהמטהמחזור) ולהפחית את ה-FtraxiFtras (המחזור) של ה-Factmtr) של ה-Frantexremination) של ה-Fritation) של ה-Fudgetexrexitexrexitexregine) של אפקט Fudgetexi) של ה-Fudgetexi) של ה-Fudgementi) ולהפחית את רמות ה-Fudgement) של פעילות ה-Fudgetexrexitexrexitexrexitextras (הפחתת ההשפעה של ה-Fudgetexreperrepertex

חומרים רעילים ואינטיבינציה

פריקות תעשייתיות המכילות מתכות כבדות, תרכובות כלור, או ריכוזים גבוהים של אמוניה יכול לעכב פעילות מיקרוביאלית. ניטרינג חיידקים רגישים במיוחד לשחרור אמוניה וחומצה ניטריאלית חינם.ספיידידיים פתאומיים ב רעילות יכולים לגרום חנקן, המוביל לאפשר הפרות. Pre-טיפול של פסולת תעשייתית ולשמור על קהילה רבת חזקה, מגוונת (שיכולה נגד זעזועים) הן אסטרטגיות עמידות חשובות לזעזועים.

עידוד קהילות מיקרוביאליות לשיפור ה-Firtremoval

לעורכים ולמהנדסים יש מגוון של כלים לשיפור הביצועים של קהילות מיקרוביאליות.אסטרטגיות אלה מתמקדות במתן תנאים אופטימליים, שליטה בתחרות, ובמקרים מסוימים, בהבאת מיקרואורגניזמים ספציפיים.

אופטימיזציה של תהליך בקרת

מערכות בקרה מתקדמות באמצעות חיישנים מקוונים עבור אמוניה, nitrate, זרחן, ו-Do מאפשרות התאמות בזמן אמת לריטור, פחמן דום, וחזרה זרימת סלשן מופעלת.לדוגמה, (FLT:0ammonia מבוסס aeration ControlFLT:1 מקטין את השימוש באנרגיה על ידי התאמת אספקת חמצן בפועל של הביקוש של חיידקי נשימה אמיתיים של פעילות מיקרו-אווירה נמוכה.

« שילוב עם תרבויות מיוחדות

במקרים מסוימים, במיוחד במהלך ההפעלה או לאחר תהליך מרתיע, צמחים יכולים לבודד את המערכת עם תרבויות מיקרוביאליות זמין מסחרית.מוצרים אלה מכילים ריכוזים גבוהים של חיידקים נבחרים או מרתיעים, PAOs, או אפילו זנים ספציפיים אשר degrade realcitrant תרכובות. בעוד ההצלחה ארוכת טווח של inoculations כאלה תלויה ביכולת של האורגניזמים שהוצגו להתחרות עם הקהילה, הם יכולים לספק תמיכה לטווח קצר.

Bioaugmentation

ביו-הכיבוד הולך מעבר לטיהור פשוט על ידי שמירה על כור בצד ייעודי כדי לגדול ⁇ ספציפיים אשר לאחר מכן להוסיף ברציפות לתהליך הראשי.לדוגמה, כור ניטרינג בצד יכול לשמש להעשיר עבור AOB ו- NOB, אשר לאחר מכן ניזונים לתוך מערכת ה-Steudge הפעילה העיקרית כדי לשפר את החנק הקר.

המונחים: Anammox

אנמוקס (דלקת אמונוביה) הוא תהליך ביולוגי מתקדם שממיר ישירות את אמוניה וניטטקס לגז חנקן באמצעות חיידקים אוטוטרופיים (FLT:0PlanctomycetesFLT:1 אורגניזמים הקשורים לחנק) תהליך זה דורש לא פחמן אורגני ולא לצרוך פחות חמצן מאשר חנקן קונבנציונלי, צמצום השימוש באנרגיה וניתן ליישם אותו באופן נרחב של מזון נוזלי (Feramsic) לטיפול בדלקתי קבוע.

מעקב מתקדם ואבחון של קהילות מיקרוביאליות

היכולת לפקח על הרכב ופעילות של קהילות מיקרוביאליות התקדמה במהירות בעשור האחרון.שיטות מסורתיות כמו תצפיות מיקרוסקופיות ובדיקות המבוססות על תרבות מתווסף כעת על ידי טכניקות מולקולריות שנותנות תמונה מפורטת הרבה יותר.

  • (ב) [ה]:0] ⁇ (ה-CCR: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:016S rRNA Gene Sequencing:03FLT:1) מספק תמונה מקיפה של ההרכב הקהילתי חיידקי.אופרות יכולות לעקוב אחר שינויים ביחס של nitrifiers to Heterotrophs או הופעתה של מינים בעייתיים filamentous.
  • (FLT:0) Metatranscriptomics ו Metaproteomics:FLT:1 שיטות אלה קובעות אילו גנים מובעים באופן פעיל ואשר חלבונים מיוצרים, נותן תובנה לפעילות המטבולית של הקהילה.
  • (FLT:0) ב-Situ Hybridization (FISH): חליל 1) בדיקות פלואורסנט מאפשרות הדמיה של מיקרואורגניזמים ספציפיים בתוך floc או ביו-סרטים, עוזר להבין מערכות יחסים מרחביות המשפיעות על הסרת חומרים מזינים.

מפעילי הצמח יכולים להשתמש במידע זה כדי לאבחן בעיות, כגון מדוע ניטרינג נכשל או מדוע זרחן דולף לתוך המבול.לדוגמה, ירידה פתאומית בשפע של FLT:0 NitrospirahilFLT:1 (A משותף NOB) עשוי להצביע על אירוע רעיל או הגבלה חמצן.

תוצאות חיפוש ויישומים אמיתיים

מזג אוויר קר ניטרציה בקנדה

צמח עירוני באונטריו נתקל בכשלונות חנק כרוני במהלך החורף כאשר טמפרטורות מים פסולת ירד ל-8 מעלות צלזיוס.הצמח היה מספיק יכולת אבל הצמיחה האיטית של AOB בטמפרטורות נמוכות, משמעה שהם שטף באופן קבוע.על ידי יישום מערכת ביו-הכיוג של צד-זרם שגדל AOB ו- NOB ב-25 מעלות צלזיוס באמצעות דחיית מים, הצמח היה מסוגל לשמור על קצבה של שנת חנקן-אפ.

שיפור EBPR עם פחמן דוסינג בבריטניה

צמח סלדג מופעל בבריטניה תוכנן עבור EBPR אבל לעתים קרובות לא הצליח לעמוד הגבול זרחן של 1 מ"ג / L. ניתוח הראה כי חסר השפעה VFAs באזור אנירובי, גורם PAOs להיות מחוץ ל- 1 מ"ג / L. ניתוח הראה כי הצמח התחיל לעשות גליקול בנקודה בחלק העליון של effent לייצר חיישנים נוספים בתוך ®, 000.

סרט טלוויזיה קבוע מופעל (IFAS) עבור Nitrogen Removal

צמח בארצות הברית המיר את מערכת הקידוד הפעילה הקונבנציונלית שלה ל-IFAS על ידי הוספת נשאים פלסטיים (מדיה ביופיל) באזור האירובי.הביופיל סיפק סביבה מוגנת עבור ניטטורים איטיים, בעוד המשט המושעה טיפל בהסרת פחמן ודה-דלקתיים.זה אפשר לצמח להכפיל את יכולת ההסרה החנקנית שלו מבלי לבנות טנקים חדשים.

כיוונים עתידיים: עיצוב חכם וסוציולוגיה אקולוגית

עתיד הטיפול במים שפכים הוא הבנה גדולה יותר ושליטה בקהילות מיקרוביאליות.שלוש מגמות מתעוררות מבטיחות במיוחד:

  1. (FLT:0) מודלים מועדים של שימוש ב- Machine Learning:BuildFLT:1) על ידי האכלה של נתונים תפעוליים היסטוריים ופרופילי קהילה מיקרוביאליים למודלים של למידת מכונה, צמחים יכולים לחזות ביצועים של הסרת חומרים מזינים בתנאים שונים.זה מאפשר למפעילים להתאים פרמטרים לפני בעיות מתרחשות, בדומה לחיזוי מזג אוויר עבור תהליך הטיפול.
  2. (FLT:0) עיצוב מיקרוביאלי קונסורטיה: Advances in סינתטית עשוי בקרוב לאפשר למהנדסים לעצב קהילות מיקרוביאליות יציבות ובעלות ביצועים גבוהים עבור זרמי פסולת ספציפיים.לדוגמה, קונסורציום יכול להיות מונדס כדי להסיר ביעילות את חנקן ו זרחן בשלב אנרגיה אחד, באמצעות פחמן ישירות מן המים ללא מעשים חיצוניים.
  3. (FLT:0) Resource Recovery:FLT:1 קהילות מיקרוביאליות משמשים לא רק כדי להסיר חומרים מזינים, אלא גם לשחזר אותם. Struvite קריסטלליזציה (הבוקר נשלט על ידי שחרור פוליפוס המיקרוביאלי) יכול ללכוד זרחן כמו דשן איטי-releaseer. Nitrogen מסירת באמצעות anamox יכול לייצר זרמי ניטרים מרוכזים עבור סגירה תעשייתית.

חידושים אלה ידרוש שיתוף פעולה הדוק בין מיקרוביולוגים, מהנדסי תהליכים, מדעני נתונים ומפעילי צמחיים.הבסיס, עם זאת, נשאר זהה: קהילה מיקרוביאלית בריאה וממומנת היטב היא המפתח להסרת חומרים יעילה וברת קיימא.

מסקנה

קהילות מיקרוביאליות הן הליבה של הסרת חומרים מזינים ביולוגיים בטיפול במים פסולת.ממניפסט קונבנציונלי ו denitrification ל- EBPR מתקדם ו anammox, היכולות המטבוליות של אורגניזמים מיקרוסקופיים אלה לקבוע כיצד ביעילות חנקן ו זרחן מוסרים מגורמי פסולת כמו טמפרטורה, pH, חמצן, זמינות פחמן, וחילוץ את כל הגיל השפעה על הרכב ופעילות של קהילות אלה על ידי ניטור אותם עם כלים מולקולריים, ותפקוד כימי יכול להשיג רמות אנרגיה גבוהה.

(הדוגמאות מצמחים בקנה מידה מלא מוכיחות כי שיפורים מעשיים הם בלתי אפשריים ללא השקעות גדולות הון - פשוט על ידי הבנה וניהול של כוח העבודה המיקרוביאלי הקיים טוב יותר, שכן תקנות סביבתיות הופכות מחמירות יותר והצורך בניהול מים בר קיימא גדל, השקעה בידע קהילתי מיקרוביאלי ושליטה ישלם דיבידנדים: עתיד טיפול במים מזין אינו רק על בניית טנקים גדולים יותר או הוספת כימיקלים; הוא על מטפחים מידע כימי מדהים של 3.

על ידי הצבת אקולוגיה מיקרוביאלית במרכז עיצוב הטיפול ופעולה, אנו יכולים לבנות מערכות מים פסולת כי הם יעילים יותר, יותר גמישים, וטוב יותר לסביבה.הבנת התפקיד של קהילות מיקרוביאליות אינה רק פעילות אקדמית - זהו צורך מעשי למים נקיים של המחר.