1. Механизъм за отстраняване на фосфор от денитрификация
Високо{0}}киселинните бактерии разграждат големи органични молекули до ниско{1}}молекулни-мастни киселини при анаеробни условия. DPB (дестилирана бисмутова биота) разгражда полифосфатите в клетките си при анаеробни условия, за да генерира АТФ, абсорбира мастни киселини чрез активен транспорт и синтезира поли(-хидроксибутират) (PHB), като едновременно с това освобождава PO43-. След натрупване на големи количества PHB, DPB влиза в анаеробно състояние, използвайки NO3- като акцептор на електрони за окисление на PHB. Той използва разграждането на PHB за генериране на енергия и осигуряване на редуцираща мощност (никотинамид аденин динуклеотид (NADH) и използва NADH+H+ като носител на електронната транспортна верига за премахване на протони, като по този начин образува сила, задвижвана от протони. Тази задвижвана от протони сила транспортира PO43- извън тялото в тялото, където синтезира АТФ под действието на АТФази, полимеризирайки излишъка PO43- в полифосфати. АТФ, произведен при анаеробни условия през веригата за транспортиране на електрони, надвишава АТФ, произведен при анаеробни условия чрез разлагането на полифосфати в тялото, следователно фосфорът, който се абсорбира при анаеробни условия, е по-голям от фосфора, който се отделя при анаеробни условия.
2. Основни фактори, влияещи върху денитрификацията и отстраняването на фосфор
2.1 Съотношение въглерод-към-азот
Според традиционната теория за отстраняване на фосфора, наличието на въглеродни източници в аноксичната зона или нитрати в анаеробната зона води до конкуренция между денитрифициращи бактерии и DPB за акцептор на електрони нитратен азот или за въглеродни източници, като по този начин намалява селективното предимство на DPB и засяга ефективността на отстраняване на фосфора. Това налага подходящо съотношение на въглерод-към-азот във входящия поток. Въпреки това, изследванията на Ahn J. et al. показва, че при анаеробни/аеробни (A/O) условия, дългосрочното -аклиматизиране на източници на въглерод и малко количество нитрати, навлизащи в анаеробната зона, насърчава обогатяването на DPB и DPB може да поддържа своя капацитет за усвояване на аноксичен фосфор при A/O условия. От микробиологична гледна точка има две обяснения: едното е, че DPB директно използва въглеродни източници в анаеробната зона чрез цикъла на трикарбоксилната киселина (TCA); другото е, че DPB окислява въглеродните източници по време на анаеробния период чрез TCA цикъла, за да получи редуцираща мощност и енергия за натрупване на полихидроксиалканови киселини и оцелява по време на аеробния период. Не са публикувани други доклади относно физиологичните характеристики на DPB в това отношение.
2.2 Методи за дозиране на нитрати
Има два метода за добавяне на нитрат в аноксичната зона: моментално добавяне и непрекъснато добавяне. Непрекъснатото добавяне е малко по-ефективно и също така избягва натрупването на нитрити. По отношение на ефекта от времето за непрекъснато добавяне върху скоростта на усвояване на фосфора, Zou Hua et al. показват, че степента на усвояване на фосфор е по-висока, когато времето за непрекъснато добавяне е 2 часа, отколкото когато е 3,5 часа. Понастоящем обаче няма доклади за специфичната връзка между степента на добавяне и степента на усвояване на фосфор. Повече технически документи могат да бъдат намерени в Китайската инженерна мрежа за пречистване на отпадъчни води.
2.3 SRT
DPB расте по-бавно при A/A условия, отколкото при A/O условия. Твърде краткото SRT ще доведе до елиминиране на DPB в реактора, докато твърде дългото SRT ще доведе до стареене на утайката и намаляване на съдържанието на фосфор. Merzouki M. съобщава, че ефективността на отстраняване на фосфора на системата за отстраняване на фосфор при денитрификация SBR е 1,8 пъти по-висока, когато SRT е 15 дни, отколкото когато е 7,5 дни. За процеси на гранулирана утайка, използвани за отстраняване на фосфор и азот, структурата на утайката е сложна поради по-богатата и по-интегрирана биологична общност. Как да балансираме DPB, полифосфат-акумулиращите бактерии и нитрифициращите бактерии през стареенето на утайката остава несигурно.
2.4 Нитрити
Понастоящем има две мнения по отношение на това дали нитритът инхибира усвояването на фосфор и тези мнения се основават на различни изследователски теми. Използвайки утайки, които не са били подложени на денитрификация и аклиматизация за отстраняване на фосфор като обект на изследване, резултатите последователно показват, че концентрациите на нитрити, надвишаващи критичното ниво, инхибират усвояването на фосфор. Експерименти на Wang Ya-yi и др. показаха, че усвояването на фосфор се инхибира, когато концентрацията на нитрит надвишава 15 mg/L, докато експериментите на Meinhold J. et al. показва, че критичната концентрация на нитрити е 5–8 mg/L. Въпреки това, използването на утайка, която е преминала денитрификация и аклиматизация за отстраняване на фосфор, като обект на изследване дава различни резултати. Експериментите на Hu JY показаха, че в допълнение към широко признатите полифосфат-акумулиращи бактерии (PAB) и DPB, съществува и трета група PPB. Тези PPB могат да използват нитрит като акцептор на електрони за усвояване на фосфор. Освен това, експериментите показват, че когато първоначалната концентрация на нитрит е по-малка от 115 mg/L, няма значително инхибиране на усвояването на фосфор. Концентрацията на нитрити в пречиствателните станции за битови отпадъчни води очевидно е далеч под тази критична концентрация, така че няма да повлияе неблагоприятно на биологичното отстраняване на фосфора. Много други фактори влияят върху отстраняването на денитрифицирания фосфор, като температура (DPB е особено чувствителен към температура, особено ниски температури) и катиони (Mg2+ и K+). Понастоящем има малко изследвания по тези аспекти и взаимодействията между различни фактори увеличават трудността на изследването.
3. Нови подходи за постигане на денитрификационно отстраняване на фосфора
Традиционните типични процеси за отстраняване на фосфор от денитрификация включват: ① Процес на анаеробен/аноксичен и нитрификация (A2N). Този процес е двоен-процес на отстраняване на фосфор от денитрификация на утайките, при който нитрифициращите бактерии и DPB се култивират отделно в различни системи за утайки, като напълно отделят нитрифициращите бактерии от DPB. Процесът A2N е най-подходящ за ситуации с ниско съотношение на въглерод и азот. ② Процес Dephanox. Когато входящото съдържание на въглерод и азот е високо, трябва да се добави аерационен резервоар след аноксичния резервоар в процеса A2N, като по този начин се формира процесът DEPHANOX.
③BCFS процес. Този процес е модифициран UCT процес. Принципът на проектиране на UCT процеса се основава на инженерното подобряване на условията на околната среда, изисквани от полифосфат-акумулиращите бактерии, докато разработката на BCFS е да създаде условия за обогатяване на DPB от гледна точка на процеса. Напоследък се наблюдава пробив в изследванията за прилагането на технология за денитрификация на фосфорно отстраняване. Единиците, които се нуждаят от пречистване на отпадъчни води, могат също да се консултират с компании с подобен опит в пречистването на отпадъчни води на платформата за услуги на проекта Wastewater Treasure.
3.1 AOA-SBR метод
Анаеробният/аноксичен/аеробният (A2O) процес е често срещана форма на отстраняване на азот и фосфор. Той действа главно чрез метаболизма на полифосфат-натрупващи бактерии, нитрифициращи бактерии и денитрифициращи бактерии. Следователно циркулацията на течности, съдържащи нитрати и нитрити, е от съществено значение в този процес. Цунеда С. и др. предложи анаеробен/аеробен/аноксичен (AOA) процес в SBR (само-биохимичен реактор), който напълно използва характеристиката на DPB (дифосфат полифосфат) за едновременно отстраняване на азот и фосфор при аноксични условия и без източник на въглерод. Това позволява денитрификацията да се извърши в аноксичната секция без източник на въглерод, елиминирайки необходимостта от циркулация между аеробни и аноксични резервоари, като по този начин се постига едновременно отстраняване на азот и фосфор в един SBR. Експериментите също показаха, че този процес може да постигне отлични ефекти на отстраняване на азот и фосфор при третиране на синтетични отпадъчни води със съотношение въглерод-към-азот под 10, със средни нива на отстраняване на азот и фосфор съответно 83% и 92%. Този процес не само обогатява DPB, но също така кара DPB да играе основна роля в отстраняването на фосфор и азот. Експерименталните резултати показват, че DPB представлява 44% от общите полифосфат-акумулиращи бактерии в процеса AOA-SBR, което е значително по-високо от това при конвенционалните A/O-SBR (13%) и A2O процеси (21%).
Процесът AOA-SBR има две ключови характеристики: ① Добавя се подходящо количество въглероден източник в началото на аеробната фаза, за да се инхибира аеробното усвояване на фосфор. В този експеримент оптималното количество въглероден източник, добавен по време на аеробната фаза, е 40 mg/L.
② В този процес нитритът може да действа като акцептор на електрони за усвояване на фосфор.
3.2 Процес на гранулирана утайка
Гранулираните утайки за отстраняване на азот и фосфор в момента все още са в етап на изследване. В сравнение с конвенционалните процеси на утайка, аеробната гранулирана утайка има по-добро утаяване, по-висока концентрация на биомаса и по-ниско съдържание на влага в утайката. С прилагането на гранулирана утайка могат да бъдат преодолени проблемите, съществуващи в конвенционалната утайка (като натрупване на утайки, голям отпечатък на структурите за пречистване и вторично освобождаване на фосфор от пречистватели). Експерименти на Dulekgurgen E. et al. показаха, че гранулираната утайка има стабилна биомаса, със скорости на отстраняване на COD, фосфор и азот съответно 95%, 99,6% и 71%. Резултатите от вътрешни изследвания са в съответствие с тези констатации и аеробната гранулирана утайка притежава способности за денитрификация и отстраняване на фосфор. Благодарение на уникалната структура на гранулираната утайка и наличието на градиент на кислородна дифузия, тя осигурява среда за съвместно съществуване на полифосфат-акумулиращи бактерии, нитрифициращи бактерии и DPB. Големи количества DPB и нитрифициращи бактерии се натрупват в гранулирана утайка; експерименти на Yang Guojing et al. показват, че DPB представлява 73,1% от всички полифосфат-акумулиращи бактерии в гранулираната утайка. Култивирането на гранулирана утайка е по-трудно от култивирането на обикновена утайка, а влияещите фактори са относително сложни.
В допълнение към въздействащите фактори, които са общи за обикновената денитрификация на утайките и отстраняването на фосфор, гранулираната утайка има свои собствени уникални влияещи фактори: ① Взаимодействието между концентрацията на DO и размера на частиците оказва значително влияние върху ефективността на денитрификацията и отстраняването на фосфора. Ако размерът на частиците е твърде малък, проникването на кислород е относително силно, засягайки образуването на аноксична зона, което води до невъзможност за постигане на денитрификация и отстраняване на фосфора.
② Поддържането на подходящо съотношение -към-фосфор е от решаващо значение за гранулирането на утайката и капацитета за отстраняване на фосфора. Когато съотношението азот-към-фосфор се увеличи от 2,36 на 4,0, степента на отстраняване на фосфор намалява от 85,0% на 54,1%. ③ Експерименти от Lin Y-M et al. показа тясна връзка между размера на частиците и масовото съотношение фосфор-към-въглерод. Високото масово съотношение фосфор-към-въглерод може да доведе до по-малки частици с по-компактна структура, като по този начин намалява SVI и насърчава натрупването на полифосфат-акумулиращи бактерии.
3.3 Процес на партиден биофилм за секвениране на въздушен транспорт с вътрешна циркулация
Процесът на партиден биофилм с вътрешна циркулация с въздушен транспорт (SBBR) е предназначен главно за интегрирано отстраняване на фосфор и азот. Изследвания на Zhang ZY et al. показа, че вътрешният циркулационен еърлифт SBBR постига стабилни нива на отстраняване на азот и фосфор. Степента на отстраняване на COD, N и P при оптимална плътност на опаковката и органично натоварване са съответно 95,3%±3,3%, 94,6%±4,1% и 73,1%±8,3%. Реакторът е разделен на две зони чрез преграда-аеробна зона и зона за рефлукс. Нитрифициращите бактерии и аеробните полифосфат-акумулиращи бактерии се намират главно в аеробната зона, докато DPB се намират в зоната на рефлукс. По време на анаеробния период DPB в зоната на рефлукс и полифосфат-акумулиращите бактерии в аеробната зона абсорбират органичния субстрат; по време на аеробния/аноксичен период, нитрифициращите бактерии в аеробната зона произвеждат NO3- и NO2-, за да осигурят акцептори на електрони за усвояването на фосфор от DPB, като по този начин премахват азота и фосфора. Отстраняването на утайки е решаващ фактор, влияещ върху отстраняването на фосфор, което може да се постигне чрез регулиране на плътността на опаковката на влакната. Конвенционалните SBBR имат слаба ефективност на отстраняване на азот и фосфор, главно поради конкуренцията за кислород и хранителни вещества между нитрифициращи бактерии и хетеротрофни бактерии в биофилма. В сравнение с конвенционалните SBBR, вътрешният циркулационен еърлифт SBBR избягва тази конкуренция; в сравнение с конвенционалните процеси с активна утайка, този реактор спестява енергия и инвестиции.
4. Outlook
Бяха постигнати предварителни резултати в изследването на технологията за отстраняване на фосфор от денитрификация както в страната, така и в международен мащаб и технологията напредна от основно изследване към инженерно приложение. Понастоящем нашето разбиране за структурата и функцията на микробната общност в системите за отстраняване на фосфор от денитрификация все още е ограничено. Структурата на микробната общност варира значително между различните системи и микробната общност в рамките на една и съща система също е много сложна. Техниките на молекулярната биология могат да се използват за проследяване на динамиката на микробната общност и идентифициране на функционални групи, разкривайки връзката между структурата и функцията на микробната общност, като по този начин позволяват по-добър контрол на инженерството за биологично третиране. Техниките на молекулярната биология, използвани при биологично отстраняване на фосфор, включват полимеразна верижна реакция (PCR), полиморфизъм на дължината на рестрикционни фрагменти (RFLP) и техники на олигонуклеотидни проби. Проучванията обикновено смятат, че полифосфат{5}}акумулиращите бактерии (PABs) са от групите Rhodocyclus и Dechlorimonas на -Proteobacteria. Сатоши Т. и др. използва RFLP за изследване на характеристиките на-натрупващи полифосфат бактерии (DPB), което показва, че DPB са Thaurera mechrnichensis и Azoarcus tolulyticus от групата на Rhodocyclus. Трябва тясно да интегрираме микробиологията и инженерството на системите за отстраняване на фосфор от денитрификация. Чрез микробно откриване и екологични проучвания можем да анализираме и определим количеството и структурата на общността на DPBs в системата, да разберем как работните параметри влияят върху характеристиките, разпределението на гъстотата на популацията и пространственото разпределение на PPBs, нитрифициращи бактерии и DPBs, като по този начин постигаме изкуствено подобряване на системите за отстраняване на фосфор от денитрификация, оптимизиране на процесите на обработка и укрепване на разработването и прилагането на нови технологии.
