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De acordo com a teoria tradicional da desnitrificação biológica, a via de desnitrificação geralmente inclui dois estágios: nitrificação e desnitrificação . Os dois processos de nitrificação e desnitrificação precisam ser realizados em dois reatores isolados, ou no mesmo reator com alternância de ambientes anóxicos e aeróbicos no tempo ou no espaço; na verdade, no período anterior, em alguns processos de lodo ativado sem estágios anóxicos e anaeróbicos óbvios, as pessoas observaram repetidamente o fenômeno da perda de nitrogênio não assimilado, e o desaparecimento do nitrogênio também foi observado muitas vezes em sistemas de aeração. Nestes sistemas de tratamento, as reações de nitrificação e desnitrificação ocorrem frequentemente sob as mesmas condições de tratamento e no mesmo espaço de tratamento. Portanto, esses fenômenos são chamados de nitrificação/desnitrificação simultânea (SND).
A tecnologia síncrona de nitrificação e desnitrificação (SND) visa produzir reações de nitrificação, desnitrificação e remoção de carbono no mesmo reator ao mesmo tempo. Rompe com a visão tradicional de que a nitrificação e a desnitrificação não podem ocorrer ao mesmo tempo, especialmente em condições aeróbicas, a desnitrificação também pode ocorrer, tornando possível a nitrificação e a desnitrificação simultâneas.
A nitrificação consome alcalinidade e a desnitrificação produz alcalinidade. Portanto, o SND pode efetivamente manter o valor do pH no reator estável, sem neutralização ácido-base e fonte externa de carbono; economize o volume do reator, reduza o tempo de reação e reduza a flutuação do lodo no tanque de sedimentação secundário, reduzindo a concentração de nitrogênio nitrato. Portanto, o SND tornou-se um centro de pesquisa para a desnitrificação biológica. No que diz respeito à viabilidade da desnitrificação biológica SND, existem atualmente três pontos de vista principais de diferentes perspectivas:
Perspectiva macroambiental: Esta visão acredita que não existe um estado de mistura completamente uniforme e que a distribuição desigual de OD no reator pode formar áreas aeróbicas, anóxicas e anaeróbicas. A desnitrificação pode ocorrer sob condições anóxicas/anaeróbicas no mesmo biorreator. A SND pode ser alcançada combinando a remoção de matéria orgânica e a nitrificação do nitrogênio amoniacal no ambiente aeróbio da seção.
Perspectiva do microambiente: Esta visão sustenta que o microambiente anóxico nos flocos microbianos é a principal causa do SND, ou seja, devido à limitação da difusão (transferência) do oxigênio, há um gradiente de oxigênio dissolvido nos flocos microbianos, formando assim um microambiente isso conduz à nitrificação e desnitrificação simultâneas.
Perspectiva biológica: Esta visão sustenta que a existência de populações microbianas especiais é considerada a principal causa da SND. Algumas bactérias nitrificantes podem realizar a desnitrificação além da nitrificação normal. Estudiosos holandeses isolaram cocos sulfurosos pantotróficos que podem realizar tanto a nitrificação aeróbica quanto a desnitrificação aeróbica. Algumas bactérias cooperam entre si para realizar reações sequenciais para converter amônia em gás nitrogênio, o que possibilita completar a desnitrificação biológica no mesmo reator sob as mesmas condições.
Atualmente, existem muitos estudos microbiológicos e explicações sobre a desnitrificação biológica, mas não são perfeitos, e a compreensão do fenômeno SND ainda está em desenvolvimento e exploração. A teoria do microambiente é geralmente aceita. Devido à existência de gradiente de oxigênio dissolvido, a concentração de oxigênio dissolvido na superfície externa de flocos microbianos ou biofilmes é alta, principalmente bactérias nitrificantes aeróbicas e bactérias amonificantes; no interior, a transferência de oxigênio é bloqueada e uma grande quantidade de oxigênio dissolvido externo é consumida, resultando em zonas anóxicas, onde as bactérias desnitrificantes são as espécies dominantes, o que pode levar à ocorrência de nitrificação e desnitrificação simultâneas. Esta teoria explica o problema da coexistência de diferentes estirpes no mesmo reator, mas há também um defeito, nomeadamente o problema das fontes de carbono orgânico. As fontes de carbono orgânico são doadoras de elétrons para a desnitrificação heterotrófica e inibidoras do processo de nitrificação. Quando a fonte de carbono orgânico no esgoto passa pela camada aeróbica, ela é primeiro oxidada pela oxidação aeróbica. As bactérias desnitrificantes na zona anóxica não conseguem obter doadores de elétrons, o que reduz a taxa de desnitrificação e pode afetar a eficiência de desnitrificação do SND. Portanto, o mecanismo de nitrificação e desnitrificação simultâneas ainda precisa ser melhorado.
MBBR é um novo tipo de reator eficiente que combina o método de lodo ativado por crescimento suspenso e o método de biofilme de crescimento anexado. O princípio básico do projeto é adicionar diretamente o enchimento suspenso com gravidade específica próxima à água e pode ser suspenso em água no tanque de reação como transportador ativo de microrganismos. O enchimento suspenso pode entrar em contato frequente e múltiplo com o esgoto, e crescer gradativamente um biofilme (filme) na superfície do enchimento, o que fortalece o efeito de transferência de massa de poluentes, oxigênio dissolvido e biofilme, ou seja, MBBR é chamado de "biofilme móvel ". Com base na pesquisa sobre o mecanismo SND até o momento, combinada com o microambiente e a teoria biológica, o possível modo de reação do SND no biofilme MBBR é que bactérias aeróbicas oxidantes de amônia, bactérias oxidantes de nitrito e bactérias desnitrificantes aeróbicas distribuídas na camada aeróbica do biofilme cooperam com bactérias anaeróbicas oxidantes de amônia, bactérias autotróficas de nitrito e bactérias desnitrificantes distribuídas na camada anóxica biológica e, finalmente, atingem o objetivo de desnitrificação.
MBBR depende da aeração e do fluxo de água no tanque de aeração para tornar o transportador em um estado fluidizado, formando assim lodo ativado suspenso e biofilme anexado, aproveitando plenamente as vantagens dos organismos em fase anexada e suspensa, não apenas fornecendo macroscópico e microscópico ambientes aeróbicos e anaeróbicos, mas também resolvendo as disputas de OD e fontes de carbono entre nitrificadores autotróficos, desnitrificadores heterotróficos e bactérias heterotróficas. Portanto, o MBBR pode atingir o equilíbrio cinético dos dois processos de nitrificação e desnitrificação, tem condições muito boas para nitrificação e desnitrificação simultâneas e pode alcançar nitrificação, desnitrificação e desnitrificação simultâneas do MBBR.
A tecnologia chave para alcançar a nitrificação e desnitrificação simultâneas do MBBR é controlar o equilíbrio cinético da reação de nitrificação e desnitrificação no MBBR, resolver a disputa de DO entre nitrificadores autotróficos e bactérias heterotróficas e a disputa da fonte de carbono entre desnitrificadores e bactérias heterotróficas, etc. os principais fatores de controle são: relação carbono-nitrogênio, concentração de oxigênio dissolvido, temperatura e pH, etc.
A chave técnica do método MBBR reside em cargas biológicas com gravidade específica próxima à da água e fáceis de movimentar livremente com água sob leve agitação. Normalmente, os enchimentos são feitos de plástico polietileno. O formato de cada suporte é um pequeno cilindro com diâmetro de 10 mm e altura de 8 mm. Existem suportes transversais no cilindro e aletas verticais salientes na parede externa. A parte oca do enchimento representa 0,95 do volume total, ou seja, em um recipiente cheio de água e enchimentos, o volume de água em cada enchimento é de 95%. Tendo em conta a rotação do enchimento e o volume total do recipiente, a taxa de enchimento do enchimento é definida como a proporção do espaço ocupado pelo transportador. Para obter o melhor efeito de mistura, a taxa máxima de enchimento do enchimento é de 0,7. Teoricamente, a área superficial específica total do enchimento é definida de acordo com o número de áreas superficiais específicas de transportadores biológicos por unidade de volume, que geralmente é de 700m2/m3. Quando o biofilme cresce dentro do transportador, a área de superfície específica efetiva real é de cerca de 500m2/m3.
Este tipo de carga biológica favorece a fixação e o crescimento de microrganismos no interior da carga, formando um biofilme relativamente estável e é fácil de formar um estado fluidizado. Quando os requisitos de pré-tratamento são baixos ou o esgoto contém uma grande quantidade de fibra, como quando o tanque de sedimentação primário não é usado no tratamento de esgoto municipal ou no tratamento de águas residuais da fabricação de papel contendo uma grande quantidade de fibra, uma carga biológica com uma superfície específica menor área e um tamanho maior é usado. Quando há um bom pré-tratamento ou se utiliza nitrificação, utiliza-se uma carga biológica com grande área superficial específica.
A concentração de OD é um importante fator limitante que afeta a nitrificação e desnitrificação simultâneas . Ao controlar a concentração de OD, zonas aeróbicas ou zonas anóxicas podem ser formadas em diferentes partes do biofilme, tendo assim condições físicas para alcançar nitrificação e desnitrificação simultâneas.
Teoricamente, quando a concentração de OD é muito alta, o OD pode penetrar no biofilme, dificultando a formação de zonas anóxicas em seu interior, e uma grande quantidade de nitrogênio amoniacal é oxidada a nitrato e nitrito, de modo que o TN do efluente ainda é muito alto; pelo contrário, se a concentração de OD for muito baixa, causará uma grande proporção de zonas anaeróbicas dentro do biofilme, e a capacidade de desnitrificação do biofilme será aumentada (as concentrações de nitrato e nitrito no efluente são muito baixas), mas devido ao fornecimento insuficiente de OD, o efeito de nitrificação do processo MBBR diminui, fazendo com que a concentração de nitrogênio amoniacal no efluente aumente, fazendo com que o TN do efluente aumente, afetando o efeito final do tratamento.
Por meio de pesquisas, foi finalmente obtido um valor ideal de OD para o tratamento de esgoto doméstico urbano com MBBR: quando a concentração de OD está acima de 2 mg/L, o OD tem pouco efeito sobre o efeito de nitrificação do MBBR, a taxa de remoção de nitrogênio amoniacal pode chegar a 97% -99%, e o nitrogênio amoniacal efluente pode ser mantido abaixo de 1,0 mg/L; quando a concentração de OD está em torno de 1,0 mg/L, a taxa de remoção de nitrogênio amoniacal é em torno de 84%, e a concentração de nitrogênio amoniacal no efluente aumentou significativamente. Além disso, o OD no tanque de aeração não deve ser muito alto. O oxigênio dissolvido muito alto pode fazer com que os poluentes orgânicos se decomponham muito rapidamente, resultando na falta de nutrição para os microrganismos, e o lodo ativado é propenso ao envelhecimento e à estrutura solta. Além disso, OD muito alto consumirá muita energia, o que também é economicamente inadequado.
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