1. Mecanismul de eliminare a fosforului de denitrificare
Bacteriile cu{0}}acid mare descompun moleculele organice mari în acizi grași cu greutate-moleculară- mică în condiții anaerobe. DPB (Biota de bismut distilat) descompune polifosfații din celulele sale în condiții anaerobe pentru a genera ATP, absorbind acizii grași prin transport activ și sintetizând poli(-hidroxibutirat) (PHB), în timp ce eliberează simultan PO43-. După acumularea unor cantități mari de PHB, DPB intră într-o stare anaerobă, folosind NO3- ca acceptor de electroni pentru oxidarea PHB. Utilizează degradarea PHB pentru a genera energie și pentru a oferi putere de reducere (nicotinamidă adenin dinucleotidă (NADH) și folosește NADH+H+ ca purtător al lanțului de transport de electroni pentru a elimina protonii, formând astfel o forță condusă de protoni. Această forță condusă de protoni transportă PO43- din exteriorul corpului în organism, unde sintetizează excesul de ATP, sub acțiunea de polimerizare a ATP-4 în ATP. ATP produs de DPB în condiții anaerobe prin lanțul de transport de electroni depășește ATP produs în condiții anaerobe prin descompunerea polifosfaților în organism. Prin urmare, fosforul absorbit în condiții anaerobe este mai mare decât fosforul eliberat din excesul de apă.
2. Principalii factori care afectează denitrificarea și îndepărtarea fosforului
2.1 Raportul de carbon-la-azot
Conform teoriei tradiționale de îndepărtare a fosforului, prezența surselor de carbon în zona anoxică sau a nitraților în zona anaerobă duce la competiție între bacteriile denitrificatoare și DPB pentru azotul nitrat acceptor de electroni sau pentru sursele de carbon, reducând astfel avantajul selectiv al DPB și afectând eficiența eliminării fosforului. Acest lucru necesită un raport adecvat de carbon-la-azot în influent. Cu toate acestea, cercetările lui Ahn J. și colab. arată că în condiții anaerobe/aerobe (A/O), aclimatizarea pe termen lung a surselor de carbon și o cantitate mică de nitrați care intră în zona anaerobă promovează îmbogățirea DPB, iar DPB își poate menține capacitatea de absorbție a fosforului anoxic în condiții de A/O. Din punct de vedere microbiologic, există două explicații: una este că DPB utilizează direct sursele de carbon din zona anaerobă prin ciclul acidului tricarboxilic (TCA); celălalt este că DPB oxidează sursele de carbon în timpul perioadei anaerobe prin ciclul TCA pentru a obține putere și energie reducătoare pentru a acumula acizi polihidroxialcanoici și supraviețuiește în perioada aerobă. Nu au fost publicate alte rapoarte cu privire la caracteristicile fiziologice ale DPB în acest sens.
2.2 Metode de dozare a nitraților
Există două metode de adăugare a nitratului în zona anoxică: adăugare instantanee și adăugare continuă. Adăugarea continuă este puțin mai eficientă și, de asemenea, evită acumularea de nitriți. În ceea ce privește efectul timpului de adăugare continuă asupra ratei de absorbție a fosforului, Zou Hua și colab. a arătat că rata de absorbție a fosforului a fost mai mare atunci când timpul de adăugare continuă a fost de 2 ore decât atunci când a fost de 3,5 ore. Cu toate acestea, în prezent nu există rapoarte privind relația specifică dintre rata de adăugare și rata de absorbție a fosforului. Mai multe documente tehnice pot fi găsite în rețeaua de inginerie de tratare a apelor uzate din China.
2.3 SRT
DPB crește mai lent în condiții A/A decât în condiții A/O. Un SRT prea scurt va determina eliminarea DPB din reactor, în timp ce un SRT prea lung va duce la îmbătrânirea nămolului și la scăderea conținutului de fosfor. Merzouki M. a raportat că eficiența de îndepărtare a fosforului a sistemului de denitrificare SBR de îndepărtare a fosforului a fost de 1,8 ori mai mare atunci când SRT a fost de 15 zile decât atunci când a fost de 7,5 zile. Pentru procesele de nămol granular utilizate pentru îndepărtarea fosforului și azotului, structura nămolului este complexă datorită comunității sale biologice mai bogate și mai integrate. Cum să echilibrați DPB, bacteriile care acumulează-polifosfat și bacteriile nitrificante prin vârsta nămolului rămâne incert.
2.4 Nitriți
În prezent, există două opinii cu privire la dacă nitritul inhibă absorbția fosforului, iar aceste opinii se bazează pe diferite subiecte de cercetare. Folosind nămolul care nu a suferit denitrificare și aclimatizare prin eliminarea fosforului ca subiect de cercetare, rezultatele arată în mod constant că concentrațiile de nitriți care depășesc un nivel critic inhibă absorbția fosforului. Experimentele lui Wang Ya-yi și colab. a arătat că absorbția fosforului este inhibată atunci când concentrația de nitriți depășește 15 mg/L, în timp ce experimentele lui Meinhold J. și colab. a indicat că concentrația critică de nitriți este de 5-8 mg/L. Cu toate acestea, utilizarea nămolului care a suferit denitrificare și aclimatizare prin îndepărtarea fosforului ca subiect de cercetare dă rezultate diferite. Experimentele lui Hu JY au arătat că, pe lângă bacteriile care acumulează polifosfat-foarte recunoscute (PAB) și DPB, există și un al treilea grup de PPB. Aceste PPB pot utiliza nitritul ca acceptor de electroni pentru absorbția fosforului. Mai mult, experimentele au arătat că atunci când concentrația inițială de nitriți a fost mai mică de 115 mg/L, nu a existat o inhibare semnificativă a absorbției de fosfor. Concentrația de nitriți în stațiile de epurare a apelor uzate menajere este evident mult sub această concentrație critică, astfel încât nu va afecta negativ îndepărtarea biologică a fosforului. Mulți alți factori influențează eliminarea fosforului prin denitrificare, cum ar fi temperatura (DPB este deosebit de sensibil la temperatură, în special la temperaturi scăzute) și cationii (Mg2+ și K+). În prezent, există puține cercetări asupra acestor aspecte, iar interacțiunile dintre diverși factori cresc dificultatea cercetării.
3. Noi abordări pentru a realiza eliminarea fosforului prin denitrificare
Procesele tradiționale de denitrificare tipice de îndepărtare a fosforului includ: ① Procesul anaerob/anoxic și de nitrificare (A2N). Acest proces este un proces dublu de îndepărtare a fosforului de denitrificare a nămolului-în care bacteriile de nitrificare și DPB sunt cultivate separat în diferite sisteme de nămol, separând complet bacteriile de nitrificare de DPB. Procesul A2N este cel mai potrivit pentru situațiile cu proporții scăzute de carbon și azot. ② Procesul Dephanox. Atunci când conținutul de carbon și azot influent este mare, trebuie adăugat un rezervor de aerare după rezervorul anoxic în procesul A2N, formând astfel procesul DEPHANOX.
③Procesul BCFS. Acest proces este un proces UCT modificat. Principiul de proiectare al procesului UCT se bazează pe îmbunătățirea inginerească a condițiilor de mediu cerute de bacteriile care acumulează polifosfat-, în timp ce dezvoltarea BCFS este de a crea condiții de îmbogățire pentru DPB din perspectiva procesului. Recent, s-a înregistrat o descoperire în cercetarea privind aplicarea tehnologiei de îndepărtare a fosforului prin denitrificare. Unitățile care au nevoie de epurare a apelor uzate pot consulta și companii cu experiență similară în tratarea apelor uzate pe platforma de servicii pentru proiectul Wastewater Treasure.
3.1 Metoda AOA-SBR
Procesul anaerob/anoxic/aerob (A2O) este o formă comună de îndepărtare a azotului și a fosforului. Funcționează în principal prin metabolismul bacteriilor care acumulează-polifosfat, bacteriilor nitrificatoare și bacteriilor denitrificatoare. Prin urmare, circulația lichidelor care conțin nitrați și nitriți este esențială în acest proces. Tsuneda S. şi colab. a propus un proces anaerob/aerob/anoxic (AOA) în SBR (Self-Reactor biochimic), care utilizează pe deplin caracteristica DPB (difosfat polifosfat) pentru a elimina simultan azotul și fosforul în condiții anoxice și fără o sursă de carbon. Acest lucru permite denitrificarea să aibă loc în secțiunea anoxică fără o sursă de carbon, eliminând necesitatea circulației între rezervoarele aerobe și anoxice, realizând astfel îndepărtarea simultană a azotului și fosforului într-un singur SBR. Experimentele au demonstrat, de asemenea, că acest proces poate obține efecte excelente de eliminare a azotului și a fosforului atunci când se tratează ape uzate sintetice cu un raport carbon-la-azot sub 10, cu rate medii de eliminare a azotului și fosforului de 83% și, respectiv, 92%. Acest proces nu numai că îmbogățește DPB, ci și face ca DPB să joace un rol major în îndepărtarea fosforului și a azotului. Rezultatele experimentale arată că DPB reprezintă 44% din totalul bacteriilor care acumulează polifosfat-în procesul AOA-SBR, ceea ce este semnificativ mai mare decât cel al proceselor convenționale A/O-SBR (13%) și A2O (21%).
Procesul AOA-SBR are două caracteristici cheie: ① O cantitate adecvată de sursă de carbon este adăugată la începutul fazei aerobe pentru a inhiba absorbția aerobă de fosfor. În acest experiment, cantitatea optimă de sursă de carbon adăugată în timpul fazei aerobe a fost de 40 mg/L.
② În acest proces, nitritul poate acționa ca un acceptor de electroni pentru absorbția fosforului.
3.2 Procesul de nămol granular
Nămolul granular pentru îndepărtarea azotului și fosforului este în prezent încă în stadiul de cercetare. În comparație cu procesele convenționale cu nămol, nămolul aerob granular are o performanță mai bună de decantare, o concentrație mai mare de biomasă și un conținut mai scăzut de umiditate a nămolului. Prin aplicarea nămolului granular, pot fi depășite problemele existente în nămolul convențional (cum ar fi înmulțirea nămolului, amprenta mare a structurilor de tratare și eliberarea secundară a fosforului din limpezitoare). Experimentele lui Dulekgurgen E. et al. a arătat că nămolul granular are o biomasă stabilă, cu rate de eliminare a COD, fosforului și azotului de 95%, 99,6% și, respectiv, 71%. Rezultatele cercetărilor interne sunt în concordanță cu aceste constatări, iar nămolul granular aerob posedă capacități de denitrificare și de îndepărtare a fosforului. Datorită structurii unice a nămolului granular și a prezenței unui gradient de difuzie a oxigenului, acesta oferă un mediu pentru coexistența bacteriilor care acumulează-polifosfat, bacterii nitrificatoare și DPB. Cantități mari de DPB și bacterii nitrificante se acumulează în nămolul granular; experimentele lui Yang Guojing et al. a arătat că DPB a reprezentat 73,1% din toate bacteriile care acumulează polifosfat-în nămolul granular. Cultivarea nămolului granular este mai dificilă decât cultivarea nămolului obișnuit, iar factorii de influență sunt relativ complexi.
În plus față de factorii de influență comuni denitrificării obișnuite a nămolului și eliminării fosforului, nămolul granular are propriii factori de influență unici: ① Interacțiunea dintre concentrația de DO și dimensiunea particulelor are un impact semnificativ asupra eficienței denitrificării și eliminării fosforului. Dacă dimensiunea particulelor este prea mică, pătrunderea oxigenului este relativ puternică, afectând formarea zonei anoxice, ducând la incapacitatea de a realiza denitrificare și eliminarea fosforului.
② Menținerea unui raport adecvat de azot-la-fosfor este crucială pentru granularea nămolului și capacitatea de îndepărtare a fosforului. Când raportul azot-la-fosfor crește de la 2,36 la 4,0, rata de eliminare a fosforului scade de la 85,0% la 54,1%. ③ Experimentele lui Lin Y-M și colab. a arătat o relație strânsă între dimensiunea particulelor și raportul dintre fosfor- și-masa de carbon. Un raport ridicat de fosfor-la-masă de carbon poate duce la particule mai mici, cu o structură mai compactă, reducând astfel SVI și favorizând acumularea de bacterii care acumulează-polifosfat.
3.3 Procesul de biofilm în loturi de secvențiere a transportului aerian cu circulație internă
Procesul de biofilm în loturi de secvențiere a transportului aerian cu circulație internă (SBBR) este conceput în principal pentru îndepărtarea integrată a fosforului și azotului. Studiile lui Zhang ZY et al. a arătat că transportul aerian cu circulație internă SBBR a atins rate stabile de eliminare a azotului și a fosforului. Ratele de îndepărtare a COD, N și P sub densitatea optimă de ambalare și încărcătura organică au fost de 95,3% ± 3,3%, 94,6% ± 4,1% și, respectiv, 73,1% ± 8,3%. Reactorul este împărțit în două zone printr-o partiție-o zonă aerobă și o zonă de reflux. Bacteriile nitrificatoare și bacteriile care acumulează polifosfat-aerobe se găsesc în principal în zona aerobă, în timp ce DPB se găsește în zona de reflux. În timpul perioadei anaerobe, DPB din zona de reflux și bacteriile care acumulează-polifosfat în zona aerobă absorb substratul organic; în timpul perioadei aerobe/anoxice, bacteriile nitrificatoare din zona aerobă produc NO3- și NO2- pentru a furniza acceptori de electroni pentru absorbția fosforului DPB, eliminând astfel azotul și fosforul. Îndepărtarea nămolului este un factor crucial care afectează îndepărtarea fosforului, care poate fi realizată prin ajustarea densității ambalajului de fibre. SBBR-urile convenționale au o eficiență slabă de îndepărtare a azotului și fosforului, în principal din cauza competiției pentru oxigen și nutrienți dintre bacteriile nitrificatoare și bacteriile heterotrofe din biofilm. În comparație cu SBBR-urile convenționale, transportul aerian cu circulație internă SBBR evită această competiție; în comparație cu procesele convenționale cu nămol activ, acest reactor economisește energie și investiții.
4. Outlook
S-au obținut rezultate preliminare în cercetarea tehnologiei de îndepărtare a fosforului prin denitrificare atât pe plan intern, cât și internațional, iar tehnologia a progresat de la cercetarea de bază la aplicarea ingineriei. În prezent, înțelegerea noastră a structurii și funcției comunității microbiene în sistemele de îndepărtare a fosforului de denitrificare este încă limitată. Structura comunității microbiene variază semnificativ între sisteme diferite, iar comunitatea microbiană din cadrul aceluiași sistem este, de asemenea, foarte complexă. Tehnicile de biologie moleculară pot fi utilizate pentru a urmări dinamica comunității microbiene și pentru a identifica grupuri funcționale, dezvăluind relația dintre structura și funcția comunității microbiene, permițând astfel un control mai bun al ingineriei de tratament biologic. Tehnicile de biologie moleculară utilizate în îndepărtarea biologică a fosforului includ reacția în lanț a polimerazei (PCR), polimorfismul de lungime a fragmentului de restricție (RFLP) și tehnicile cu sonde de oligonucleotide. În general, studiile consideră că bacteriile care acumulează polifosfat-(PAB) aparțin grupelor Rhodocyclus și Dechlorimonas ale -proteobacteriilor. Satoshi T. şi colab. a folosit RFLP pentru a studia caracteristicile bacteriilor cu-polifosfat (DPB), ceea ce indică faptul că DPB sunt Thaurera mechrnichensis și Azoarcus tolulyticus din grupul Rhodocyclus. Trebuie să integrăm îndeaproape microbiologia și ingineria sistemelor de îndepărtare a fosforului de denitrificare. Prin detecția microbiană și studii ecologice, putem analiza și determina cantitatea și structura comunitară a DPB-urilor din sistem, putem înțelege modul în care parametrii de funcționare afectează caracteristicile, distribuția densității populației și distribuția spațială a PPB-urilor, bacteriilor nitrificatoare și DPB-urilor, realizând astfel îmbunătățirea artificială a denitrificarii fosforului, optimizarea dezvoltării sistemelor de tratare și a întăririi noilor procese de tratare.