Progresso da pesquisa sobre operação de processos e aplicação de MBBR Sistemas em Baixas Temperaturas
Visão geral
O processo Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) é uma das tecnologias de tratamento de águas residuais de biofilme amplamente utilizadas atualmente. Comparado aos processos convencionais de lodo ativado, o MBBR oferece vantagens como qualidade eficaz do efluente, forte resistência a cargas de choque e nenhuma necessidade de retorno ou retrolavagem do lodo. Durante o período-de baixas temperaturas no inverno, especialmente nas regiões do norte e nos planaltos do sudoeste, as temperaturas do ar podem facilmente cair abaixo de 5 graus e as temperaturas da água podem cair abaixo de 15 graus. Baixas temperaturas podem levar à não{6}}conformidade de indicadores de efluentes, como Demanda Química de Oxigênio (DQO), nitrogênio amoniacal e nitrogênio total em sistemas MBBR. A remoção de nitrogênio do biofilme inclui nitrificação aeróbica e desnitrificação anóxica, e a temperatura é um dos principais fatores que afetam esses processos. À medida que as temperaturas diminuem, a taxa de nitrificação das bactérias nos sistemas de lamas activadas diminui gradualmente, com uma redução significativa na capacidade de nitrificação quando as temperaturas descem abaixo dos 8 graus. Este artigo aborda sistematicamente a operação de processos MBBR sob condições-de baixa temperatura a partir de aspectos como comunidades microbianas, tecnologias de aprimoramento de transportadores e combinações e manipulação de processos, fornecendo referências para pesquisas e aplicações futuras.
1. Pesquisa sobre comunidades microbianas em sistemas MBBR de baixa-temperatura
Atualmente, o processo central nas estações de tratamento de águas residuais é o tratamento biológico.As baixas temperaturas no inverno (menores ou iguais a 15 graus) inibem a atividade das bactérias nitrificantes nos biorreatores, afetando o processo de nitrificação e limitando a capacidade de remoção de nitrogênio do sistema. As bactérias nitrificantes são autotróficas, com longos ciclos de geração e sensíveis às mudanças de temperatura, com uma faixa ideal de temperatura de crescimento de 20 a 35 graus.
1.1 Atividade Microbiana
Os biofilmes nos reatores MBBR crescem ligados às superfícies transportadoras, apoiando o crescimento de microrganismos com longos ciclos de geração, aumentando assim o conteúdo de bactérias nitrificantes no sistema. Comparado aos processos de lodo ativado, o MBBR apresenta um desempenho de nitrificação mais forte em baixas temperaturas, tornando-o amplamente utilizado no tratamento-de águas residuais em baixa temperatura. A baixa temperatura é um dos fatores ambientais importantes que afetam o desempenho da nitrificação deste reator. A redução da temperatura leva à diminuição da fluidez da membrana celular e da catálise enzimática, redução do transporte de material e das taxas metabólicas, afetando assim a estabilidade das estruturas secundárias dos ácidos nucleicos e inibindo a replicação do DNA, a transcrição e a tradução do mRNA. Quando as temperaturas caem abaixo do ponto de congelamento citoplasmático, formam-se cristais de gelo dentro das células, causando graves danos estruturais. Estudos de Qiu Tian et al. mostrou queas atividades de oxidação de amônia e oxidação de nitrito do biofilme MBBR a 10 graus foram 55% e 56% daquelas a 20 graus, respectivamente. Zheng Zhijia et al. testaram as taxas de nitrificação de lodo ativado emuma estação de tratamento de águas residuais no verão (20 graus) e no inverno (8 graus), descobrindo que a taxa de nitrificação do nitrogênio amoniacal a 8 graus era de 48,5% daquela a 20 graus. O impacto da baixa temperatura na capacidade de nitrificação dos tanques bioquímicos inclui dois aspectos: em primeiro lugar, a baixa temperatura afecta a actividade das comunidades de bactérias nitrificantes e, em segundo lugar, as baixas temperaturas prolongadas reduzem a população de bactérias nitrificantes nas lamas activadas.
1.2 Competição da Comunidade Microbiana
Como as bactérias nitrificantes são autotróficas, outras comunidades microbianas impactam significativamente o processo de nitrificação e competem fortemente com as bactérias nitrificantes. Houweling et al. conduziram experimentos de processo MBBR, mostrando que a 4 graus, o MBBR tem certo potencial de nitrificação, mas o crescimento excessivo de microrganismos heterotróficos dentro do sistema reduziu a taxa de nitrificação até certo ponto. Shao Shuhai et al. indicaram que o efeito de remoção de nitrogênio do MBBR de estágio único não é ideal devido à competição entre bactérias nitrificantes e heterotróficas. Han Wenjie et al. estudaram mudanças na comunidade microbiana e padrões de distribuição biológica em uma estação de tratamento de águas residuais usando processos híbridos MBBR durante estações de baixa-temperatura, descobrindo que o número de espécies microbianas em biofilmes transportadores suspensos era menor do que em lodo ativado do mesmo sistema, com distribuição desigual de espécies. A adição de transportadores suspensos melhorou a diversidade microbiana no sistema, enquanto os modos influente e operacional tiveram certa seletividade na composição da comunidade microbiana. Wu Han et al. tratamento simulado de águas residuais domésticas usando três reatores MBBR de batelada sequencial com diferentes tipos de enchimento. Ao reduzir gradualmente as temperaturas (25, 20, 15, 10, 6 e 5 graus) para cultivar e aclimatar biofilmes para águas residuais de baixa-temperatura, eles descobriram que diferentes microrganismos dominavam os três reatores. Os resultados de sequenciamento de alto rendimento mostraram que, a 5 graus, os microrganismos que degradam a matéria orgânica eram predominantes em todos os três reatores; um reator aclimatou e enriqueceu com sucesso bactérias nitrificantes psicrofílicas, enquanto os outros dois tiveram maior abundância de bactérias fixadoras de nitrogênio- desfavoráveis à remoção de nitrogênio.
1.3 Aclimatação de Microrganismos Psicrofílicos
A tecnologia de aprimoramento de aclimatação e enriquecimento para comunidades microbianas dominantes em baixa-temperaturaé um método eficaz para melhorar a eficiência operacional e a estabilidade do MBBR sob condições de-baixa temperatura. Através da indução progressiva e do cultivo otimizado, as populações dominantes são selecionadas e aplicadas, utilizando a forte tolerância das comunidades microbianas para reduzir o impacto das baixas temperaturas, oferecendo potencial de estabilidade-de longo prazo. Wang Dan et al. descobriram que, sob condições de baixa-temperatura no inverno, a adição de lodo ativado contendo comunidades microbianas-tolerantes ao frio para obter um biorreator híbrido simbiótico de biofilme-de lodo ativado ofereceu vantagens como inicialização rápida, rápida formação de biofilme e efeitos de tratamento estáveis. Delatolla et al. descobriram que a descarbonização do sistema em 1 grau aumentou a biomassa ativa nitrificante, engrossou o biofilme, aumentou efetivamente o número de células viáveis durante a operação em baixa-temperatura e melhorou o desempenho de nitrificação do sistema. Além disso, NO, N₂H₄, NH₂OH, etc., são intermediários principais que estimulam o processo de oxidação anaeróbica do amônio (anammox) e aliviam a inibição das bactérias anammox pelo NO₂. Zekker et al., em um estudo tratando águas residuais de alta{16}concentração (concentração de nitrogênio amoniacal 740 mg/L) com um sistema MBBR, descobriram que a adição de NO acelerou significativamente o processo anammox, e a abundância de bactérias oxidantes-de amônia aumentou proporcionalmente durante a operação do sistema.
2. Pesquisa sobre tecnologias de aprimoramento de operadora para MBBR em baixas temperaturas
A seleção de enchimentos MBBR suspensos é uma das principais tecnologias deste processo para tratamento de águas residuais e um fator chave que afeta a eficiência do processo e os custos de engenharia. Os tipos de enchimento comumente usados incluem enchimentos alveolares, enchimentos semi{1}macios e enchimentos compostos, entre outros. As aplicações práticas podem encontrar problemas como entupimento do enchimento, aglomeração e envelhecimento. Sob condições-de baixa temperatura, a formação de biofilme em enchimentos MBBR é mais lenta, potencialmente prolongando os períodos de inicialização do equipamento, dificultando a operação normal do processo, resultando em baixa resistência à carga de choque e não conseguindo alcançar os efeitos esperados do tratamento. Os suportes suspensos MBBR usados industrialmente variam em tamanho e formato e são feitos de polímeros de alto peso molecular, como polietileno de alta-densidade (HDPE), polietileno (PE) ou polipropileno (PP) por meio de métodos como extrusão por fusão ou granulação. Com a aplicação de engenharia em grande-escala desse processo, a variedade de transportadoras comerciais aumentou gradualmente. O projeto e o processamento do transportador podem ser adaptados à qualidade da água e às características de crescimento microbiano, permitindo otimização e melhoria direcionadas para aprimorar os sistemas de biofilme MBBR sob condições-de baixa temperatura. Em aplicações práticas, as modificações do transportador concentram-se principalmente na melhoria da área de superfície específica, hidrofilicidade, bio{12}}afinidade, propriedades magnéticas, etc., para melhorar a transferência de massa do transportador, a formação de biofilme e o desempenho do tratamento de águas residuais.
2.1 Carregamento Magnético
A pesquisa atual explorou o uso de campos magnéticos para otimizar a capacidade de tratamento de águas residuais da MBBR em baixas temperaturas.Campos magnéticos de determinadas intensidades podem melhorar a remoção de poluentes em processos de tratamento biológico. Sob campos magnéticos fracos, os poluentes orgânicos são enriquecidos na superfície dos portadores biológicos magnéticos através de agregação e adsorção magnética, auxiliados por forças magnéticas, forças de Lorentz e efeitos magneto-coloidais. Dentro de uma faixa de intensidade apropriada, os campos magnéticos podem melhorar a utilização do oxigênio microbiano, aumentar o metabolismo do crescimento microbiano e a atividade enzimática e aumentar a permeabilidade da membrana celular. Jing Shuangyi et al. estudaram os efeitos comparativos da adição de transportadores magnéticos [polietileno, pó magnético de neodímio ferro boro (Nd₂Fe₁₄B) e poliquatérnio-10 (PQAS-10), etc.] versus transportadores comerciais em reatores MBBR. Os resultados mostraram que, sob condições de baixa-temperatura, os transportadores magnéticos melhoraram significativamente a atividade de nitrificação do biofilme, promoveram a secreção de substância polimérica extracelular (EPS) e mantiveram e melhoraram a morfologia e a estrutura do biofilme. Os transportadores magnéticos enriqueceram mais gêneros de bactérias nitrificantes, com abundâncias relativas de bactérias oxidantes de amônia e bactérias oxidantes de nitrito aumentadas em 1,82 vezes e 1,05 vezes, respectivamente, em comparação com transportadores comerciais, e aclimataram e enriqueceram dois gêneros únicos de bactérias nitrificantes.
2.2 Modificação da Transportadora
Além da carga magnética, a modificação da afinidade de materiais transportadores tradicionais, como o polietileno, também é uma forma importante de melhorar o desempenho da formação de biofilme de enchimento. Sun Bo et al. usou novos enchimentos nano suspensos para tratar águas residuais domésticas-de baixa temperatura. A 10-12 graus, o período de formação de biofilme para nano-enchimentos foi inferior a 18 dias, mais curto do que outros enchimentos, com taxa de remoção de DQO do sistema estável em cerca de 75%, demonstrando um bom valor de promoção. Ren Yanqiang et al. usou enchimentos suspensos em favo de mel feitos de materiais de liga de polímero altamente hidrofílicos para tratar efluentes do tanque de sedimentação primário de uma estação de tratamento de águas residuais sob condições-de baixa temperatura. Os resultados indicaram que esses enchimentos suspensos melhoraram efetivamente a capacidade de fixação de microrganismos-ativos de superfície, ajudando a melhorar os efeitos do tratamento do processo MBBR. Han Xiaoyun e outros. usou espuma macia de poliuretano com uma estrutura de poros desenvolvida como transportador imobilizado para fixar comunidades microbianas eficientes-tolerantes ao frio, separadas do lodo ativado. Depois de adicionar esse enchimento ao reator, os efeitos do tratamento de poluentes melhoraram significativamente, com taxa de remoção de DQO de 82% e taxa de remoção de demanda bioquímica de oxigênio (DBO) de 92% sob condições de baixa-temperatura. Chen et al. usou um processo MBBR com enchimento de gel de álcool polivinílico (PVA) inoculado com bactérias HN-AD para tratar águas residuais de criação de gado e aves em vez de lodo ativado. Sob diferentes proporções de carbono-para{25}}nitrogênio (C/N), o desempenho de diferentes transportadores variou significativamente. A estrutura porosa do gel PVA proporcionou proteção às bactérias, resultando em um desempenho mais estável. A análise microbiana mostrou que o processo MBBR com transportadores de gel PVA favoreceu o crescimento de bactérias autotróficas e bactérias HN-AD (Paracoccus e Acinetobacter).
3. Combinação de Processos e Regulação do MBBR em Baixas Temperaturas
Este sistema possui requisitos únicos para a formação de biofilme em superfícies de enchimento, destacando a importância da combinação de processos e regulação. A nitrificação estável no MBBR pode ser alcançada através da regulação dos parâmetros e proporções do processo; compensar os efeitos da baixa temperatura através de restrições mais rigorosas é um método relativamente direto e eficaz.
3.1 Aeração
O processo MBBR é atualmente aplicado principalmente em ambientes aeróbicos. A taxa e o método de aeração no reator afetam diretamente o teor de oxigênio dissolvido (OD) no sistema e as características de formação de biofilme, influenciando assim o nível de degradação dos poluentes. Chen Long et al., durante o tratamento de águas residuais industriais, abordaram efetivamente as dificuldades na formação de biofilme usando medidas como aeração em lote, alcançando uma taxa de remoção de DQO de 95,5% e uma taxa de remoção de nitrogênio amoniacal de 91%. Persson et al. utilizou MBBR para tratar águas residuais mistas de resíduos de cozinha e água negra após pré-tratamento anaeróbico a 10 graus, alcançando nitrificação completa por meio de aeração intermitente. Bian et al. descobriram que o controle de uma proporção constante entre OD e concentração total de nitrogênio amoniacal otimizou os efeitos do efluente em baixas temperaturas; quando a relação de controle não excedeu 0,17, o processo de nitrificação permaneceu estável a 6 graus.
3.2 Proporção de carbono-para{2}}nitrogênio (C/N)
Existe uma competição óbvia entre bactérias nitrificantes e heterotróficas; portanto, a regulação C/N torna-se um parâmetro importante que afeta o equilíbrio entre a matéria orgânica e a degradação do nitrogênio no sistema. Chen et al. mostraram que em sistemas MBBR, quando C/N estava entre 4–15, a taxa de remoção de DQO estava acima de 90%. Quando C/N diminuiu para 1, a taxa de remoção de DQO caiu significativamente. A eficiência de remoção de nitrogênio amoniacal do sistema primeiro aumentou e depois diminuiu com a redução de C/N. Chen et al. explorou o impacto da C/N no desempenho de um reator A/O{10}}MBBR que trata águas residuais da maricultura.Os resultados indicaram que a redução da C/N é benéfico para melhorando a eficiência de remoção de DQO e nitrogênio amoniacal.
3.3 Tempo de Retenção Hidráulica
O Tempo de Retenção Hidráulica (TRH) determina a carga de lodo ativo dentro do sistema de reação. Um TRH muito alto ou muito baixo pode afetar a eficiência do tratamento e os custos de construção/operacionais dos sistemas MBBR. A seleção de um HRT razoável é crucial para a operação estável do sistema. Van et al. aplicou MBBR para controle de poluição agrícola de fonte difusa em baixas temperaturas. A pesquisa mostrou que a 5 graus, à medida que o HRT diminuía, a eficiência de remoção de poluentes diminuía significativamente, sendo 8 horas o tempo mínimo de retenção para garantir a desnitrificação do nitrato em gás nitrogênio. Wang Chuanxin et al. águas residuais domésticas tratadas com sistema de biofilme anóxico/aeróbio, com foco nas características de nitrificação e desnitrificação simultâneas em MBBR a baixas temperaturas. Os resultados mostraram que o sistema se adaptou bem às quedas sazonais de temperatura, estendendo o HRT, estabilizando as concentrações de DQO e de nitrogênio amoniacal nos efluentes para atender aos padrões. Shitu usou um novo enchimento de esponja como transportador de biofilme MBBR para estudar seu efeito no tratamento de água em diferentes HRTs. Os resultados indicaram que os efeitos do tratamento da água foram melhores no TRH de 6 horas. Zhao Wenbin et al. mostraram que o HRT ideal para remoção de poluentes em águas residuais por sistemas MBBR sob condições de baixa-temperatura foi de 24 horas. Han Lei et al. estudaram a taxa de remoção de poluentes quando o TDH foi reduzido de 15,4 h para 11,0 h em um processo combinado de vala de oxidação DE + MBBR. Os resultados mostraram que à medida que o HRT encurtava, a eficiência de remoção de poluentes diminuía gradualmente, mas a qualidade do efluente ainda poderia atender aos requisitos de qualidade da água, refletindo a forte resistência à carga de choque do sistema MBBR.
3.4 Combinação de Processos
Deng Rui et al. estudou um processo MBBR de-A/O-de dois estágios para tratamento de águas residuais municipais. Sob condições de baixa temperatura da água e baixa concentração de afluentes, este processo combinado demonstrou forte resistência à carga de choque e adaptabilidade à temperatura, operação estável e operação conveniente, mostrando boas perspectivas de aplicação no tratamento de águas residuais. Luostarinen et al. estudaram os efeitos do tratamento do processo MBBR em águas residuais de laticínios após pré-tratamento anaeróbico a baixas temperaturas. Os resultados mostraram que o processo poderia remover 40% a 70% de DQO, 50% a 60% de nitrogênio, e a combinação de manta de lodo anaeróbico de fluxo ascendente (UASB) e MBBR poderia remover 92% de DQO, 99% de DBO e 65% a 70% de nitrogênio. Ru Chun et al. usou um processo Bardenpho-MBBR modificado + precipitação com carga magnética para renovar uma estação de tratamento de águas residuais. Ao ajustar os pontos de dosagem da fonte de carbono e implementar o influente-ponto multiponto e o refluxo-multiponto no sistema, foi alcançada a utilização eficiente de fontes de carbono adicionadas externamente, garantindo efeitos de nitrificação e desnitrificação a 8,7 graus, com qualidade de efluente estável melhor do que os padrões de descarga.
Conclusão
Sob condições-de baixa temperatura, a atividade microbiana em sistemas MBBR diminui e há uma competição óbvia entre microrganismos heterotróficos que tratam matéria orgânica e microrganismos autotróficos que tratam nitrogênio amoniacal. Portanto, com base na composição dos poluentes da água bruta e nos requisitos dos indicadores de efluentes, a C/N adequada deve ser totalmente considerada. Medidas como melhorar e aclimatar cepas dominantes de baixa-temperatura, enriquecimento direcionado e aumentar a abundância de populações dominantes em transportadores devem ser implementadas para indicadores-chave para garantir a qualidade do efluente.
O aprimoramento da portadora é um meio importante para melhorar a tolerância-a baixas temperaturas dos sistemas MBBR e aumentar a eficiência da degradação do processo. As medidas específicas incluem principalmente o carregamento magnético e o tratamento estrutural dos transportadores. A carga magnética pode aumentar a fixação de bactérias nitrificantes em baixas temperaturas, fortalecer o processo de secreção de EPS e melhorar a atividade bacteriana; otimizar a estrutura do transportador e as propriedades da superfície pode acelerar a eficiência da transferência de massa de poluentes, melhorar sua capacidade de solidificar e proteger comunidades microbianas e manter um desempenho mais estável do sistema.
O próprio processo MBBR possui certas características de resistência-a baixas temperaturas. No entanto, com a melhoria contínua dos padrões de qualidade de efluentes para estações de tratamento de águas residuais, o ajuste das condições de trabalho e a combinação de processos do MBBR sob condições de baixa-temperatura tornaram-se um importante conteúdo de pesquisa para o avanço do processo. Para diferentes tipos de águas residuais, as condições ideais de trabalho devem ser determinadas com base em situações reais. Enquanto isso, combinações razoáveis de processos podem efetivamente aumentar a resistência à carga de choque, a adaptabilidade à temperatura e a estabilidade do sistema MBBR em relação aos poluentes.