El procés de fangs activats és la tecnologia de tractament biològic d'aigües residuals més utilitzada. En un sistema de fangs activats, els microorganismes que depuren les aigües residuals es troben en un estat de creixement suspès-s'agrupen en petits grups, formant flocs, i queden suspesos en el licor barrejat sota aireació, agitant-se amb el flux d'aigua. Els microorganismes i les aigües residuals entren en contacte total, eliminant els contaminants de l'aigua.
Aquest sistema funciona molt bé, però té un inconvenient: és delicat. Si el volum de les aigües residuals de l'afluent augmenta sobtadament, la seva concentració augmenta sobtadament, o la temperatura de l'aigua baixa sobtadament, o el pH fluctua dràsticament, els microorganismes poden "actuar"-l'efecte del tractament disminuirà, o fins i tot es produirà un aglomerat de fangs, afectant el funcionament normal del sistema.
Per tant, els enginyers es van preguntar si podrien canviar el seu enfocament, permetent als microorganismes "assentar-se" en un lloc fix, en lloc de surar constantment a l'aigua?
Aquest és el procés del biofilm. En poques paraules, el procés de biofilm utilitza microorganismes que creixen en un medi de filtre o un transportador per tractar les aigües residuals.
La idea bàsica de la tecnologia del biofilm és senzilla: proporcionar als microorganismes "cases" fixes on puguin establir-se, reproduir-se i formar una "comunitat microbiana". Les aigües residuals flueixen per aquesta comunitat, i els contaminants que hi ha al seu interior són consumits pels "residents".
Aquestes "cases" s'anomenen professionalment materials d'embalatge o transportistes. Els diferents processos de biofilm utilitzen transportadors completament diferents. Els tipus més comuns són:
El primer tipus: material d'embalatge en oxidació de contacte biològic: "boles de filament de plàstic" penjades al dipòsit
El dipòsit d'oxidació de contacte s'omple amb cadenes de materials d'embalatge, semblants a grans raspalls de plàstic. Les aigües residuals s'airegen des del fons del dipòsit i s'aflueixen cap amunt, fent que aquests materials d'embalatge es balancegin suaument a l'aigua, coberts amb un biofilm-marró groguenc. Aquest tipus de material d'embalatge té una gran superfície específica; 1 metre cúbic pot proporcionar de 800 a 900 metres quadrats d'"espai habitable".
El segon tipus: Discs en discos rotatius biològics - "discos rotatius"
Els discos rotatius biològics no utilitzen materials d'embalatge; les seves "cases" són els propis discs: desenes de discos grans, de 2 a 3 metres de diàmetre, enfilats en un eix giratori i lentament girats per un motor amb una reducció de velocitat. El primer tipus implica un disc de filtre biològic, mig submergit en aigües residuals i mig exposat a l'aire. Els microorganismes creixen a banda i banda del disc, absorbeixen els contaminants quan estan submergits i absorbeixen l'oxigen de l'aire quan s'exposen a la superfície. Aquest disseny té un consum energètic relativament baix, no requereix aireació addicional i és econòmic en funcionament.
El tercer tipus: el material d'embalatge per a un filtre biològicament airejat (BAF): "un llit filtrant fet de petits còdols ceràmics"
BAF utilitza petits còdols de ceràmica amb un diàmetre de 3 a 6 mil·límetres, amuntegats com petits còdols al dipòsit. Les aigües residuals flueixen de baix a dalt, mentre que l'aireació es produeix simultàniament des de la part inferior. Aquest disseny de partícules petites té dos avantatges: en primer lloc, una gran superfície específica, que resulta en una gran biomassa per unitat de volum; en segon lloc, els buits entre les partícules atrapan sòlids en suspensió, fent que l'efluent BAF sigui excepcionalment clar.
El quart tipus: el material d'embalatge per a un biofiltre biològic (MBBR): "petites làmines de plàstic que cauen a l'aigua"
MBBR utilitza petites làmines de plàstic suspeses, amb forma de petites rodes o cilindres, amb una densitat lleugerament més lleugera que l'aigua. Sota l'aireació, aquests materials d'embalatge cauen i flueixen contínuament al dipòsit, permetent que el biofilm entri en contacte amb les aigües residuals mentre es mouen. El material d'embalatge està constantment en moviment; El biofilm envellit s'elimina i el nou biofilm creix contínuament, eliminant la necessitat de rentat manual. Té una forta capacitat d'auto-neteja i no obstruirà el dipòsit.
El cinquè tipus: el portador d'un llit fluiditzat biològic: "partícules diminutes que cauen com farinetes"
Els llits fluiditzats biològics utilitzen suports encara més petits, normalment de 0,3 a 1 mm de sorra, carbó activat o partícules de coc. Impulsades per l'aigua o el flux d'aire a gran-velocitat, aquestes partícules minúscules cauen i es fluidifiquen contínuament com farinetes. Com que el portador és extremadament petit, cada metre cúbic de portador pot proporcionar entre 2000 i 3000 metres quadrats d'espai habitable, el que resulta en la concentració microbiana i la taxa de càrrega volumètrica més alta entre tots els processos de biofilm. Té una eficiència de tractament extremadament alta i una empremta molt petita, però el seu disseny i funcionament també són relativament complexos.
Aquests diferents tipus de "cases" tenen cadascun els seus propis escenaris aplicables. L'oxidació de contacte és adequada per al tractament d'aigües residuals de mida petita a mitjana-, el MBBR és adequat per a l'adaptació i l'expansió, el BAF és adequat per al tractament avançat, els discos rotatius biològics són adequats per a escenaris de -volums petits, d'estalvi-d'energia i els llits fluiditzats biològics són adequats per a aigües residuals industrials d'alta{{4}concentració o escenaris.
1. Com "creix" un biofilm?
Quan el material d'embalatge es col·loca a les aigües residuals i les aigües residuals continuen fluint per ella, comença aquest procés.
Pas 1: els microorganismes passen i s'instal·len
Les aigües residuals contenen un gran nombre de microorganismes. A mesura que flueixen per la superfície del material d'embalatge, alguns s'enganxen. Aquesta connexió inicial es basa en les interaccions electrostàtiques i les forces de van der Waals.
Pas 2: de la liquidació temporal a la liquidació a llarg termini-
Els microorganismes enganxats comencen a segregar una substància enganxosa anomenada substàncies polimèriques extracel·lulars (API). Aquesta substància actua com una cola, fixant fermament els microorganismes a la superfície del material d'embalatge, formant el "marc arquitectònic" del biofilm.
Pas 3: instal·lar-se i propagar-se
Després d'instal·lar-se, els microorganismes comencen a créixer i reproduir-se. Un es converteix en dos, dos en quatre... Aviat, una fina capa de pel·lícula microbiana cobreix la superfície del material d'embalatge. Aquest és el biofilm.
Pas 4: Formació d'una comunitat madura
Amb el temps, el biofilm es fa més gruixut i els "residents" que hi ha dins es fan més diversos. No només apareixeran bacteris, sinó també fongs, protozous i metazous. Entre ells es forma una cadena alimentària: els bacteris mengen contaminants, els protozous mengen bacteris i els metazous mengen protozous. Així s'estableix un petit ecosistema complet.
Aquest procés s'anomena professionalment formació de biofilm. Per a les aigües residuals urbanes típiques, a temperatures adequades, la formació de biofilm es pot completar en aproximadament 7 a 20 dies.
2. Estructura del biofilm
Tot i que un biofilm és només una membrana prima, la seva estructura interna és força estratificada. Segons la qualitat de les aigües residuals i les condicions de subministrament d'oxigen, és possible que no sempre formi tres capes completes; en alguns escenaris, només es poden formar una capa aeròbica i una anaeròbica.
La capa més propera al material d'embalatge és la capa anaeròbica. Aquesta capa està més allunyada de les aigües residuals, cosa que dificulta la difusió de l'oxigen. Està habitada principalment per bacteris anaeròbics. No necessiten oxigen, obtenint energia mitjançant la descomposició de matèria orgànica complexa, però la seva eficiència de descomposició és relativament baixa.
La capa més propera a les aigües residuals és la capa aeròbica. Aquesta capa té oxigen relativament abundant, i està habitada per bacteris aeròbics, que són la "força principal" del procés; la degradació de la matèria orgànica té lloc principalment aquí.
Si les aigües residuals requereixen desnitrificació, es formarà una capa anòxica al mig, on els bacteris facultatius poden realitzar la desnitrificació, convertint els nitrats en nitrogen gasós. És precisament a causa d'aquesta estructura en capes que el biofilm pot completar simultàniament reaccions aeròbiques i anaeròbies dins de la mateixa capa-cosa difícil d'aconseguir en processos de fangs activats de creixement suspès.
3. Renovació del biofilm
Els biofilms no creixen indefinidament. Quan arribin a un cert gruix, es desenganxen i es renovaran. El motiu principal és que la capa anaeròbica de l'interior es fa cada cop més gruixuda. Quan la capa anaeròbica arriba a un cert gruix, els microorganismes propers a la superfície del portador, que no tenen matèria orgànica per a la nutrició, entren en una fase de respiració endògena, debilitant la seva capacitat d'adherir-se al portador. Sota la força de cisalla del flux d'aigua extern, el biofilm envellit es desenganxarà en pegats. El biofilm separat flueix amb el flux d'aigua i els nous microorganismes s'adhereixen immediatament als llocs separats. D'aquesta manera, el biofilm antic es desprèn i el nou biofilm creix, mantenint un alt nivell d'activitat del biofilm.
Aquest mecanisme dóna lloc a una taxa de producció de fangs significativament més baixa en comparació amb el procés de fangs activats. Tot i que l'eliminació periòdica de fangs encara és necessària, elimina la necessitat del control freqüent i precís que requereix el procés de fangs activats, simplificant considerablement el funcionament i la gestió.
4. Comparació de processos de fangs activats i biofilm
En els fangs actius, els microorganismes queden en suspensió al licor barrejat, mentre que en el biofilm, els microorganismes estan immobilitzats al material d'embalatge. Pel que fa a la resistència a les càrregues de xoc, els processos de fangs actius són generalment menys efectius, amb fluctuacions en la qualitat i la quantitat de l'aigua que condueixen fàcilment a una disminució de l'eficiència del tractament; Els processos de biofilm són molt més forts i robusts.
Pel que fa a l'adaptabilitat a les aigües residuals de baixa-concentració, els microorganismes de fangs actius són propensos a una alimentació insuficient, cosa que provoca una disminució de l'activitat; Els processos de biofilm mantenen una alta activitat fins i tot amb concentracions d'influent molt baixes.
Pel que fa a l'acumulació de fangs, els processos de fangs activats són propensos a l'aglomeració de fangs; Els processos de biofilm no ho fan, ja que els microorganismes estan immobilitzats.
Pel que fa a la biomassa per unitat de volum, els processos de fangs actius solen produir de 2 a 4 grams per litre, mentre que els processos de biofilm poden arribar als 10 a 20 grams per litre, de 3 a 5 vegades més.
En nitrificació i desnitrificació simultània, el procés de fangs actius requereix recirculació entre diferents dipòsits; el procés de biofilm, per la seva estructura estratificada, ho pot aconseguir dins del mateix dipòsit.
Com triar? En poques paraules: per a grans volums d'aigües residuals municipals estables, el procés de fangs actius és una tecnologia madura; per a aigües residuals amb grans fluctuacions de volum i qualitat, baixa concentració o que requereixen desnitrificació simultània, el procés de biofilm és més avantatjós.
5. Principals processos dels processos de biofilm
Els principals processos inclouen: oxidació de contacte biològic, MBBR, filtre biològic airejat (BAF), disc giratori biològic, llit fluiditzat biològic i filtres biològics tradicionals (normals, de càrrega elevada, tipus torre). Tot i que aquests processos difereixen en la forma, el seu principi bàsic és el mateix-permet que els microorganismes s'uneixin a un transportador per formar un biofilm, utilitzant aquesta membrana per purificar les aigües residuals.
Les principals diferències són dobles: en primer lloc, el tipus de discs fixos-de la "casa", el material d'embalatge que omple el dipòsit, les petites partícules de ceràmica apilades en una capa de filtre, les petites làmines de plàstic que fan caure o les micropartícules fluiditzades; en segon lloc, com es subministra l'oxigen-ventilació natural, rotació del disc o aireació artificial.
El procés de biofilm consisteix en la construcció d'hàbitats per als microorganismes, que els permetin assentar-se i ajudar a tractar les aigües residuals.
Un cop els microorganismes es traslladen a les seves "llars", segreguen una substància enganxosa per ancorar-se, créixer i reproduir-se, formant un biofilm estructurat-una capa aeròbica exterior responsable de degradar la matèria orgànica i una capa anaeròbica interna responsable de la descomposició posterior (es pot formar una capa anòxica entremig, depenent de la qualitat de l'aigua). Les aigües residuals flueixen i els contaminants són absorbits gradualment per cada capa. A mesura que el biofilm creix fins a un cert gruix, les capes antigues es desprenen i les noves continuen creixent. No cal preocupar-se per l'acumulació de fangs o els ajustos freqüents de la descàrrega de fangs, cosa que facilita molt l'operació i la gestió.