1. Механізм денітрифікаційного видалення фосфору
Високо{0}}кислотні бактерії розкладають великі органічні молекули на низько{1}}молекулярні-жирні кислоти в анаеробних умовах. DPB (дистильована біота вісмуту) розкладає поліфосфати в своїх клітинах в анаеробних умовах для генерації АТФ, поглинаючи жирні кислоти за допомогою активного транспорту та синтезуючи полі(-гідроксибутират) (PHB), одночасно вивільняючи PO43-. Після накопичення великої кількості PHB, DPB переходить в анаеробний стан, використовуючи NO3- як акцептор електронів для окислення PHB. Він використовує деградацію PHB для генерації енергії та забезпечення відновної потужності (нікотинамідаденіндінуклеотид (NADH) і використовує NADH+H+ як носій ланцюга транспортування електронів для видалення протонів, таким чином утворюючи силу, керовану протонами. Ця сила, керована протонами, транспортує PO43- ззовні тіла в організм, де він синтезує АТФ під дією АТФаз, полімеризуючи надлишок PO43- в поліфосфати. АТФ, що виробляється в анаеробних умовах через ланцюг транспортування електронів, перевищує АТФ, що утворюється в анаеробних умовах в результаті розкладання поліфосфатів в організмі. Таким чином, DPB виконує функцію надмірного поглинання фосфору зі стічних вод.
2. Основні фактори, що впливають на денітрифікацію та видалення фосфору
2.1 Співвідношення вуглецю-до-азоту
Відповідно до традиційної теорії видалення фосфору, присутність джерел вуглецю в безкисневій зоні або нітратів в анаеробній зоні призводить до конкуренції між денітрифікуючими бактеріями та DPB за акцептор електронів нітратний азот або джерела вуглецю, таким чином зменшуючи селективну перевагу DPB і впливаючи на ефективність видалення фосфору. Це вимагає відповідного співвідношення вуглецю-до-азоту у витоку. Однак дослідження Ahn J. et al. показує, що в анаеробних/аеробних (A/O) умовах довгострокова -акліматизація джерел вуглецю та невелика кількість нітратів, що надходять в анаеробну зону, сприяє збагаченню DPB, і DPB може підтримувати свою безкисневу здатність поглинати фосфор в умовах A/O. З мікробіологічної точки зору є два пояснення: одне полягає в тому, що DPB безпосередньо використовує джерела вуглецю в анаеробній зоні через цикл трикарбонових кислот (TCA); інший полягає в тому, що DPB окислює джерела вуглецю під час анаеробного періоду через цикл TCA, щоб отримати відновну потужність і енергію для накопичення полігідроксіалканових кислот, і виживає протягом аеробного періоду. Жодних інших звітів щодо фізіологічних характеристик DPB у цьому відношенні не було опубліковано.
2.2 Методи дозування нітратів
Існує два методи додавання нітрату в безкисневу зону: миттєве додавання та безперервне додавання. Постійне додавання є трохи ефективнішим і також дозволяє уникнути накопичення нітритів. Стосовно впливу часу безперервного додавання на швидкість поглинання фосфору, Zou Hua et al. показали, що швидкість поглинання фосфору була вищою, коли час безперервного додавання становив 2 години, ніж коли він становив 3,5 години. Однак наразі немає звітів про конкретну залежність між швидкістю додавання та швидкістю поглинання фосфору. Більше технічної документації можна знайти на сайті China Wastewater Treatment Engineering Network.
2.3 СТО
DPB росте повільніше в умовах A/A, ніж в умовах A/O. Занадто короткий SRT призведе до видалення DPB у реакторі, тоді як надто довгий SRT призведе до старіння осаду та зниження вмісту фосфору. Мерзукі М. повідомив, що ефективність видалення фосфору системою денітрифікації SBR була в 1,8 рази вищою, коли SRT становив 15 днів, ніж коли він становив 7,5 днів. Для процесів гранулювання мулу, які використовуються для видалення фосфору та азоту, структура мулу є складною через його багатшу та більш інтегровану біологічну спільноту. Як збалансувати DPB, поліфосфат-акумулюючі бактерії та нітрифікуючі бактерії через вік осаду залишається невизначеним.
2.4 Нітрити
В даний час існує дві думки щодо того, чи нітрит пригнічує поглинання фосфору, і ці думки базуються на різних предметах досліджень. Використовуючи як об’єкт дослідження осад, який не пройшов денітрифікацію та акліматизацію видалення фосфору, результати послідовно показують, що концентрації нітритів, що перевищують критичний рівень, пригнічують поглинання фосфору. Експерименти Wang Ya-yi та ін. показали, що поглинання фосфору пригнічується, коли концентрація нітриту перевищує 15 мг/л, тоді як експерименти Meinhold J. et al. вказано, що критична концентрація нітритів становить 5–8 мг/л. Однак використання осаду, який пройшов процес денітрифікації та акліматизації видалення фосфору, як предмет дослідження дає інші результати. Експерименти Hu JY показали, що окрім широко відомих бактерій, що накопичують поліфосфат- (PAB) і DPB, існує також третя група PPB. Ці ППБ можуть використовувати нітрит як акцептор електронів для поглинання фосфору. Крім того, експерименти показали, що коли початкова концентрація нітриту була менше 115 мг/л, не спостерігалося значного пригнічення поглинання фосфору. Концентрація нітритів у побутових очисних спорудах значно нижча за цю критичну концентрацію, тому це не матиме негативного впливу на біологічне видалення фосфору. Багато інших факторів впливають на видалення денітрифікаційного фосфору, наприклад температура (DPB особливо чутливий до температури, особливо низьких температур) і катіони (Mg2+ і K+). Наразі мало досліджень щодо цих аспектів, а взаємодія між різними факторами ускладнює дослідження.
3. Нові підходи до досягнення денітрифікаційного видалення фосфору
Традиційні типові процеси видалення фосфору за допомогою денітрифікації включають: ① Анаеробний/безкисневий процес і процес нітрифікації (A2N). Цей процес є подвійним-процесом видалення фосфору з денітрифікації осаду, де нітрифікуючі бактерії та DPB культивуються окремо в різних мулових системах, повністю відокремлюючи нітрифікуючі бактерії від DPB. Процес A2N найкраще підходить для ситуацій із низьким співвідношенням вуглецю та азоту. ② Процес Dephanox. Коли вміст вуглецю та азоту високий, аеротенк необхідно додати після аноксидного резервуара в процесі A2N, таким чином формуючи процес DEPHANOX.
③процес BCFS. Цей процес є модифікованим процесом UCT. Принцип розробки процесу UCT базується на технічному покращенні умов навколишнього середовища, необхідних для бактерій, що накопичують поліфосфат-, тоді як розробка BCFS має на меті створити умови збагачення для DPB з точки зору процесу. Останнім часом стався прорив у дослідженнях із застосування технології денітрифікаційного видалення фосфору. Підрозділи, які потребують очищення стічних вод, також можуть проконсультуватися з компаніями з подібним досвідом очищення стічних вод на сервісній платформі проекту Wastewater Treasure.
3.1 Метод AOA-SBR
Анаеробний/аноксичний/аеробний (A2O) процес є поширеною формою видалення азоту та фосфору. Він в основному діє через метаболізм поліфосфат-акумулюючих бактерій, нітрифікуючих бактерій і денітрифікуючих бактерій. Тому в цьому процесі важлива циркуляція рідин, що містять нітрати та нітрити. Цунеда С. та ін. запропонував анаеробний/аеробний/аноксичний (AOA) процес у SBR (само-біохімічному реакторі), який повністю використовує характеристики DPB (дифосфат-поліфосфат) для одночасного видалення азоту та фосфору в безкисневих умовах і без джерела вуглецю. Це дозволяє проводити денітрифікацію в безкисневій секції без джерела вуглецю, усуваючи потребу в циркуляції між аеробними та безкисневими резервуарами, таким чином досягаючи одночасного видалення азоту та фосфору в одному SBR. Експерименти також показали, що цей процес може досягти чудових ефектів видалення азоту та фосфору під час очищення синтетичних стічних вод із співвідношенням вуглецю-до-азоту нижче 10 із середнім рівнем видалення азоту та фосфору 83% та 92% відповідно. Цей процес не тільки збагачує DPB, але також робить DPB відігравати важливу роль у видаленні фосфору та азоту. Експериментальні результати показують, що DPB становить 44% від загальної кількості поліфосфат-акумулюючих бактерій у процесі AOA-SBR, що значно вище, ніж у звичайних процесах A/O-SBR (13%) і A2O (21%).
Процес AOA-SBR має дві ключові характеристики: ① На початку аеробної фази додається відповідна кількість джерела вуглецю, щоб пригнічувати аеробне поглинання фосфору. У цьому експерименті оптимальна кількість джерела вуглецю, доданого під час аеробної фази, становила 40 мг/л.
② У цьому процесі нітрит може діяти як акцептор електронів для поглинання фосфору.
3.2 Процес гранульованого осаду
Зернистий осад для видалення азоту та фосфору на даний момент ще знаходиться на стадії досліджень. Порівняно зі звичайними процесами осадження, аеробний гранульований осад має кращі характеристики осідання, вищу концентрацію біомаси та нижчий вміст вологи осаду. Застосування гранульованого шламу дозволяє подолати проблеми, які існують у звичайному шламі (такі як збільшення осаду, велика площа очисних конструкцій і вторинне виділення фосфору з відстійників). Експерименти Dulekgurgen E. та ін. показали, що гранульований мул має стабільну біомасу, зі швидкістю видалення ХПК, фосфору та азоту 95%, 99,6% та 71% відповідно. Результати вітчизняних досліджень узгоджуються з цими висновками, і аеробний гранульований осад має здатність до денітрифікації та видалення фосфору. Завдяки унікальній структурі гранульованого мулу та наявності градієнта дифузії кисню він забезпечує середовище для співіснування поліфосфат-акумулюючих бактерій, нітрифікуючих бактерій і DPB. У зернистому мулі накопичується велика кількість ДФБ і нітрифікуючих бактерій; експерименти Yang Guojing та ін. показали, що DPB становив 73,1% усіх поліфосфат-акумулюючих бактерій у гранульованому мулі. Культивувати гранульований мул складніше, ніж культивувати звичайний мул, і фактори впливу є відносно складними.
На додаток до факторів впливу, загальних для звичайної денітрифікації мулу та видалення фосфору, гранульований мул має свої унікальні фактори впливу: ① Взаємодія між концентрацією DO та розміром частинок має значний вплив на ефективність денітрифікації та видалення фосфору. Якщо розмір частинок занадто малий, проникнення кисню є відносно сильним, що впливає на утворення безкисневої зони, що призводить до неможливості досягти денітрифікації та видалення фосфору.
② Підтримка відповідного співвідношення азоту-до-фосфору має вирішальне значення для гранулювання осаду та здатності видаляти фосфор. Коли співвідношення -до -фосфору збільшується з 2,36 до 4,0, швидкість видалення фосфору зменшується з 85,0% до 54,1%. ③ Експерименти Lin Y-M та ін. показали тісний зв’язок між розміром частинок і співвідношенням маси фосфору-до-вуглецю. Високе співвідношення маси фосфору-до-вуглецю може призвести до менших частинок із більш компактною структурою, таким чином зменшуючи SVI та сприяючи накопиченню поліфосфат-бактерій.
3.3 Внутрішня циркуляція Airlift Sequencing Пакетний процес біоплівки
Пакетний процес біоплівки з внутрішньою циркуляцією повітряного транспортування (SBBR) в основному розроблений для інтегрованого видалення фосфору та азоту. Дослідження Zhang ZY та ін. показали, що ерліфт із внутрішньою циркуляцією SBBR досягає стабільних показників видалення азоту та фосфору. Швидкість видалення COD, N і P за оптимальної щільності упаковки та органічного навантаження становила 95,3%±3,3%, 94,6%±4,1% і 73,1%±8,3%, відповідно. Реактор розділений на дві зони перегородкою-аеробну зону та зону рефлюксу. Нітрифікуючі бактерії та аеробні поліфосфат-акумулюючі бактерії в основному знаходяться в аеробній зоні, тоді як DPB знаходяться в зоні рефлюксу. Під час анаеробного періоду DPB у зоні рефлюксу та поліфосфат-акумулюючі бактерії в аеробній зоні поглинають органічний субстрат; протягом аеробного/безкисневого періоду нітрифікуючі бактерії в аеробній зоні виробляють NO3- і NO2- для забезпечення акцепторів електронів для поглинання фосфору DPB, таким чином видаляючи азот і фосфор. Видалення осаду є вирішальним фактором, що впливає на видалення фосфору, чого можна досягти шляхом регулювання щільності упаковки волокна. Звичайні SBBR мають низьку ефективність видалення азоту та фосфору, головним чином через конкуренцію за кисень та поживні речовини між нітрифікуючими бактеріями та гетеротрофними бактеріями в біоплівці. У порівнянні зі звичайними SBBR, ерліфт з внутрішньою циркуляцією SBBR уникає цієї конкуренції; порівняно зі звичайними процесами з активним мулом, цей реактор економить енергію та інвестиції.
4. Перспектива
Попередні результати були досягнуті в дослідженні технології видалення фосфору денітрифікації як усередині країни, так і за кордоном, і технологія прогресувала від фундаментальних досліджень до інженерного застосування. На даний момент наше розуміння структури та функції мікробного співтовариства в системах денітрифікаційного видалення фосфору все ще обмежене. Структура мікробного співтовариства значно відрізняється в різних системах, і мікробне співтовариство в одній системі також є дуже складним. Методи молекулярної біології можна використовувати для відстеження динаміки мікробного співтовариства та ідентифікації функціональних груп, виявлення зв’язку між структурою та функцією мікробного співтовариства, таким чином дозволяючи краще контролювати техніку біологічного очищення. Методи молекулярної біології, що використовуються для біологічного видалення фосфору, включають полімеразну ланцюгову реакцію (ПЛР), поліморфізм довжини рестрикційних фрагментів (ПДРФ) і методи олігонуклеотидного зонду. Дослідження зазвичай вважають бактерії, що накопичують поліфосфат- (PAB), належать до груп Rhodocyclus і Dechlorimonas -Proteobacteria. Сатоші Т. та ін. використав RFLP для вивчення характеристик поліфосфат{10}}накопичувальних бактерій (DPB), вказавши, що DPB є Thaurera mechrnichensis і Azoarcus tolulyticus із групи Rhodocyclus. Нам потрібно тісно інтегрувати мікробіологію та інженерні системи денітрифікаційного видалення фосфору. За допомогою мікробного виявлення та екологічних досліджень ми можемо проаналізувати та визначити кількість і структуру спільноти DPB в системі, зрозуміти, як робочі параметри впливають на характеристики, розподіл щільності популяції та просторовий розподіл PPB, нітрифікуючих бактерій і DPB, таким чином досягаючи штучного покращення систем видалення фосфору з денітрифікації, оптимізуючи процеси очищення та посилюючи розвиток і застосування нових технологій.
