วารสาร 《Nature》 เผยแพร่บทความเกี่ยวกับความก้าวหน้าครั้งใหม่ในเทคโนโลยี MBBR: วิธีที่ “ตัวนำรูปตัววี” แบบใหม่ช่วยแก้ปัญหาการอุดตันและนำความสดใหม่มาสู่ตลาดสื่อความหนาแน่นสูง

เมื่อเร็วๆ นี้ ทีมวิจัยจากสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติอุลซาน (UNIST) ในเกาหลีใต้ ได้ตีพิมพ์งานวิจัยใหม่ในวารสาร *Nature Communications* เกี่ยวกับการปรับโครงสร้างของตัวกลางในระบบ MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) ให้เหมาะสมที่สุด นักวิจัยได้เสนอการออกแบบตัวกลางรูปตัว V ที่เรียกว่า “กลยุทธ์ไฮโดรโทโพโลยี” ซึ่งช่วยให้สามารถควบคุมกระบวนการเจริญเติบโตของไบโอฟิล์มได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยการเปลี่ยนแปลงเส้นทางของของเหลวภายในตัวกลาง สำหรับผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมที่ติดตามการพัฒนาเทคโนโลยีตัวกลางชีวภาพของ MBBR มาอย่างยาวนาน งานวิจัยนี้ได้รับความสนใจไม่เพียงเพราะการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของตัวกลางเท่านั้น แต่ยังเพราะเป็นการพยายามแก้ปัญหาทางวิศวกรรมที่เกิดขึ้นมานาน นั่นคือ การอุดตันและประสิทธิภาพการถ่ายโอนมวลที่ลดลงอันเนื่องมาจากการหนาตัวของไบโอฟิล์มมากเกินไป ในระบบ MBBR แบบดั้งเดิม เมื่อเวลาการทำงานเพิ่มขึ้น จุลินทรีย์จะเกาะติดกับพื้นผิวของตัวกลางอย่างต่อเนื่องและก่อตัวเป็นไบโอฟิล์ม หลังจากใช้งานไประยะหนึ่ง ไบโอฟิล์มเหล่านี้จะหนาขึ้น อันที่จริง แม้ว่ามวลชีวภาพของจุลินทรีย์ทั้งหมดในระบบจะเพิ่มขึ้น ซึ่งตามทฤษฎีแล้วควรจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวม แต่ประสิทธิภาพการแพร่กระจายของออกซิเจนและสารมลพิษเข้าไปในไบโอฟิล์มกลับลดลง

เราพบปัญหาที่คล้ายกันในโครงการบำบัดน้ำเสียจากโรงงานแปรรูปอาหารในเอเชียตะวันออกเฉียงใต้ หลังจากใช้งานไปหลายปี การสะสมของไบโอฟิล์มภายในตัวกลางมักจะเห็นได้ชัดเจนมาก ในโรงบำบัดน้ำเสียหลายแห่ง ตัวกลาง MBBR และตัวเติมอากาศแบบไมโครพรุนมักจะต้องล้างหรือเปลี่ยนใหม่หลังจากใช้งานไปหลายปี ซึ่งเป็นงานใหญ่มาก ที่น่าสนใจคือ การจัดการไบโอฟิล์มในระยะยาวกลายเป็นหัวข้อที่ลูกค้าให้ความสนใจมากกว่าพื้นที่ผิวของตัวกลางเพียงอย่างเดียว จากการวิจัยของทีมวิจัย โครงสร้างรูปตัว V แบบใหม่นี้จะเปลี่ยนเส้นทางการไหลของน้ำภายในตัวกลาง ทำให้เกิดแรงเฉือนไฮดรอลิกในระดับที่แตกต่างกันไปในแต่ละโซน เมื่อไบโอฟิล์มเจริญเติบโตมากเกินไป แรงเฉือนเฉพาะที่ที่สูงขึ้นจะส่งเสริมการหลุดลอกของไบโอฟิล์มที่เสื่อมสภาพ ในทางกลับกัน ในบริเวณที่จำเป็นต้องรักษาชีวมวลที่ใช้งานอยู่ สภาพแวดล้อมการยึดเกาะที่ค่อนข้างคงที่ก็จะได้รับการรักษาไว้ นักวิจัยอธิบายกลไกนี้ว่าเป็นวิธีการควบคุมไบโอฟิล์มที่มีลักษณะ "ควบคุมตนเอง" จากผลการทดลอง การออกแบบนี้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่สำคัญในการรักษาเสถียรภาพของไบโอฟิล์มและป้องกันการอุดตันภายใน อย่างไรก็ตาม ยังไม่ชัดเจนว่าระบบจะสามารถรักษาประสิทธิภาพที่เทียบเท่ากันได้หรือไม่ภายใต้สภาวะที่มีความผันผวนอย่างรุนแรงในลักษณะของน้ำเสีย จำเป็นต้องมีการตรวจสอบเพิ่มเติมผ่านโครงการภาคปฏิบัติเพื่อการยอมรับในตลาด

จากมุมมองของการพัฒนาอุตสาหกรรมของเรา งานวิจัยนี้ส่งสัญญาณที่น่าสนใจ: จุดเน้นในการแข่งขันในอนาคตสำหรับวัสดุตัวกลางในระบบ MBBR อาจเปลี่ยนจากการเพิ่มพื้นที่ผิวจำเพาะเพียงอย่างเดียว ไปเป็นการให้ความสำคัญกับการออกแบบทางอุทกพลศาสตร์และความสามารถในการจัดการไบโอฟิล์มมากขึ้น ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา ความพยายามในการเพิ่มประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์วัสดุตัวกลาง MBBR ส่วนใหญ่เน้นไปที่ตัวชี้วัดต่างๆ เช่น พื้นที่ผิวที่มีประสิทธิภาพ อัตราการก่อตัวของไบโอฟิล์ม และความแข็งแรงของวัสดุ อย่างไรก็ตาม การศึกษานี้ชี้ให้เห็นว่าการควบคุมความหนาของไบโอฟิล์มอย่างมีประสิทธิภาพผ่านการออกแบบโครงสร้างอาจกลายเป็นทิศทางสำคัญสำหรับการวิจัยและพัฒนาวัสดุตัวกลางรุ่นต่อไป สำหรับผู้ผลิตวัสดุตัวกลาง MBBR นี่หมายความว่าการออกแบบระบบในอนาคตจะให้ความสำคัญกับความร่วมมือระหว่างวัสดุตัวกลางและระบบเติมอากาศมากขึ้น อย่างไรก็ตาม คำถามเชิงปฏิบัติข้อหนึ่งยังคงไม่ได้รับคำตอบ: รูปทรงเรขาคณิตภายในที่ซับซ้อนเช่นนี้สามารถผลิตได้ในปริมาณมากอย่างคุ้มค่าหรือไม่? เราสังเกตเห็นว่าในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา จำนวนลูกค้าจากระบบการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำแบบหมุนเวียน (RAS) โครงการปรับปรุงคุณภาพน้ำเสียอุตสาหกรรม และโครงการบำบัดน้ำเสียเทศบาลที่มีภาระสูง เริ่มให้ความสำคัญกับเสถียรภาพในการทำงานที่ความหนาแน่นของการบรรจุที่สูงขึ้นมากขึ้น เมื่อความหนาแน่นของการบรรจุเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ปัญหาการถ่ายเทมวลและการอุดตันที่พบในตัวกลางแบบดั้งเดิมก็ยิ่งเด่นชัดขึ้น คุณค่าของการวิจัยตัวกลางรูปตัว V ไม่ได้อยู่ที่การเสนอโครงสร้างแบบใหม่เท่านั้น แต่ยังอยู่ที่การนำเสนอแนวทางทางเทคนิคใหม่สำหรับการพัฒนาในอนาคตของระบบ MBBR ความหนาแน่นสูงอีกด้วย