1. Μηχανισμός Απονιτροποίησης Απομάκρυνσης Φωσφόρου
Τα βακτήρια υψηλού-οξέος αποσυνθέτουν μεγάλα οργανικά μόρια σε λιπαρά οξέα χαμηλού-μοριακού-βάρους υπό αναερόβιες συνθήκες. Το DPB (Distilled Bismuth Biota) αποσυνθέτει πολυφωσφορικά μέσα στα κύτταρα του υπό αναερόβιες συνθήκες για να δημιουργήσει ATP, απορροφώντας λιπαρά οξέα μέσω ενεργού μεταφοράς και συνθέτοντας πολυ(-υδροξυβουτυρικό) (PHB), ενώ ταυτόχρονα απελευθερώνει PO43-. Μετά τη συσσώρευση μεγάλων ποσοτήτων PHB, το DPB εισέρχεται σε αναερόβια κατάσταση, χρησιμοποιώντας το NO3- ως τον δέκτη ηλεκτρονίων για την οξείδωση του PHB. Χρησιμοποιεί την αποικοδόμηση του PHB για να παράγει ενέργεια και να παρέχει μειωτική ισχύ (νικοταμιδική αδενίνη δινουκλεοτίδιο (NADH) και χρησιμοποιεί NADH+H+ ως φορέα της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων για την απομάκρυνση των πρωτονίων, σχηματίζοντας έτσι μια δύναμη που καθοδηγείται από πρωτόνια. πολυμερισμός της περίσσειας PO43 σε πολυφωσφορικά άλατα Το ATP που παράγεται από το DPB μέσω της αλυσίδας μεταφοράς ηλεκτρονίων υπερβαίνει το ATP που παράγεται υπό αναερόβιες συνθήκες μέσω της αποσύνθεσης των πολυφωσφορικών αλάτων στο σώμα λύματα.
2. Κύριοι Παράγοντες που Επηρεάζουν την Απονιτροποίηση και την Απομάκρυνση Φωσφόρου
2.1 Αναλογία άνθρακα-προς-Αζώτου
Σύμφωνα με την παραδοσιακή θεωρία αφαίρεσης φωσφόρου, η παρουσία πηγών άνθρακα στην ανοξική ζώνη ή νιτρικών αλάτων στην αναερόβια ζώνη οδηγεί σε ανταγωνισμό μεταξύ απονιτροποιητικών βακτηρίων και DPB για νιτρικό άζωτο αποδέκτη ηλεκτρονίων ή για πηγές άνθρακα, μειώνοντας έτσι το επιλεκτικό πλεονέκτημα του DPB και επηρεάζοντας την αποτελεσματικότητα απομάκρυνσης του φωσφόρου. Αυτό απαιτεί την κατάλληλη αναλογία άνθρακα-προς-αζώτου στην εισροή. Ωστόσο, η έρευνα των Ahn J. et al. δείχνει ότι υπό αναερόβιες/αερόβιες (A/O) συνθήκες, ο μακροπρόθεσμος εγκλιματισμός των πηγών άνθρακα και μια μικρή ποσότητα νιτρικών που εισέρχονται στην αναερόβια ζώνη προάγει τον εμπλουτισμό του DPB και το DPB μπορεί να διατηρήσει την ικανότητα πρόσληψης ανοξικού φωσφόρου υπό συνθήκες A/O. Από μικροβιολογική άποψη, υπάρχουν δύο εξηγήσεις: η μία είναι ότι το DPB χρησιμοποιεί απευθείας πηγές άνθρακα στην αναερόβια ζώνη μέσω του κύκλου τρικαρβοξυλικού οξέος (TCA). Το άλλο είναι ότι το DPB οξειδώνει τις πηγές άνθρακα κατά την αναερόβια περίοδο μέσω του κύκλου TCA για να αποκτήσει αναγωγική ισχύ και ενέργεια για τη συσσώρευση πολυυδροξυαλκανοϊκών οξέων και επιβιώνει κατά τη διάρκεια της αερόβιας περιόδου. Δεν έχουν δημοσιευθεί άλλες αναφορές σχετικά με τα φυσιολογικά χαρακτηριστικά του DPB από την άποψη αυτή.
2.2 Μέθοδοι δοσολογίας νιτρικών αλάτων
Υπάρχουν δύο μέθοδοι για την προσθήκη νιτρικών στην ανοξική ζώνη: η στιγμιαία προσθήκη και η συνεχής προσθήκη. Η συνεχής προσθήκη είναι ελαφρώς πιο αποτελεσματική και επίσης αποφεύγει τη συσσώρευση νιτρωδών. Όσον αφορά την επίδραση του χρόνου συνεχούς προσθήκης στον ρυθμό πρόσληψης φωσφόρου, οι Zou Hua et al. έδειξε ότι ο ρυθμός πρόσληψης φωσφόρου ήταν υψηλότερος όταν ο χρόνος συνεχούς προσθήκης ήταν 2 ώρες παρά όταν ήταν 3,5 ώρες. Ωστόσο, δεν υπάρχουν επί του παρόντος αναφορές σχετικά με τη συγκεκριμένη σχέση μεταξύ του ρυθμού προσθήκης και του ρυθμού πρόσληψης φωσφόρου. Περισσότερα τεχνικά έγγραφα μπορείτε να βρείτε στο China Wastewater Treatment Engineering Network.
2.3 SRT
Το DPB αναπτύσσεται πιο αργά σε συνθήκες A/A από ότι σε συνθήκες A/O. Το πολύ σύντομο SRT θα προκαλέσει την εξάλειψη του DPB στον αντιδραστήρα, ενώ ένα πολύ μεγάλο SRT θα προκαλέσει τη γήρανση της λάσπης και τη μείωση της περιεκτικότητας σε φώσφορο. Η Merzouki M. ανέφερε ότι η απόδοση απομάκρυνσης φωσφόρου του συστήματος αφαίρεσης φωσφόρου απονιτροποίησης SBR ήταν 1,8 φορές υψηλότερη όταν η SRT ήταν 15 ημέρες από ότι όταν ήταν 7,5 ημέρες. Για διεργασίες κοκκώδους λάσπης που χρησιμοποιούνται για την απομάκρυνση του φωσφόρου και του αζώτου, η δομή της ιλύος είναι πολύπλοκη λόγω της πλουσιότερης και πιο ολοκληρωμένης βιολογικής της κοινότητας. Ο τρόπος εξισορρόπησης του DPB, των βακτηρίων που συσσωρεύονται-πολυφωσφορικά και των βακτηρίων νιτροποίησης μέσω της ηλικίας της λάσπης παραμένει αβέβαιος.
2.4 Νιτρώδη
Επί του παρόντος, υπάρχουν δύο απόψεις σχετικά με το εάν τα νιτρώδη αναστέλλουν την πρόσληψη φωσφόρου και αυτές οι απόψεις βασίζονται σε διαφορετικά ερευνητικά θέματα. Χρησιμοποιώντας ως αντικείμενο έρευνας λάσπη που δεν έχει υποστεί απονιτροποίηση και εγκλιματισμό απομάκρυνσης φωσφόρου, τα αποτελέσματα δείχνουν σταθερά ότι οι συγκεντρώσεις νιτρωδών που υπερβαίνουν ένα κρίσιμο επίπεδο αναστέλλουν την πρόσληψη φωσφόρου. Πειράματα από τους Wang Ya-yi et al. έδειξε ότι η πρόσληψη φωσφόρου αναστέλλεται όταν η συγκέντρωση νιτρωδών υπερβαίνει τα 15 mg/L, ενώ τα πειράματα των Meinhold J. et al. έδειξε ότι η κρίσιμη συγκέντρωση νιτρωδών είναι 5–8 mg/L. Ωστόσο, η χρήση λάσπης που έχει υποστεί απονιτροποίηση και εγκλιματισμό αφαίρεσης φωσφόρου καθώς το αντικείμενο της έρευνας αποδίδει διαφορετικά αποτελέσματα. Τα πειράματα του Hu JY έδειξαν ότι εκτός από τα ευρέως αναγνωρισμένα βακτήρια που συσσωρεύουν πολυφωσφορικά{{13}(PABs) και DPB, υπάρχει επίσης μια τρίτη ομάδα PPB. Αυτά τα PPB μπορούν να χρησιμοποιήσουν νιτρώδη ως δέκτη ηλεκτρονίων για την πρόσληψη φωσφόρου. Επιπλέον, τα πειράματα έδειξαν ότι όταν η αρχική συγκέντρωση νιτρωδών ήταν μικρότερη από 115 mg/L, δεν υπήρχε σημαντική αναστολή της πρόσληψης φωσφόρου. Η συγκέντρωση νιτρωδών σε μονάδες επεξεργασίας οικιακών λυμάτων είναι προφανώς πολύ χαμηλότερη από αυτήν την κρίσιμη συγκέντρωση, επομένως δεν θα επηρεάσει αρνητικά τη βιολογική απομάκρυνση του φωσφόρου. Πολλοί άλλοι παράγοντες επηρεάζουν την αφαίρεση του φωσφόρου απονιτροποίησης, όπως η θερμοκρασία (το DPB είναι ιδιαίτερα ευαίσθητο στη θερμοκρασία, ιδιαίτερα στις χαμηλές θερμοκρασίες) και τα κατιόντα (Mg2+ και K+). Επί του παρόντος, υπάρχει λίγη έρευνα για αυτές τις πτυχές και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ διαφόρων παραγόντων αυξάνουν τη δυσκολία της έρευνας.
3. Νέες προσεγγίσεις για την επίτευξη απονιτροποίησης απομάκρυνσης φωσφόρου
Οι παραδοσιακές τυπικές διαδικασίες απονιτροποίησης απομάκρυνσης του φωσφόρου περιλαμβάνουν: ① Αναερόβια/Ανοξική και Νιτροποίηση (A2N) Διαδικασία. Αυτή η διαδικασία είναι μια διπλή-διεργασία αφαίρεσης φωσφόρου απονιτροποίησης λάσπης όπου τα νιτροποιητικά βακτήρια και το DPB καλλιεργούνται χωριστά σε διαφορετικά συστήματα ιλύος, διαχωρίζοντας πλήρως τα νιτροποιητικά βακτήρια από το DPB. Η διαδικασία A2N είναι η πλέον κατάλληλη για καταστάσεις με χαμηλές αναλογίες άνθρακα και αζώτου. ② Διαδικασία Dephanox. Όταν η περιεκτικότητα εισερχόμενου άνθρακα και αζώτου είναι υψηλή, πρέπει να προστεθεί μια δεξαμενή αερισμού μετά την ανοξική δεξαμενή στη διαδικασία A2N, σχηματίζοντας έτσι τη διαδικασία DEPHANOX.
③Διαδικασία BCFS. Αυτή η διαδικασία είναι μια τροποποιημένη διαδικασία UCT. Η αρχή σχεδιασμού της διαδικασίας UCT βασίζεται στη μηχανική βελτίωση των περιβαλλοντικών συνθηκών που απαιτούνται από τα βακτήρια που συσσωρεύουν πολυφωσφορικά-, ενώ η ανάπτυξη του BCFS συνίσταται στη δημιουργία συνθηκών εμπλουτισμού για το DPB από τη σκοπιά της διαδικασίας. Πρόσφατα, υπήρξε μια σημαντική ανακάλυψη στην έρευνα σχετικά με την εφαρμογή της τεχνολογίας απονιτροποίησης απομάκρυνσης φωσφόρου. Οι μονάδες που χρειάζονται επεξεργασία λυμάτων μπορούν επίσης να συμβουλευτούν εταιρείες με παρόμοια εμπειρία επεξεργασίας λυμάτων στην πλατφόρμα υπηρεσιών του έργου Wastewater Treasure.
3.1 Μέθοδος AOA-SBR
Η αναερόβια/ανοξική/αερόβια διαδικασία (A2O) είναι μια κοινή μορφή αφαίρεσης αζώτου και φωσφόρου. Λειτουργεί κυρίως μέσω του μεταβολισμού πολυφωσφορικών-συσσωρεύοντας βακτήρια, νιτροποιώντας βακτήρια και βακτήρια απονιτροποίησης. Επομένως, η κυκλοφορία υγρών που περιέχουν νιτρικά και νιτρώδη είναι απαραίτητη σε αυτή τη διαδικασία. Tsuneda S. et al. πρότεινε μια αναερόβια/αερόβια/ανοξική (AOA) διεργασία σε SBR (Self-Βιοχημικός αντιδραστήρας), η οποία χρησιμοποιεί πλήρως το χαρακτηριστικό του DPB (διφωσφορικό πολυφωσφορικό) για την ταυτόχρονη αφαίρεση αζώτου και φωσφόρου υπό ανοξικές συνθήκες και χωρίς πηγή άνθρακα. Αυτό επιτρέπει την απονιτροποίηση στο ανοξικό τμήμα χωρίς πηγή άνθρακα, εξαλείφοντας την ανάγκη για κυκλοφορία μεταξύ αερόβιας και ανοξικής δεξαμενής, επιτυγχάνοντας έτσι την ταυτόχρονη αφαίρεση αζώτου και φωσφόρου σε ένα μόνο SBR. Πειράματα έδειξαν επίσης ότι αυτή η διαδικασία μπορεί να επιτύχει εξαιρετικά αποτελέσματα αφαίρεσης αζώτου και φωσφόρου κατά την επεξεργασία συνθετικών λυμάτων με αναλογία άνθρακα-προς-άζωτο κάτω του 10, με μέσους ρυθμούς αφαίρεσης αζώτου και φωσφόρου 83% και 92%, αντίστοιχα. Αυτή η διαδικασία όχι μόνο εμπλουτίζει το DPB αλλά επίσης κάνει το DPB να παίζει σημαντικό ρόλο στην απομάκρυνση του φωσφόρου και του αζώτου. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι το DPB αντιπροσωπεύει το 44% των συνολικών πολυφωσφορικών-συσσωρευόμενων βακτηρίων στη διαδικασία AOA-SBR, το οποίο είναι σημαντικά υψηλότερο από αυτό των συμβατικών διεργασιών A/O-SBR (13%) και A2O (21%).
Η διαδικασία AOA-SBR έχει δύο βασικά χαρακτηριστικά: ① Μια κατάλληλη ποσότητα πηγής άνθρακα προστίθεται στην αρχή της αερόβιας φάσης για την αναστολή της αερόβιας πρόσληψης φωσφόρου. Σε αυτό το πείραμα, η βέλτιστη ποσότητα πηγής άνθρακα που προστέθηκε κατά τη διάρκεια της αερόβιας φάσης ήταν 40 mg/L.
② Σε αυτή τη διαδικασία, τα νιτρώδη μπορούν να λειτουργήσουν ως δέκτης ηλεκτρονίων για την πρόσληψη φωσφόρου.
3.2 Διεργασία κοκκώδους λάσπης
Η κοκκώδης ιλύς για την απομάκρυνση του αζώτου και του φωσφόρου βρίσκεται ακόμη στο στάδιο της έρευνας. Σε σύγκριση με τις συμβατικές διεργασίες ιλύος, η αερόβια κοκκώδης ιλύς έχει καλύτερη απόδοση καθίζησης, υψηλότερη συγκέντρωση βιομάζας και χαμηλότερη περιεκτικότητα σε υγρασία ιλύος. Με την εφαρμογή κοκκώδους λάσπης, τα προβλήματα που υπάρχουν στη συμβατική λάσπη (όπως ο όγκος της λάσπης, το μεγάλο αποτύπωμα των δομών επεξεργασίας και η δευτερογενής απελευθέρωση φωσφόρου από τους διαυγαστές) μπορούν να ξεπεραστούν. Πειράματα από Dulekgurgen E. et al. έδειξε ότι η κοκκώδης ιλύς έχει σταθερή βιομάζα, με ποσοστά απομάκρυνσης COD, φωσφόρου και αζώτου 95%, 99,6% και 71% αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα της εγχώριας έρευνας συμφωνούν με αυτά τα ευρήματα και η αερόβια κοκκώδης ιλύς διαθέτει δυνατότητες απονιτροποίησης και αφαίρεσης φωσφόρου. Λόγω της μοναδικής δομής της κοκκώδους λάσπης και της παρουσίας βαθμίδας διάχυσης οξυγόνου, παρέχει ένα περιβάλλον για τη συνύπαρξη βακτηρίων που συσσωρεύουν πολυφωσφορικά, νιτροποιούντα βακτήρια και DPB. Μεγάλες ποσότητες DPB και νιτροποιητικά βακτήρια συσσωρεύονται στην κοκκώδη ιλύ. πειράματα από τους Yang Guojing et al. έδειξε ότι το DPB αντιπροσώπευε το 73,1% όλων των πολυφωσφορικών-συσσωρευμένων βακτηρίων στην κοκκώδη λάσπη. Η καλλιέργεια κοκκώδους λάσπης είναι πιο δύσκολη από την καλλιέργεια συνηθισμένης ιλύος και οι παράγοντες που επηρεάζουν είναι σχετικά περίπλοκοι.
Εκτός από τους κοινούς παράγοντες που επηρεάζουν την απονιτροποίηση και την απομάκρυνση του φωσφόρου, η κοκκώδης ιλύς έχει τους δικούς της μοναδικούς παράγοντες επιρροής: ① Η αλληλεπίδραση μεταξύ της συγκέντρωσης DO και του μεγέθους των σωματιδίων έχει σημαντικό αντίκτυπο στην αποτελεσματικότητα της απονιτροποίησης και της απομάκρυνσης του φωσφόρου. Εάν το μέγεθος των σωματιδίων είναι πολύ μικρό, η διείσδυση του οξυγόνου είναι σχετικά ισχυρή, επηρεάζοντας τον σχηματισμό της ανοξικής ζώνης, οδηγώντας στην αδυναμία επίτευξης απονιτροποίησης και απομάκρυνσης φωσφόρου.
② Η διατήρηση της κατάλληλης αναλογίας αζώτου-προς-φωσφόρου είναι ζωτικής σημασίας για την κοκκοποίηση της λάσπης και την ικανότητα απομάκρυνσης του φωσφόρου. Όταν η αναλογία αζώτου-προς-φωσφόρο αυξάνεται από 2,36 σε 4,0, ο ρυθμός απομάκρυνσης του φωσφόρου μειώνεται από 85,0% σε 54,1%. ③ Πειράματα από τον Lin Y-M et al. έδειξε μια στενή σχέση μεταξύ του μεγέθους των σωματιδίων και της αναλογίας μάζας φωσφόρου-προς-άνθρακα. Μια υψηλή αναλογία μάζας φωσφόρου-προς-άνθρακα μπορεί να οδηγήσει σε μικρότερα σωματίδια με πιο συμπαγή δομή, μειώνοντας έτσι το SVI και προάγοντας τη συσσώρευση πολυφωσφορικών-συσσώρευσης βακτηρίων.
3.3 Διαδικασία βιοφίλμ παρτίδας αλληλουχίας Airlift εσωτερικής κυκλοφορίας
Η διαδικασία βιοφίλμ παρτίδας αλληλουχίας αερομεταφοράς εσωτερικής κυκλοφορίας (SBBR) έχει σχεδιαστεί κυρίως για ολοκληρωμένη αφαίρεση φωσφόρου και αζώτου. Μελέτες των Zhang ZY et al. έδειξε ότι η αερομεταφορά εσωτερικής κυκλοφορίας SBBR πέτυχε σταθερούς ρυθμούς αφαίρεσης αζώτου και φωσφόρου. Οι ρυθμοί απομάκρυνσης των COD, N και P υπό τη βέλτιστη πυκνότητα συσκευασίας και οργανικό φορτίο ήταν 95,3%±3,3%, 94,6%±4,1% και 73,1%±8,3%, αντίστοιχα. Ο αντιδραστήρας χωρίζεται σε δύο ζώνες από ένα διαχωριστικό-μια αερόβια ζώνη και μια ζώνη παλινδρόμησης. Τα νιτροποιητικά βακτήρια και τα αερόβια πολυφωσφορικά-βακτήρια που συσσωρεύονται βρίσκονται κυρίως στην αερόβια ζώνη, ενώ το DPB βρίσκεται στη ζώνη παλινδρόμησης. Κατά τη διάρκεια της αναερόβιας περιόδου, το DPB στη ζώνη παλινδρόμησης και τα πολυφωσφορικά-συσσωρεύοντα βακτήρια στην αερόβια ζώνη απορροφούν το οργανικό υπόστρωμα. κατά τη διάρκεια της αερόβιας/ανοξικής περιόδου, τα νιτροποιητικά βακτήρια στην αερόβια ζώνη παράγουν NO3- και NO2- για να παρέχουν δέκτες ηλεκτρονίων για την πρόσληψη φωσφόρου DPB, αφαιρώντας έτσι το άζωτο και τον φώσφορο. Η απομάκρυνση της λάσπης είναι ένας κρίσιμος παράγοντας που επηρεάζει την απομάκρυνση του φωσφόρου, η οποία μπορεί να επιτευχθεί προσαρμόζοντας την πυκνότητα της συσκευασίας των ινών. Τα συμβατικά SBBR έχουν χαμηλή απόδοση αφαίρεσης αζώτου και φωσφόρου, κυρίως λόγω του ανταγωνισμού για οξυγόνο και θρεπτικά συστατικά μεταξύ νιτροποιητικών βακτηρίων και ετερότροφων βακτηρίων εντός του βιοφίλμ. Σε σύγκριση με τα συμβατικά SBBR, η αερογέφυρα εσωτερικής κυκλοφορίας SBBR αποφεύγει αυτόν τον ανταγωνισμό. Σε σύγκριση με τις συμβατικές διεργασίες ενεργοποιημένης λάσπης, αυτός ο αντιδραστήρας εξοικονομεί ενέργεια και επενδύσεις.
4. Outlook
Έχουν επιτευχθεί προκαταρκτικά αποτελέσματα στην έρευνα της τεχνολογίας απονιτροποίησης απομάκρυνσης του φωσφόρου τόσο σε εγχώριο όσο και σε διεθνές επίπεδο και η τεχνολογία έχει προχωρήσει από τη βασική έρευνα σε εφαρμογή μηχανικής. Επί του παρόντος, η κατανόησή μας για τη δομή και τη λειτουργία της μικροβιακής κοινότητας στα συστήματα απονιτροποίησης απομάκρυνσης του φωσφόρου είναι ακόμα περιορισμένη. Η δομή της μικροβιακής κοινότητας ποικίλλει σημαντικά μεταξύ διαφορετικών συστημάτων και η μικροβιακή κοινότητα μέσα στο ίδιο σύστημα είναι επίσης πολύ περίπλοκη. Οι τεχνικές μοριακής βιολογίας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση της δυναμικής της μικροβιακής κοινότητας και τον εντοπισμό λειτουργικών ομάδων, αποκαλύπτοντας τη σχέση μεταξύ δομής και λειτουργίας της μικροβιακής κοινότητας, επιτρέποντας έτσι καλύτερο έλεγχο της μηχανικής βιολογικής επεξεργασίας. Οι τεχνικές μοριακής βιολογίας που χρησιμοποιούνται στη βιολογική απομάκρυνση του φωσφόρου περιλαμβάνουν αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (PCR), πολυμορφισμό μήκους περιοριστικού θραύσματος (RFLP) και τεχνικές ολιγονουκλεοτιδικού ανιχνευτή. Οι μελέτες γενικά θεωρούν ότι τα βακτήρια που συσσωρεύουν πολυφωσφορικά- (PABs) προέρχονται από τις ομάδες Rhodocyclus και Dechlorimonas των -Proteobacteria. Satoshi T. et al. χρησιμοποίησε το RFLP για να μελετήσει τα χαρακτηριστικά των βακτηρίων που συσσωρεύουν πολυφωσφορικά-(DPBs), υποδεικνύοντας ότι τα DPB είναι τα Thaurera mechrnichensis και Azoarcus tolulyticus από την ομάδα Rhodocyclus. Πρέπει να ενσωματώσουμε στενά τη μικροβιολογία και τη μηχανική των συστημάτων απονιτροποίησης απομάκρυνσης φωσφόρου. Μέσω μικροβιακής ανίχνευσης και οικολογικών μελετών, μπορούμε να αναλύσουμε και να προσδιορίσουμε την ποσότητα και τη δομή της κοινότητας των DPB στο σύστημα, να κατανοήσουμε πώς οι παράμετροι λειτουργίας επηρεάζουν τα χαρακτηριστικά, την κατανομή πυκνότητας πληθυσμού και τη χωρική κατανομή των PPB, των νιτροποιητικών βακτηρίων και των DPBs.