התפקיד הקריטי של Aeration בטיפול בשפכים ביולוגיים

כורים ביולוגיים יוצרים את הלב של צמחי טיפול במים מודרניים, להסתמך על קהילות מיקרוביאליות מנוהלות בקפידה כדי לשבור את המזונאים האורגניים ולהסיר חומרים מזינים כמו חנקן ו זרחן. בין הפרמטרים התפעוליים הרבים המכתיבים ביצועים, הרציה בולטת הן כצרכן אנרגיה ראשוני והן גורם מכריע בהורדת יעילות הסרה תזונתית.

מאמר זה מספק בדיקה מקיפה של היחסים בין אסטרטגיות של הצתה לבין הסרת חנקן ו זרחן בכורים ביולוגיים.We נבחן את המנגנונים המיקרוביולוגיים הבסיסיים, להשוות שיטות הפחתת נפוצות, ונדון גישות אופטימיזציה מעשיות הנתמכות על ידי מחקר נוכחי ופרקטיקה בתעשייה.

מימון של מגיבים ביולוגיים עבור חומרים מזינים

תהליכי טיפול ביולוגיים מנצלים את היכולות המטבוליות של המיקרואורגניזמים כדי להפוך את המתמוססים והשעה את המזועים למוצרים בלתי מזיקים או ביומסה שניתן להפריד בין המים הנטופים.עבור חנקן וזרחן, קבוצות ספציפיות של חיידקים ומיקרובים אחרים מעובדים בתנאים מבוקרים התומכים בפעילותם.

אווירבי, Anoxic ו- Anaerobic Zones

העיצוב של כורים ביולוגיים משלב בדרך כלל אזורים נפרדים עם תנאי חמצן שונים כדי לתמוך בתגובות המשתנים הנדרשים להסרת תזונה מלאה.

  • (FLT:0) אזורי אירוביים FLT:1 נשמרים עם ריכוזי חמצן מבוזר (DO) בדרך כלל בין 1.5 ל 4 מ"ג / L. חמצן מסופק על ידי aeration, המאפשר חיידקים heterotrophic אירובי לצרוך חומר אורגני ו nitrators autotroc כדי חמצון חמצון ammonia.
  • (FLT:0) אזורי אנקסיקוליום FLT:1 לא מכילים חמצן מומס, אבל אולי יש נוכחות ניטר.כאן, חיידקים יונקים משתמשים בניטראט כמקבל אלקטרוני לפירוק, מה שממיר אותו גז חנקן.
  • (FLT:0) אזורי אנירוביות (Anaerobicische) 1 הם לחלוטין ללא חמצן וחנקן.תנאים אלה הם קריטיים להפצתם של אורגניזמים מחוסנים (PAOs), אשר מאחסנים חומצות שומן תנודתיות, ולאחר מכן להשתמש בהם בתנאים אירוביים כדי לעקוף זרחן מעבר לצרכים המטבוליים שלהם.

כיצד החלת ההצתה על פני אזורים אלה – או כיצד אזורים נוצרים באמצעות עיקול לסירוגין – משפיעה באופן ישיר על יעילות ההסרה של חנקן וזרחן.

Nitrogen Removal Mechanisms ו Aeration

הסרת Nitrogen בכורים ביולוגיים כוללת שני שלבים עיקריים: nitrification ו denitrification. מספר גדל והולך של צמחים גם לנצל את תהליך האממוקס להסרת חנקן יעילה באנרגיה, אם כי זה דורש תנאים ספציפיים מאוד.

חנק: הצעד החמצן-Demanding

(ה) ניטראטציה היא תהליך אירובי שני של חיידקים צ'מוליטיים (AOB) המבוצע על ידי חיידקים צ'מוליטיים ( ⁇ ototrophic) chemolithoautotrophic. First, ammonia-oxidizing חיידקים (AOB) כגון חיידקים ניטראט (NH3) לחנקן) 2, השני, ניטראט (NOB) כגון: 4 מ"מ"מ"מ"ל) ניטראט (N2F) ניטראט (NNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNH) ניטראט) ניטראט) 3D) ניטראט) ניטראט (NNNNNNNNNNNNNNNNNNH) ניטראט (NN2D) ניטראט) ניטראט) ניטראט) ניטראט (NH) ניטראט (NNNNH3TNH3) לחמצן (NH3) ל-NH3) ל-NH3) לחמצן (NH3) ל-NH3) ל-NH

(FLT:0) עוצמת הארכה ומשך הזמן חייבים להיות מספיקים כדי לשמור על רמות DO שאינן מגבילות את פעילות AOB ו- NOB.IRFLT:1 להלן ריכוזים של כ-0.5 מ"ג / L, קצב ההנעה יורד בחדות.עם זאת, גבוה מדי לא רק לבזבז אנרגיה אלא גם יכול לעכב את הניתוק באזורים תאוקסימיים על ידי ביצוע חמצן לתוכם.

המונחים: Anoxic Reduction Pathway

דניטרציה היא ההפחתה של ניטריט לגז חנקן (N2) על ידי חיידקים heteroטרופיק בתנאים oxic. החיידקים האלה דורשים מקור פחמן, בדרך כלל החומר האורגני הנוכחי במים השפכים, ולהשתמש בניטראט כמקבל אלקטרוני במקום חמצן.מכיוון שהחמצן מעכב את האנזים המידרדרים, נוכחותם של רמות נמוכות אפילו של חמצן באזור החמצן יכול לפגוע קשות בחנקן.

לכן, אסטרטגיה יעילה של שאיפה חייבת להיות מחולקת:0 ליצור הפרדה ברורה בין אווירובית לבין תנאי חמצון: 1, בין אם במרחב (בטנקים או אזורים נפרדים) או קצב (על ידי רכיבה על אופניים ולמעלה).

אנמוקס: אלטרנטיבה ל- Low-Oxygen

תהליך אנמוקס (דלקת אמוניום אמונובי) מציע קיצור דרך במחזור החנקן, שבו אמוניה מוחמצן ישירות גז חנקן באמצעות nitrite כתורם אלקטרוני, ללא צורך בצעד חד-חמצני נפרד. אספירין אנמוקס הם אוטוטרופיק ודורש רק ריכוזים נמוכים מאוד (פחות מ-0 מ"ג / L) עבור החנק חלקי שמייצרת תגובה רגשית, ולהפחית באופן משמעותי של טיפול תרופתי.

Phosphorus Removal Mechanisms and Aeration Effect

הגדלת ה זרחן הביולוגי (EBPR) מסתמכת על ההעשרה של אורגניזמים פוליפוס-אקומניים (PAOs) חיידקים אלה חלופיים בין תנאי אנירובי וארוביים כדי לקחת זרחן רחוק יותר מאשר דרישות הצמיחה שלהם.

מעגל PAO

  • תחת השם FLT:0 â € â € ¢ â, ¢ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • תחת ה-FLT:0 (aerobicische תנאים) 1, PAOs מחמצן את PHAs המאוחסנים כדי ליצור אנרגיה, בו זמנית לקחת אורתופוספט מן המים הפסולת ו מסנכרזת חומרים פוליפוספוספט.זה עולה על פוספט שוחרר בשלב אנירובי, וכתוצאה מכך הסרת זרחן נטו כאשר ה-phosphorus-richmassriches.

השפעה על פשטטוס

אסטרטגיית ההנעה משפיעה ישירות על תהליך EBPR בכמה דרכים:

  • (FLT:0) ייצור של תקופת האירוביות LT:1 חייב להיות מספיק זמן עבור PAOs כדי חמצון מלא מאוחסנים PHAs ולקחת פוספט.זמני אירובי קצר להוביל לזרחן בלתי שלם, בעוד תקופות ארוכות מדי של פסולת אנרגיה ועלולים לקדם צמיחה GAO.
  • (FLT:0) ריכוזיבוד (FLT:1) באזור אירובי יש לשמור על 2-3 מ"ג / L כדי להבטיח כמות מספקת של חמצן למטבוליזם PAO התחתונה יכול להגביל את חמצון PHA ולהקטין את שיעורי הפחתת עלייה. DO גבוה יותר עשוי להפשיט פחמן דו חמצני מאלכוהול מעורב, פוטנציאל להשפיע על pH ומאזן הקהילה המיקרובי.
  • (FLT:0) הקריבר של חמצן טהור (FLT:1) מן האירובי לאזור אנירובי (בשל מחזור פנימי או שילוב לא מספיק) מציג חמצן לתוך אזור אנירובי, מעכב פעילות PAO וצמצום שחרור זרחן.

אסטרטגיות של תסכול ואפקטים שלהם

כמה שיטות של התחדשות משמשים בכורים עירוניים ותעשייתיים.כל אחד יש מאפיינים נפרדים המשפיעים על יעילות העברת חמצן, ערבוב, ובסופו של דבר חומרים מזינים להסרת חומרים.

Diffuse Aeration (Fine and Coarse Bubble)

מערכות ההרחבה Diffuse משחררות אוויר דרך קרום מחוננים, דיסקים או צינורות הממוקמים בתחתית הכור.FLT:0Fine בועות מטבוליות מלוטש 1 מייצרים בועות קטנות מאוד (1-3 מ"מ) עם יעילות העברת חמצן גבוהה (בדרך כלל 20–40% מטר של עומק מים).

(FLT:0) בועה של קוארזה diffusersFreaLT:1) לייצר בועות גדולות (10-15 מ"מ) עם יעילות העברת חמצן נמוכה (~5-15% למטר) הם משמשים לעתים קרובות לשילוב ולא להעברה חמצן, במיוחד בתעלות חמצון או כחלק ממערכת משולבת של חנק/שילוב.

בשני הסוגים, המיקום והדחיסות של מטבולנים ניתן לתכנן כדי ליצור ⁇ של DO ברחבי הכור, המאפשר ניטרינג בו זמנית וניתוק במיכל אחד (SND) זה מושג על ידי בעל גבוה יותר לעשות ליד המטבולים בתחתית ותחת DO בחלק העליון, או באמצעות הפסקת אש.

משטח Aeration

מאיצים משטח, כגון מאיצים משטח מכני (למשל, צפים או קבוע יחידות מהירות גבוהה), להסוות את פני המים כדי להמריץ חמצן מהאווירה.הם פשוט יותר בתכנון ודורשים פחות אובדן ראש מאשר מערכות מטבולות.עם זאת, החייאה על פני השטח בדרך כלל מספקת פחות הפצה אחידה או אגן עמוק.החמצן תלוי מאוד על זעזועים ויכול להיות מושפע על ידי קירור נמוך יותר, אפילו חלקי חמצן, אשר לעתים קרובות יכול להיות מסוגל להיות מסוגל להיות מסוגל להיות מסוגל להחליף חלק בלתי מוגבל של נוזל חמצן.

Jet Aeration

מאיצים של Jet משלבים מטוס מים עתיר עם זרם אוויר, יצירת פיזור עדין של בועות ב nozzle. הם מציעים העברה חמצן טובה וניתן להציב זרימה ישירה לתערובת. Jet aeration יכול להיות יעיל בהשגת רמות DO גבוהות בנפח קטן יחסית, שימושי עבור כורים ביולוגיים עמוקים או יש ביקוש גבוה חמצן.

Membrane Aeration (MABR)

Membrane aerated biofilms (MABR) מייצג טכנולוגיה עדכנית יותר שבו חמצן מסופק באמצעות צינורות גז-סבירים-כימות. biofilms לגדול ישירות על פני השטח membrane, מקבל חמצן מהצד membrane תוך כדי צריכת חנק לתוך אזורי נוזל חד פעמית (Ricialus) יכול לשפר את החמצן המשולבת באופן קבוע (Ricial) עם קיבולת קירור גבוהה מאוד.

אופטימיזציה של Aeration for Acent Removal: I לסירוגין ואסטרטגיות מטומטמות

מעבר לשיטת ההצתה הפיזית, התבנית הזמנית של משלוח אוויר ממלא תפקיד מכריע ביצירת התנאים המשתנים הדרושים להסרת חנקן וזרחן מוחלט.

המונחים: aeration

לסירוגין מחזורי אספקה אווירית על פני זמן, יצירת תנאים אירוביים ו anoxic של אותו כור.זוהי גישה נפוצה ב ריצוף כורים (SBRs) וכמה מערכות זרימה רצופות. במהלך שלב האירובי, nitrification מתרחשת ו PAOs לקחת זרחן. במהלך שלב תאוקסי, לאחר שלב דלקתי יכול להכין את שלב ה- PAOstrosic לאחר מכן הוא השלב הבא של דלקת מפרקים.

התזמון של המחזור הוא קריטי.אם השלב האירובי קצר מדי, אמוניה ופוספט לא ניתן להסיר לחלוטין.אם זה ארוך מדי, ניטריט עשוי לצבור ולהילקח לשלב האנקסי הבא, מעכב denitrification ואכילה ניטראט לתוך אזור אנירובי, אשר משבש EBPR טיפוסי / aerobicic זמני מכמה שעות, בהתאם למחזור דינמי, כלומר, כלומר, למחזור דינמי יותר ויותר, ל- 30 שעות, קריפטפטפטפטומטי, יותר ויותר, יותר ויותר, יותר ויותר, למחזור דינמי, לחיישנים דינמי, כלומר, קריפטומטר, יותר ויותר, קריפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטפטים, יותר ויותר, יותר ויותר, יותר ויותר, יותר ויותר, יותר ויותר, יותר ויותר, יותר ויותר, כלומר, כלומר, יותר ויותר, כלומר, קריפטפטפטפטפטפטפטמיים, יותר ויותר, יותר ויותר, יותר ויותר, יותר ויותר, חיישנים דינמי.

תגית: Aeration

הצתה המפוחדת כוללת אספקת כמויות מופחתות של אוויר לאורך זמן של כור תקע-זרם. at the inlet, העומס האורגני הוא הגבוה ביותר, הדורש חמצן נוסף עבור חמצון פחמן. כמו המים השפכים זורם דרך הכור, הביקוש החמצן יורד, ואספקת האוויר מופחתת בהתאם. גישה זו חוסכת אנרגיה ויכולה גם ליצור אזורי חמצון טבעיים לקראת סוף החמצן, קידום הפחתת הנקה ראשונית, לא ניתן לתקן את התוספתן.

שלב-הפעולה

הנקה משלבת את הזרם המשפיע לתוך נקודות כניסה מרובות לאורך הכור.האסטרטגיה זו מפיצה את העומס האורגני באופן יותר, צמצום הביקוש לחמצן הנשגב. זה גם יוצר תבניות שחזור פנימי שיכולות לשפר את הניתוקציה. מנקודת מבט של הסרת חומרים מזינים, הנקה בשלב ניתן להשתמש כדי ליצור מספר אזורי אווירוביים / ניקה, שיפור חנקן.

מחקרים ותצפיות מעשיות

מחקר ונתונים צמחיים בקנה מידה מלא מוכיחים באופן עקבי כי אופטימיזציה של אסטרטגיית ההנעה יכולה להביא שיפורים משמעותיים בהסרה תזונתית תוך צמצום צריכת האנרגיה.

  • מחקר במפעל עירוני בדנמרק המיר מבועה קוארזה ועד לבועות דקות ומימוש של עיקור לסירוגין בהתבסס על חיי אמוניה בזמן אמת.הההסרה של ניטרוגן השתפרה מ-70% ל-92%, הסרת זרחן עלתה מ 80% ל-95%, ואנרגיה של הפסקת אש ירדה ב-25%.
  • בתעלה של חמצון בקנה מידה מלא באמצעות מאיצים על פני השטח, מפעילי מצאו כי הפעלת שני של ארבעה מאיצים יצרה ברציפות אזורי מת עם DO נמוך, הגבלת ניטרינג. על ידי מעבר דפוס משתנה שבו שני מאיצים רצו במשך 90 דקות ואחריו 30 דקות של תערובת oxic, הם השיגו denitrification כי כבר נעדר, חיתוך ניטראט על ידי 40% ללא אנרגיה נוספת.
  • MABR רטרופיט במפעל בקנדה אפשרה למתקן להכפיל את יכולת הטיפול שלה להסרת חנקן תוך צמצום האנרגיה של ההצתה על ידי יותר מ -70%.מבנה הביו-סרטום אפשר ניטרציה ופירוק, והתהליך המשיך שטף טוב כאשר אזור אנירובי נוסף על הזרם.

דוגמאות אלה מדגישות כי אין אסטרטגיה של הרצה אחת פועלת באופן אוניברסלי.הגישה הטובה ביותר תלויה בתצורה, כוח מים פסולת, טמפרטורה ומגבלות השחרור.

מערכות אנרגיה ובקרה

הצתה בדרך כלל מהווה 50–70% מצריכת האנרגיה הכוללת של צמח הפסולת.אופטימיזציה של ההסרה לסינון תזונתי היא אפוא חובה סביבתית וכלכלית.מערכות בקרה מתקדמות מאומצות כעת באופן נרחב כדי להתאים את ההצתה בזמן אמת בהתבסס על חיישנים מקוונים.

(FLT:0) Ammonia מבוסס שליטה (ABACillo) 1 משתמש חיישנים אמונוניים או אמוניום כדי לשנות את זרימת האוויר. כאשר אמוניה גבוהה, יותר אוויר מסופק לנהוג ניטרציה; כאשר אמוניה נמוכה, זרימת האוויר מופחתת, חיסכון באנרגיה ומאפשרת ניתוק להתרחש.

(FLT:0)שליטה הלולאות של שליטה (FLT:1) הן הצורה הבסיסית ביותר של אוטומציה, אבל הם לעתים קרובות לא מגיבים במהירות כדי לטעון שינויים. Cascade שליטה המשתמשת ammonium כמשתנה העיקרי ולעשות כמשתנה משני יעיל יותר.עבור הסרת זרחן, בקרה נוספת של זמן מגע אנירובי ושיעורי שחזור פנימי נדרש כדי למנוע חמצן.

(FLT:0) חיישנים תזונתיים בזמן אמת מטבוליזם 1 (FLT:1 ⁇ ) עבור אורתודופט ו nitrate הופכים להיות יותר סביר וחזק, המאפשר שליטה משולבת באמת של הסרת חנקן ו זרחן. Aeration יכול להיות מותאם כדי לשמור על ריכוזים נוחים הרצויים תוך צמצום קלט חמצן.

מגמות עתידיות ודרכים מחקר

המרדף אחר גבולות השחרור והיעילות האנרגטית ממשיך להניע חדשנות באסטרטגיות של התגרות.תחומים רבים של מחקר ופיתוח פעיל מבטיחים לחדד את היחסים בין הצתה וההסרה התזונתית:

  • (FLT:0)AI ו- MachineBuildFLT:1) הם מיושמים על נתוני צמח היסטוריים כדי לחזות לוחות זמנים אופטימליים עבור תנאים בלתי-השפעה.מודלים אלה יכולים לקחת בחשבון אינטראקציות מורכבות בין טמפרטורה, טעינה ודינמיקה מיקרוביאלית כי לולאות בקרה פשוטות לא יכולות.
  • (FLT:0) ייצור חמצן מתאים 1FLT באמצעות שיטות אלקטרוכימיות או פוטו-קטליטיות יכול לחסל את הצורך במכות אוויר קונבנציונליות, אם כי טכנולוגיות אלה עדיין אינן בוגרות בקנה מידה מלא.
  • (FLT:0) כורים של טיהור זחלים מקיפים, אשר מאפשרים אזורי אווירוביים וחמצן בתוך גרגר יחיד.Aeration אסטרטגיות עבור מערכות גרניט להתמקד למניעת פירוק חומרים מיקרוביאליים תוך הבטחת חדירה מספקת של חמצן עבור חנקן מוקדם.
  • (FLT:0Microaeration and low-do תפעולsFLT:1) עבור הסרת חנקן אוטומטי (anammox) הם אופטימיזציה לדכא NOB תוך שמירה על פעילות AOB. זה דורש שליטה מדויקת של DO בטווח 0.1-0.3 מ"ג / L, אשר מאתגר אך מציע חיסכון באנרגיה גדולה.

מסקנה

ההשפעה של אסטרטגיות של חנקן ו זרחן להסרת כורכו ביולוגיים היא עמוקה.מערכות הפעלה מעוצבת ומבוקרת ליצור את התנאים הדרושים לחיידקים ניטראטיים, ממריצים, ו PAOs לתפקד ביעילות. Diffuse aeration, במיוחד מערכות בועות דקות, בדרך כלל מספק הפצה חמצן מעולה וגמישות להסרת חומרים מזינים.

עם שאיפה לצרוך חלק גדול של אנרגיה צמחית, אופטימיזציה אינה אופציונלית - חיוני עבור ניתוח בר קיימא.שילוב של חיישני בזמן אמת ואלגוריתמי בקרה מתקדמים משנים את האופן שבו צמחים מנהלים רציה, ומאפשר להם לעמוד במגבלות תזונתיות מחמירות תוך חיתוך צריכת אנרגיה. כמו טכנולוגיות חדשות כמו MABR ו כורים סלפטולריים מתקדמים, הם מבטיחים אפילו יעילות גדולה יותר.