1. Denitrifikācijas fosfora noņemšanas mehānisms
Augstas-skābes baktērijas anaerobos apstākļos sadala lielas organiskās molekulas zemas-molekulāras-taukskābēs. DPB (destilēta bismuta biota) sadala polifosfātus savās šūnās anaerobos apstākļos, veidojot ATP, absorbējot taukskābes, izmantojot aktīvo transportu un sintezējot poli(-hidroksibutirātu) (PHB), vienlaikus atbrīvojot PO43-. Pēc liela daudzuma PHB uzkrāšanās DPB nonāk anaerobā stāvoklī, izmantojot NO3- kā elektronu akceptoru PHB oksidēšanai. Tas izmanto PHB noārdīšanos, lai radītu enerģiju un nodrošinātu reducējošu jaudu (nikotīnamīda adenīna dinukleotīds (NADH), kā arī izmanto NADH+H+ kā elektronu transportēšanas ķēdes nesēju, lai noņemtu protonus, tādējādi veidojot protonu virzītu spēku. Šis protonu vadītais spēks transportē PO43- no ķermeņa ārpuses uz ķermeni, kur tas sintezē ATP pārpalikumu, sintezējot ATP. PO43- polifosfātos. ATP, ko rada DPB anaerobos apstākļos, pārsniedz ATP, kas rodas anaerobos apstākļos, sadaloties organismā. Tāpēc anaerobos apstākļos absorbētais fosfors ir lielāks nekā anaerobos apstākļos izdalītais fosfors.
2. Galvenie faktori, kas ietekmē denitrifikāciju un fosfora izvadīšanu
2.1. Oglekļa-pret-slāpekļa attiecība
Saskaņā ar tradicionālo fosfora atdalīšanas teoriju oglekļa avotu klātbūtne anoksiskajā zonā vai nitrātu klātbūtne anaerobajā zonā izraisa konkurenci starp denitrificējošām baktērijām un DPB par elektronu akceptora nitrātu slāpekli vai oglekļa avotiem, tādējādi samazinot DPB selektīvās priekšrocības un ietekmējot fosfora atdalīšanas efektivitāti. Tam ir nepieciešama piemērota oglekļa -un -slāpekļa attiecība ieplūdē. Tomēr Ahn J. et al. parāda, ka anaerobos/aerobos (A/O) apstākļos ilgstoša oglekļa avotu aklimatizācija- un neliels nitrātu daudzums, kas nonāk anaerobajā zonā, veicina DPB bagātināšanu, un DPB var saglabāt savu anoksiskā fosfora uzņemšanas spēju A/O apstākļos. No mikrobioloģiskā viedokļa ir divi skaidrojumi: viens ir tāds, ka DPB tieši izmanto oglekļa avotus anaerobajā zonā, izmantojot trikarbonskābes ciklu (TCA); otrs ir tas, ka DPB oksidē oglekļa avotus anaerobajā periodā, izmantojot TCA ciklu, lai iegūtu reducējošo jaudu un enerģiju, lai uzkrātu polihidroksialkānskābes, un izdzīvo aerobā periodā. Šajā sakarā nav publicēti citi ziņojumi par DPB fizioloģiskajām īpašībām.
2.2. Nitrātu dozēšanas metodes
Ir divas metodes nitrātu pievienošanai anoksiskajā zonā: momentāna pievienošana un nepārtraukta pievienošana. Nepārtraukta pievienošana ir nedaudz efektīvāka, kā arī novērš nitrītu uzkrāšanos. Attiecībā uz nepārtrauktas pievienošanas laika ietekmi uz fosfora uzņemšanas ātrumu Zou Hua et al. parādīja, ka fosfora uzņemšanas ātrums bija lielāks, ja nepārtrauktās pievienošanas laiks bija 2 stundas, nekā tad, kad tas bija 3, 5 stundas. Tomēr pašlaik nav ziņojumu par konkrēto saistību starp pievienošanas ātrumu un fosfora uzņemšanas ātrumu. Vairāk tehnisko dokumentu var atrast Ķīnas notekūdeņu attīrīšanas inženierijas tīklā.
2.3 SRT
DPB aug lēnāk A/A apstākļos nekā A/O apstākļos. Pārāk īss SRT izraisīs DPB izvadīšanu reaktorā, savukārt pārāk garš SRT izraisīs dūņu novecošanos un fosfora satura samazināšanos. Merzouki M. ziņoja, ka SBR denitrifikācijas fosfora noņemšanas sistēmas fosfora atdalīšanas efektivitāte bija 1, 8 reizes augstāka, ja SRT bija 15 dienas, nekā tad, kad tās bija 7, 5 dienas. Granulēto dūņu procesos, ko izmanto fosfora un slāpekļa atdalīšanai, dūņu struktūra ir sarežģīta, jo ir bagātāka un integrētāka bioloģiskā kopiena. Joprojām nav skaidrs, kā līdzsvarot DPB, polifosfātus{8}}akumulējošās baktērijas un nitrificējošās baktērijas dūņu vecumā.
2.4 Nitrīts
Pašlaik ir divi viedokļi par to, vai nitrīti kavē fosfora uzņemšanu, un šie viedokļi ir balstīti uz dažādiem pētījumu priekšmetiem. Izmantojot dūņas, kurām nav veikta denitrifikācija un fosfora atdalīšanas aklimatizācija kā pētījuma subjekts, rezultāti konsekventi parāda, ka nitrītu koncentrācija, kas pārsniedz kritisko līmeni, kavē fosfora uzņemšanu. Eksperimenti, ko veica Wang Ya-yi et al. parādīja, ka fosfora uzņemšana tiek kavēta, ja nitrītu koncentrācija pārsniedz 15 mg/l, savukārt Meinhold J. et al. norādīja, ka kritiskā nitrītu koncentrācija ir 5–8 mg/l. Tomēr, izmantojot dūņas, kurām veikta denitrifikācija un fosfora atdalīšanas aklimatizācija, kā pētījuma subjekts dod dažādus rezultātus. Hu JY eksperimenti parādīja, ka papildus plaši atzītajām polifosfātu{13}}akumulējošām baktērijām (PAB) un DPB eksistē arī trešā PPB grupa. Šie PPB var izmantot nitrītu kā elektronu akceptoru fosfora uzņemšanai. Turklāt eksperimenti parādīja, ka tad, kad sākotnējā nitrītu koncentrācija bija mazāka par 115 mg / l, nebija būtiskas fosfora uzņemšanas kavēšanas. Nitrītu koncentrācija sadzīves notekūdeņu attīrīšanas iekārtās acīmredzami ir daudz zemāka par šo kritisko koncentrāciju, tāpēc tas negatīvi neietekmēs bioloģisko fosfora atdalīšanu. Denitrifikācijas fosfora noņemšanu ietekmē daudzi citi faktori, piemēram, temperatūra (DPB ir īpaši jutīga pret temperatūru, īpaši zemām temperatūrām) un katjoni (Mg2+ un K+). Pašlaik ir maz pētījumu par šiem aspektiem, un dažādu faktoru mijiedarbība palielina izpētes grūtības.
3. Jaunas pieejas denitrifikācijas fosfora noņemšanai
Tradicionāli tipiski denitrifikācijas fosfora atdalīšanas procesi ietver: ① Anaerobo/anoksisko un nitrifikācijas (A2N) procesu. Šis process ir dubults-dūņu denitrifikācijas fosfora noņemšanas process, kurā nitrificējošās baktērijas un DPB tiek kultivētas atsevišķi dažādās dūņu sistēmās, pilnībā atdalot nitrificējošās baktērijas no DPB. A2N process ir vislabāk piemērots situācijām ar zemu oglekļa un slāpekļa attiecību. ② Defanoksa process. Ja ieplūstošā oglekļa un slāpekļa saturs ir augsts, A2N procesā aiz bezskābekļa tvertnes ir jāpievieno aerācijas tvertne, tādējādi veidojot DEPHANOX procesu.
③BCFS process. Šis process ir modificēts UCT process. UCT procesa izstrādes princips ir balstīts uz vides apstākļu inženiertehnisko uzlabošanu, kas nepieciešamas polifosfātu- akumulējošām baktērijām, savukārt BCFS izstrādes mērķis ir radīt DPB bagātināšanas apstākļus no procesa viedokļa. Pēdējā laikā ir noticis izrāviens pētījumos par denitrifikācijas fosfora noņemšanas tehnoloģijas pielietojumu. Struktūras, kurām nepieciešama notekūdeņu attīrīšana, var konsultēt arī uzņēmumus ar līdzīgu notekūdeņu attīrīšanas pieredzi projekta Notekūdeņu dārgumu servisa platformā.
3.1. AOA-SBR metode
Anaerobs/anoksisks/aerobs (A2O) process ir izplatīts slāpekļa un fosfora atdalīšanas veids. Tas galvenokārt darbojas, izmantojot polifosfātu{2}}akumulējošo baktēriju, nitrificējošo baktēriju un denitrificējošo baktēriju metabolismu. Tāpēc šajā procesā būtiska ir nitrātus un nitrītus saturošu šķidrumu cirkulācija. Tsuneda S. et al. ierosināja anaerobo/aerobo/anoksisko (AOA) procesu SBR (paš-bioķīmiskajā reaktorā), kas pilnībā izmanto DPB (difosfāta polifosfāta) īpašības, lai vienlaicīgi noņemtu slāpekli un fosforu bezskābekļa apstākļos un bez oglekļa avota. Tas ļauj denitrifikācijai notikt anoksiskajā sekcijā bez oglekļa avota, novēršot nepieciešamību cirkulēt starp aerobajām un anoksiskajām tvertnēm, tādējādi panākot vienlaicīgu slāpekļa un fosfora atdalīšanu vienā SBR. Eksperimenti arī parādīja, ka šis process var sasniegt izcilu slāpekļa un fosfora atdalīšanas efektu, apstrādājot sintētiskos notekūdeņus ar oglekļa -pret-slāpekļa attiecību zem 10, ar vidējo slāpekļa un fosfora atdalīšanas līmeni attiecīgi 83% un 92%. Šis process ne tikai bagātina DPB, bet arī liek DPB spēlēt galveno lomu fosfora un slāpekļa atdalīšanā. Eksperimentu rezultāti liecina, ka DPB veido 44% no kopējām polifosfātu{18}}akumulējošām baktērijām AOA-SBR procesā, kas ir ievērojami vairāk nekā parastajos A/O-SBR (13%) un A2O procesos (21%).
AOA-SBR procesam ir divas galvenās īpašības: ① Aerobās fāzes sākumā tiek pievienots atbilstošs oglekļa avota daudzums, lai kavētu aerobā fosfora uzņemšanu. Šajā eksperimentā optimālais oglekļa avota daudzums, kas pievienots aerobās fāzes laikā, bija 40 mg/l.
② Šajā procesā nitrīts var darboties kā elektronu akceptors fosfora uzņemšanai.
3.2. Granulēto dūņu process
Granulētās dūņas slāpekļa un fosfora atdalīšanai pašlaik vēl ir izpētes stadijā. Salīdzinot ar parastajiem dūņu procesiem, aerobām granulētajām dūņām ir labāka nosēdināšanas spēja, augstāka biomasas koncentrācija un zemāks dūņu mitruma saturs. Izmantojot granulētās dūņas, var pārvarēt problēmas, kas pastāv tradicionālajās dūņās (piemēram, dūņu masas palielināšana, liela attīrīšanas konstrukciju platība un sekundārā fosfora izdalīšanās no dzidrinātājiem). Dulekgurgen E. et al eksperimenti. parādīja, ka granulētajām dūņām ir stabila biomasa ar ĶSP, fosfora un slāpekļa atdalīšanas rādītājiem attiecīgi 95%, 99,6% un 71%. Iekšzemes pētījumu rezultāti atbilst šiem atklājumiem, un aerobās granulētās dūņas piemīt denitrifikācijas un fosfora atdalīšanas iespējas. Pateicoties granulēto dūņu unikālajai struktūrai un skābekļa difūzijas gradientam, tās nodrošina vidi polifosfātu{10}}akumulējošu baktēriju, nitrificējošu baktēriju un DPB līdzāspastāvēšanai. Granulētās dūņās uzkrājas liels daudzums DPB un nitrificējošo baktēriju; eksperimenti, ko veica Yang Guojing et al. parādīja, ka DPB veido 73,1% no visām polifosfātu{14}}akumulējošām baktērijām granulētās dūņās. Granulēto dūņu kultivēšana ir grūtāka nekā parasto dūņu kultivēšana, un ietekmējošie faktori ir salīdzinoši sarežģīti.
Papildus ietekmējošiem faktoriem, kas ir kopīgi parastajai dūņu denitrifikācijai un fosfora atdalīšanai, granulētajām dūņām ir savi unikāli ietekmējošie faktori: ① DO koncentrācijas un daļiņu izmēra mijiedarbība būtiski ietekmē denitrifikācijas un fosfora atdalīšanas efektivitāti. Ja daļiņu izmērs ir pārāk mazs, skābekļa iekļūšana ir salīdzinoši spēcīga, ietekmējot anoksiskās zonas veidošanos, izraisot nespēju panākt denitrifikāciju un fosfora atdalīšanu.
② Atbilstoša slāpekļa -pret-fosfora attiecība ir ļoti svarīga dūņu granulēšanas un fosfora atdalīšanas spējai. Kad slāpekļa -un -fosfora attiecība palielinās no 2,36 līdz 4,0, fosfora atdalīšanas ātrums samazinās no 85,0% līdz 54,1%. ③ Eksperimenti, ko veica Lin Y{10}}M et al. parādīja ciešu saistību starp daļiņu izmēru un fosfora -un-oglekļa masas attiecību. Augsta fosfora -un-oglekļa masas attiecība var radīt mazākas daļiņas ar kompaktāku struktūru, tādējādi samazinot SVI un veicinot polifosfātu{17}}akumulējošo baktēriju uzkrāšanos.
3.3. Iekšējās cirkulācijas gaisa transportēšanas sekvencēšanas sērijveida bioplēves process
Iekšējās cirkulācijas gaisa pacelšanas sekvencēšanas partijas bioplēves process (SBBR) galvenokārt ir paredzēts integrētai fosfora un slāpekļa noņemšanai. Zhang ZY et al. pētījumi. parādīja, ka iekšējās cirkulācijas gaisa transports SBBR sasniedza stabilus slāpekļa un fosfora atdalīšanas ātrumus. ĶSP, N un P izvadīšanas ātrums pie optimāla iepakojuma blīvuma un organiskās slodzes bija attiecīgi 95,3%±3,3%, 94,6%±4,1% un 73,1%±8,3%. Reaktors ir sadalīts divās zonās ar starpsienu,{12}}aerobo zonu un atteces zonu. Nitrificējošās baktērijas un aerobo polifosfātu{14}}akumulējošās baktērijas galvenokārt atrodamas aerobajā zonā, savukārt DPB atrodas atteces zonā. Anaerobajā periodā DPB atteces zonā un polifosfātu{16}}akumulējošās baktērijas aerobajā zonā absorbē organisko substrātu; aerobā/anoksiskā periodā nitrificējošās baktērijas aerobajā zonā ražo NO3- un NO2-, lai nodrošinātu elektronu akceptorus DPB fosfora uzņemšanai, tādējādi izvadot slāpekli un fosforu. Dūņu noņemšana ir būtisks faktors, kas ietekmē fosfora atdalīšanu, ko var panākt, pielāgojot šķiedru iepakojuma blīvumu. Parastajiem SBBR ir slikta slāpekļa un fosfora atdalīšanas efektivitāte, galvenokārt tāpēc, ka bioplēvē ir konkurence par skābekli un barības vielām starp nitrificējošām baktērijām un heterotrofiskajām baktērijām. Salīdzinot ar parastajiem SBBR, iekšējās cirkulācijas gaisa transports SBBR izvairās no šīs konkurences; salīdzinot ar parastajiem aktīvo dūņu procesiem, šis reaktors ietaupa enerģiju un investīcijas.
4. Outlook
Ir sasniegti provizoriskie rezultāti denitrifikācijas fosfora atdalīšanas tehnoloģijas izpētē gan vietējā, gan starptautiskā mērogā, un tehnoloģija virzījusies no fundamentāliem pētījumiem līdz inženiertehniskajai pielietošanai. Pašlaik mūsu izpratne par mikrobu kopienas struktūru un funkcijām denitrifikācijas fosfora noņemšanas sistēmās joprojām ir ierobežota. Mikrobu kopienas struktūra dažādās sistēmās ievērojami atšķiras, un arī mikrobu kopiena tajā pašā sistēmā ir ļoti sarežģīta. Molekulārās bioloģijas metodes var izmantot, lai izsekotu mikrobu kopienas dinamikai un identificētu funkcionālās grupas, atklājot saistību starp mikrobu kopienas struktūru un funkciju, tādējādi ļaujot labāk kontrolēt bioloģiskās attīrīšanas inženieriju. Molekulārās bioloģijas metodes, ko izmanto bioloģiskajā fosfora atdalīšanai, ietver polimerāzes ķēdes reakciju (PCR), restrikcijas fragmenta garuma polimorfismu (RFLP) un oligonukleotīdu zondes metodes. Pētījumos parasti tiek uzskatīts, ka polifosfātus uzkrājošās baktērijas (PAB) pieder -proteobaktēriju Rhodocyclus un Dechlorimonas grupām. Satoshi T. et al. izmantoja RFLP, lai pētītu polifosfātu{10}}akumulējošo baktēriju (DPB) īpašības, norādot, ka DPB ir Thaurera mechrnichensis un Azoarcus tolulyticus no Rhodocyclus grupas. Mums ir cieši jāintegrē denitrifikācijas fosfora noņemšanas sistēmu mikrobioloģija un inženierija. Izmantojot mikrobu noteikšanu un ekoloģiskos pētījumus, mēs varam analizēt un noteikt DPB daudzumu un kopienas struktūru sistēmā, izprast, kā darbības parametri ietekmē PPB, nitrificējošo baktēriju un DPB raksturlielumus, iedzīvotāju blīvuma sadalījumu un telpisko sadalījumu, tādējādi panākot mākslīgu denitrifikācijas fosfora noņemšanas procesu uzlabošanu un tehnoloģiju pielietojumu, optimizējot apstrādes izstrādi.
