1. Denitrifikačný mechanizmus odstraňovania fosforu
Vysoko-kyslé baktérie rozkladajú veľké organické molekuly na nízko-molekulové-mastné kyseliny v anaeróbnych podmienkach. DPB (Distilled Bismuth Biota) rozkladá polyfosfáty vo svojich bunkách za anaeróbnych podmienok a vytvára ATP, absorbuje mastné kyseliny prostredníctvom aktívneho transportu a syntetizuje poly(-hydroxybutyrát) (PHB), pričom súčasne uvoľňuje PO43-. Po nahromadení veľkého množstva PHB sa DPB dostáva do anaeróbneho stavu, pričom ako akceptor elektrónov na oxidáciu PHB používa NO3-. Využíva degradáciu PHB na generovanie energie a poskytovanie redukčnej energie (nikotínamid adenín dinukleotid (NADH) a využíva NADH+H+ ako nosič elektrónového transportného reťazca na odstránenie protónov, čím vytvára protónmi poháňanú silu. Táto protónmi poháňaná sila transportuje PO43- zvonku tela do tela, kde syntetizuje ATPázu na polyméry PO43 pôsobením prebytku ATP-polyfosfátu. produkovaný DPB za anaeróbnych podmienok cez elektrónový transportný reťazec prevyšuje ATP produkovaný za anaeróbnych podmienok rozkladom polyfosfátov v tele. Preto je fosfor absorbovaný za anaeróbnych podmienok väčší ako fosfor uvoľnený za anaeróbnych podmienok. DPB má teda funkciu nadmerného príjmu fosforu z odpadových vôd.
2. Hlavné faktory ovplyvňujúce denitrifikáciu a odstraňovanie fosforu
2.1 Pomer-k{2}}dusíku
Podľa tradičnej teórie odstraňovania fosforu prítomnosť zdrojov uhlíka v anoxickej zóne alebo dusičnanov v anaeróbnej zóne vedie ku konkurencii medzi denitrifikačnými baktériami a DPB o dusičnanový dusík akceptor elektrónov alebo o zdroje uhlíka, čím sa znižuje selektívna výhoda DPB a ovplyvňuje účinnosť odstraňovania fosforu. To si vyžaduje vhodný pomer uhlíka-k-dusíku v prítoku. Výskum Ahna J. a kol. ukazuje, že v anaeróbnych/aeróbnych (A/O) podmienkach dlhodobá-aklimatizácia zdrojov uhlíka a malé množstvo dusičnanov vstupujúcich do anaeróbnej zóny podporuje obohatenie DPB a DPB si môže zachovať svoju kapacitu absorpcie anoxického fosforu v podmienkach A/O. Z mikrobiologického hľadiska existujú dve vysvetlenia: jedným je, že DPB priamo využíva zdroje uhlíka v anaeróbnej zóne prostredníctvom cyklu trikarboxylových kyselín (TCA); druhým je, že DPB oxiduje zdroje uhlíka počas anaeróbneho obdobia prostredníctvom cyklu TCA, aby získal redukčnú silu a energiu na akumuláciu polyhydroxyalkánových kyselín a prežil počas aeróbneho obdobia. V tomto ohľade neboli publikované žiadne ďalšie správy týkajúce sa fyziologických charakteristík DPB.
2.2 Spôsoby dávkovania dusičnanov
Existujú dva spôsoby pridávania dusičnanov v anoxickej zóne: okamžité pridávanie a kontinuálne pridávanie. Nepretržité pridávanie je o niečo účinnejšie a tiež zabraňuje hromadeniu dusitanov. Čo sa týka účinku kontinuálneho času pridávania na rýchlosť absorpcie fosforu, Zou Hua et al. ukázali, že rýchlosť absorpcie fosforu bola vyššia, keď čas kontinuálneho pridávania bol 2 hodiny, ako keď to bolo 3,5 hodiny. V súčasnosti však neexistujú žiadne správy o špecifickom vzťahu medzi rýchlosťou pridávania a rýchlosťou absorpcie fosforu. Viac technických dokumentov možno nájsť na China Wastewater Treatment Engineering Network.
2,3 SRT
DPB rastie pomalšie v podmienkach A/A ako v podmienkach A/O. Príliš krátka SRT spôsobí elimináciu DPB v reaktore, zatiaľ čo príliš dlhá SRT spôsobí starnutie kalu a zníženie obsahu fosforu. Merzouki M. uviedol, že účinnosť odstraňovania fosforu denitrifikačného systému na odstraňovanie fosforu SBR bola 1,8-krát vyššia, keď bola SRT 15 dní, ako keď bola 7,5 dňa. Pre procesy granulovaného kalu používané na odstraňovanie fosforu a dusíka je štruktúra kalu zložitá kvôli jeho bohatšiemu a integrovanejšiemu biologickému spoločenstvu. Ako vyvážiť DPB, baktérie-akumulujúce polyfosfáty a nitrifikačné baktérie prostredníctvom starnutia kalu, zostáva nejasné.
2.4 Dusitany
V súčasnosti existujú dva názory na to, či dusitany inhibujú príjem fosforu, a tieto názory sú založené na rôznych výskumných predmetoch. Pri použití kalu, ktorý neprešiel denitrifikáciou a aklimatizáciou na odstraňovanie fosforu ako predmet výskumu, výsledky konzistentne ukazujú, že koncentrácie dusitanov prekračujúce kritickú úroveň inhibujú príjem fosforu. Experimenty Wang Ya-yi a kol. ukázali, že príjem fosforu je inhibovaný, keď koncentrácia dusitanov presiahne 15 mg/l, zatiaľ čo experimenty Meinholda J. et al. ukázali, že kritická koncentrácia dusitanov je 5–8 mg/l. Avšak použitie kalu, ktorý prešiel denitrifikáciou a aklimatizáciou na odstránenie fosforu, ako predmet výskumu prináša odlišné výsledky. Experimenty Hu JY ukázali, že okrem všeobecne uznávaných baktérií akumulujúcich polyfosfát{13} (PAB) a DPB existuje aj tretia skupina PPB. Tieto PPB môžu využívať dusitany ako akceptor elektrónov na príjem fosforu. Okrem toho experimenty ukázali, že keď bola počiatočná koncentrácia dusitanov nižšia ako 115 mg/l, nedošlo k žiadnej významnej inhibícii vychytávania fosforu. Koncentrácia dusitanov v domácich čistiarňach odpadových vôd je zjavne hlboko pod touto kritickou koncentráciou, takže nebude mať nepriaznivý vplyv na biologické odstraňovanie fosforu. Odstraňovanie denitrifikačného fosforu ovplyvňuje mnoho ďalších faktorov, ako je teplota (DPB je obzvlášť citlivý na teplotu, najmä nízke teploty) a katióny (Mg2+ a K+). V súčasnosti existuje malý výskum týchto aspektov a interakcie medzi rôznymi faktormi zvyšujú náročnosť výskumu.
3. Nové prístupy k dosiahnutiu denitrifikačného odstraňovania fosforu
Tradičné typické procesy denitrifikačného odstraňovania fosforu zahŕňajú: ① Anaeróbny/anoxický a nitrifikačný (A2N) proces. Tento proces je duálnym-procesom odstraňovania fosforu z denitrifikácie kalu, pri ktorom sa nitrifikačné baktérie a DPB kultivujú oddelene v rôznych kalových systémoch, čím sa úplne oddelia nitrifikačné baktérie od DPB. Proces A2N je najvhodnejší pre situácie s nízkym pomerom uhlíka a dusíka. ② Proces Dephanox. Keď je obsah pritekajúceho uhlíka a dusíka vysoký, za anoxickou nádržou v procese A2N je potrebné pridať prevzdušňovaciu nádrž, čím sa vytvorí proces DEPHANOX.
③ Proces BCFS. Tento proces je modifikovaný proces UCT. Princíp návrhu procesu UCT je založený na inžinierskom zlepšení podmienok prostredia vyžadovaných baktériami akumulujúcimi polyfosfát{2}}, zatiaľ čo vývoj BCFS má vytvoriť podmienky na obohatenie DPB z hľadiska procesu. Nedávno došlo k prelomu vo výskume aplikácie technológie denitrifikačného odstraňovania fosforu. Jednotky, ktoré potrebujú čistenie odpadových vôd, môžu tiež konzultovať spoločnosti s podobnými skúsenosťami s čistením odpadových vôd na platforme služieb projektu Wastewater Treasure.
3.1 Metóda AOA-SBR
Anaeróbny/anoxický/aeróbny (A2O) proces je bežnou formou odstraňovania dusíka a fosforu. Funguje hlavne prostredníctvom metabolizmu baktérií akumulujúcich polyfosfáty, nitrifikačných baktérií a denitrifikačných baktérií. Preto je pri tomto procese nevyhnutná cirkulácia kvapalín obsahujúcich dusičnany a dusitany. Tsuneda S. a kol. navrhol anaeróbny/aeróbny/anoxický (AOA) proces v SBR (vlastný-biochemický reaktor), ktorý plne využíva charakteristiku DPB (difosfát polyfosfát) na súčasné odstraňovanie dusíka a fosforu za anoxických podmienok a bez zdroja uhlíka. To umožňuje denitrifikáciu v anoxickej časti bez zdroja uhlíka, čím sa eliminuje potreba cirkulácie medzi aeróbnymi a anoxickými nádržami, čím sa dosiahne súčasné odstraňovanie dusíka a fosforu v jedinom SBR. Experimenty tiež ukázali, že tento proces môže dosiahnuť vynikajúce účinky odstraňovania dusíka a fosforu pri čistení syntetickej odpadovej vody s pomerom uhlíka-k{11}}dusíku nižším ako 10, s priemernou mierou odstraňovania dusíka a fosforu 83 % a 92 %. Tento proces nielen obohacuje DPB, ale tiež spôsobuje, že DPB hrá hlavnú úlohu pri odstraňovaní fosforu a dusíka. Experimentálne výsledky ukazujú, že DPB predstavuje 44 % z celkového počtu baktérií akumulujúcich polyfosfáty v procese AOA-SBR, čo je výrazne viac ako pri konvenčných procesoch A/O-SBR (13 %) a A2O (21 %).
Proces AOA{0}}SBR má dve kľúčové charakteristiky: ① Na začiatku aeróbnej fázy sa pridá primerané množstvo zdroja uhlíka, aby sa inhibovalo vychytávanie aeróbneho fosforu. V tomto experimente bolo optimálne množstvo zdroja uhlíka pridaného počas aeróbnej fázy 40 mg/l.
② V tomto procese môže dusitan pôsobiť ako akceptor elektrónov pre príjem fosforu.
3.2 Proces granulovaného kalu
Granulovaný kal na odstraňovanie dusíka a fosforu je v súčasnosti stále v štádiu výskumu. V porovnaní s konvenčnými kalovými procesmi má aeróbny granulovaný kal lepšiu schopnosť usadzovania, vyššiu koncentráciu biomasy a nižší obsah vlhkosti kalu. Použitím granulovaného kalu je možné prekonať problémy, ktoré existujú v konvenčnom kalu (ako je objemové zväčšovanie kalu, veľká pôdorysná plocha čistiacich štruktúr a sekundárne uvoľňovanie fosforu z čističiek). Experimenty Dulekgurgena E. a kol. ukázali, že granulovaný kal má stabilnú biomasu s mierou odstraňovania CHSK, fosforu a dusíka 95 %, 99,6 % a 71 %. Výsledky domáceho výskumu sú v súlade s týmito zisteniami a aeróbny granulovaný kal má schopnosť denitrifikácie a odstraňovania fosforu. Vďaka jedinečnej štruktúre granulovaného kalu a prítomnosti gradientu difúzie kyslíka poskytuje prostredie pre koexistenciu baktérií akumulujúcich polyfosfát{10}}, nitrifikačných baktérií a DPB. V granulovanom kale sa hromadí veľké množstvo DPB a nitrifikačných baktérií; experimenty Yang Guojing a kol. ukázali, že DPB predstavuje 73,1 % všetkých baktérií akumulujúcich polyfosfát{14}}v granulovanom kale. Kultivácia granulovaného kalu je náročnejšia ako kultivácia bežného kalu a ovplyvňujúce faktory sú pomerne zložité.
Okrem ovplyvňujúcich faktorov spoločných pre bežnú denitrifikáciu kalu a odstraňovanie fosforu má granulovaný kal svoje vlastné jedinečné ovplyvňujúce faktory: ① Interakcia medzi koncentráciou DO a veľkosťou častíc má významný vplyv na účinnosť denitrifikácie a odstraňovania fosforu. Ak je veľkosť častíc príliš malá, prenikanie kyslíka je relatívne silné, čo ovplyvňuje tvorbu anoxickej zóny, čo vedie k nemožnosti dosiahnuť denitrifikáciu a odstránenie fosforu.
② Udržiavanie vhodného pomeru dusíka-k-fosforu je kľúčové pre granuláciu kalu a kapacitu odstraňovania fosforu. Keď sa pomer dusíka-k-fosforu zvýši z 2,36 na 4,0, miera odstraňovania fosforu sa zníži z 85,0 % na 54,1 %. ③ Experimenty Lin Y{10}}M a kol. ukázali úzky vzťah medzi veľkosťou častíc a pomerom hmotnosti fosforu-k-uhlíkom. Vysoký pomer hmotnosti {-fosforu k{16}}uhlíkom môže viesť k menším časticiam s kompaktnejšou štruktúrou, čím sa znižuje SVI a podporuje sa hromadenie baktérií akumulujúcich polyfosfáty.
3.3 Vnútorná cirkulácia Airlift Sekvenovanie dávkového procesu biofilmu
Sekvenčný dávkový biofilmový proces s internou cirkuláciou airlift (SBBR) je určený hlavne na integrované odstraňovanie fosforu a dusíka. Štúdie Zhang ZY a kol. ukázali, že vnútorný cirkulačný airlift SBBR dosiahol stabilné rýchlosti odstraňovania dusíka a fosforu. Rýchlosti odstraňovania CHSK, N a P pri optimálnej hustote zloženia a organickej záťaži boli 95,3 % ± 3,3 %, 94,6 % ± 4,1 % a 73,1 % ± 8,3 %, v danom poradí. Reaktor je rozdelený na dve zóny delením{12}}aeróbnou zónou a refluxnou zónou. Nitrifikačné baktérie a aeróbne polyfosfát{14}}akumulujúce baktérie sa nachádzajú hlavne v aeróbnej zóne, zatiaľ čo DPB sa nachádza v refluxnej zóne. Počas anaeróbneho obdobia DPB v refluxnej zóne a baktérie akumulujúce polyfosfát{16}} v aeróbnej zóne absorbujú organický substrát; počas aeróbneho/anoxického obdobia nitrifikačné baktérie v aeróbnej zóne produkujú NO3- a NO2-, aby poskytli akceptory elektrónov pre príjem fosforu DPB, čím odstraňujú dusík a fosfor. Odstraňovanie kalu je rozhodujúcim faktorom ovplyvňujúcim odstraňovanie fosforu, čo sa dá dosiahnuť úpravou hustoty náplne vlákna. Bežné SBBR majú slabú účinnosť odstraňovania dusíka a fosforu, hlavne kvôli konkurencii o kyslík a živiny medzi nitrifikačnými baktériami a heterotrofnými baktériami v biofilme. V porovnaní s konvenčnými SBBR sa vnútorný cirkulačný vzduchový most SBBR vyhýba tejto konkurencii; v porovnaní s konvenčnými procesmi aktivovaného kalu tento reaktor šetrí energiu a investície.
4. Výhľad
Vo výskume technológie denitrifikačného odstraňovania fosforu sa dosiahli predbežné výsledky na domácom i medzinárodnom poli a technológia pokročila od základného výskumu k inžinierskej aplikácii. V súčasnosti je naše chápanie štruktúry a funkcie mikrobiálnej komunity v systémoch na odstraňovanie denitrifikačného fosforu stále obmedzené. Štruktúra mikrobiálnej komunity sa medzi rôznymi systémami výrazne líši a mikrobiálna komunita v tom istom systéme je tiež veľmi zložitá. Techniky molekulárnej biológie možno použiť na sledovanie dynamiky mikrobiálnej komunity a identifikáciu funkčných skupín, odhaľujúc vzťah medzi štruktúrou a funkciou mikrobiálnej komunity, čo umožňuje lepšiu kontrolu inžinierstva biologického čistenia. Techniky molekulárnej biológie používané na biologické odstraňovanie fosforu zahŕňajú polymerázovú reťazovú reakciu (PCR), polymorfizmus dĺžky restrikčných fragmentov (RFLP) a techniky oligonukleotidovej sondy. Štúdie vo všeobecnosti považujú baktérie akumulujúce polyfosfáty (PAB) za baktérie zo skupiny -proteobaktérií Rhodocyclus a Dechlorimonas. Satoshi T. a kol. použil RFLP na štúdium charakteristík baktérií akumulujúcich polyfosfát{10}}(DPB), čo naznačuje, že DPB sú Thaurera mechrnichensis a Azoarcus tolulyticus zo skupiny Rhodocyclus. Musíme úzko integrovať mikrobiológiu a inžinierstvo denitrifikačných systémov na odstraňovanie fosforu. Prostredníctvom mikrobiálnej detekcie a ekologických štúdií dokážeme analyzovať a určiť množstvo a štruktúru komunity DPB v systéme, pochopiť, ako prevádzkové parametre ovplyvňujú charakteristiky, distribúciu hustoty obyvateľstva a priestorové rozmiestnenie PPB, nitrifikačných baktérií a DPB, čím sa dosiahne umelé zlepšenie systémov denitrifikačného odstraňovania fosforu, optimalizácia procesov úpravy a posilnenie vývoja a aplikácie nových technológií.