Принципът на биологичното отстраняване на азот и фосфор в отпадъчните води

Прекомерните азотни и фосфорни замърсители във водните тела са основната причина за проблемите на водната среда като еутрофикация, цъфтеж на водорасли и червени приливи, което води до редица проблеми, включително влошаване на качеството на водата, дисбаланс на водната екосистема и заплахи за безопасността на питейната вода. В сравнение с процесите на химическо и физическо третиране, технологията за биологично отстраняване на азот и фосфор се превърна в основен процес за усъвършенствано третиране на отпадъчни води в настоящите пречиствателни станции за отпадъчни води поради своите предимства като стабилен ефект на третиране, ниски оперативни разходи, липса на вторично замърсяване и адаптивност към сценарии за третиране на общински и промишлени отпадъчни води. Основният принцип на биологичното отстраняване на азот и фосфор в отпадъчните води е да се използват метаболитните дейности на различни функционални микроорганизми в контролирана редуваща се анаеробна, аноксична и аеробна среда за постепенно преобразуване на замърсители като органичен азот, амонячен азот и общ фосфор в отпадъчните води в газообразни вещества, които излизат или се втвърдяват в утайка, която се изхвърля от водното тяло, по този начин се постига пречистване на водата.

Азотът в отпадъчните води съществува в сложни форми, включващи главно органичен азот, амонячен азот, нитритен азот и нитратен азот. Биологичното отстраняване на азот не е еднократен реакционен процес, а по-скоро три{1}}етапна микробна биохимична реакция-амоняк, нитрификация и денитрификация-, която в крайна сметка превръща различни форми на азот в азотен газ, премахвайки го от водното тяло и постигайки пълно отстраняване на азота. Целият процес разчита на метаболитните дейности на различни бактериални общности в техните специфични среди.

(I) Реакция на амоняк (конверсия на органичен азот)

При аеробни или анаеробни условия органичните азотни замърсители в отпадъчните води, като протеини, урея и аминокиселини, се хидролизират и окисляват до неорганичен амонячен азот (NH3-N) чрез разлагане и метаболизъм на амонифициращи бактерии. Тази реакция е основната пред-реакция на биологичното отстраняване на азота, силно приспособима към околната среда и не изисква стриктен контрол на параметри като разтворен кислород и температура, което й позволява да протича гладко при конвенционални условия на пречистване на отпадъчни води. Реакционният процес превръща сложния органичен азот в прост неорганичен азот, осигурявайки субстрати за последващи реакции на нитрификация и денитрификация и е първата стъпка в отстраняването на азота.

(II) Нитрификация (оксидиране на амонячен азот)

Нитрификацията е окислителна реакция, доминирана от аеробни автотрофни микроорганизми, състояща се от два етапа: нитрификация и нитрификация. Необходим е достатъчно кислород по време на целия процес и микроорганизмите показват бавни темпове на растеж, дълги цикли на генериране и висока чувствителност към температурата на околната среда, pH и разтворения кислород. Първият етап е нитрификация, при която нитрифициращите бактерии окисляват амонячния азот до нитритен азот; вторият етап е нитрификация, където нитрифициращите бактерии допълнително окисляват нитритния азот до стабилен нитратен азот.

Нитрифициращите бактерии са автотрофни, което означава, че не консумират органични замърсители в отпадъчните води. Вместо това те използват химическата енергия, генерирана от окисляването на амонячен азот, като източник на енергия за фиксиране на въглероден диоксид и синтезиране на собствени вещества. Този процес е ключов етап на окисление в отстраняването на азота, реализирайки превръщането на редуциращия азот в окисляващ азот и осигурявайки реакционни субстрати за последваща денитрификация.

(III) Денитрификация (отстраняване на нитратен азот)

Денитрификацията е редукционна реакция, доминирана от анаеробни хетеротрофни микроорганизми и е последната основна стъпка в биологичното отстраняване на азота. В анаеробна среда с липса на молекулен кислород, но съдържаща нитратен азот, денитрифициращите бактерии използват източници на органичен въглерод в отпадъчните води като донори на електрони, за да намалят постепенно нитратния азот и нитритния азот, произведени в реакцията на нитрификация, като в крайна сметка генерират азотен газ (N₂), който излиза на водната повърхност, премахвайки напълно азота от отпадъчните води.

Процесът на денитрификация трябва да прави стриктно разграничение между анаеробна и аноксична среда: в анаеробната среда липсва молекулярен кислород, но съдържа комбиниран кислород (нитратен азот), което позволява реакцията на денитрификация да протича нормално; докато в анаеробната среда липсва комбиниран кислород, което предотвратява реакцията на денитрификация. Едновременно с това източникът на органичен въглерод е основно условие за денитрификация; недостатъчните източници на въглерод директно водят до значително намаляване на ефективността на отстраняване на азота. В практическото инженерство често се използва допълване с екзогенни източници на въглерод, за да се осигури ефективност на отстраняването на азота.

Основната функционална бактериална група за биологично отстраняване на фосфор са полифосфат{0}}акумулиращите бактерии (PAO). Тези микроорганизми притежават уникални метаболитни характеристики, които им позволяват да завършат цикъл на „освобождаване на фосфор-усвояване на фосфор“ при редуващи се анаеробни и аеробни среди, като в крайна сметка постигат пълно отстраняване на фосфора от водното тяло чрез изхвърляне на излишната утайка. За разлика от денитрификацията, биологичното отстраняване на фосфора не произвежда газообразни странични продукти. Вместо това, той втвърдява фосфатите във водата в микроорганизмите, освобождавайки ги като утайка.

(I) Етап на анаеробно освобождаване на фосфор

В строго анаеробна среда, без молекулярен кислород и нитратен азот, полифосфат{0}}акумулиращите бактерии (PABs) не могат да използват външен кислород за аеробно дишане, ограничавайки своите метаболитни енергийни източници. В това състояние PPA разграждат полифосфатите, съхранявани в техните клетки, освобождавайки енергия за абсорбиране на ниско{2}}молекулни-източници на органичен въглерод като летливи мастни киселини (VFA) от отпадъчни води, превръщайки ги в полихидроксиалканоати (PHA) за съхранение в клетките. По време на този процес вътреклетъчните фосфати се освобождават в отпадъчните води, което води до моментно повишаване на съдържанието на фосфор във водата-това е анаеробният процес на освобождаване на фосфор.

(II) Етап на аеробен излишък на абсорбция на фосфор

Когато околната среда премине в аеробно състояние, PPA вече не абсорбират източници на органичен въглерод, а вместо това разлагат PHA, съхранявани в анаеробния етап, като получават голямо количество енергия чрез окисляване и разлагане на органична материя. Използвайки тази енергия, полифосфат{1}}акумулиращите бактерии (PAC) абсорбират прекомерно фосфат от отпадъчните води, далеч надхвърляйки количеството, освободено по време на анаеробния етап. След това излишният фосфат се съхранява в клетките като полифосфат, постигайки обогатяване с фосфор и отстраняване от водата.

В крайна сметка богатите- на фосфор PAC се утаяват с утайката и се отстраняват напълно от системата за отпадни води чрез изхвърляне на отпадъчни утайки от системата, като по този начин завършва целия процес на биологично отстраняване на фосфора. Променливите метаболитни характеристики на PACs са в основата на биологичното отстраняване на фосфор и стабилното превключване на анаеробна-аеробна среда е от решаващо значение за осигуряване на ефективност на отстраняване на фосфора.

Ефективността на биологичното отстраняване на азот и фосфор зависи изцяло от микробната активност. Метаболитните характеристики на микроорганизмите определят основните контролни параметри на процеса. Основните влияещи фактори включват две категории: параметри на околната среда и параметри на качеството на водата.

1. Разтворен кислород: Нитрификацията и аеробното усвояване на фосфор изискват достатъчно разтворен кислород; аноксичната денитрификация изисква среда със строго ниско-кислород; а анаеробното освобождаване на фосфор изисква абсолютно анаеробна среда. Нарушенията в кислородната среда ще доведат директно до неуспешно отстраняване на азот и фосфор.

2. Съдържание на източник на въглерод: Както денитрифициращите бактерии, така и полифосфат{1}}акумулиращите бактерии разчитат на източници на органичен въглерод за метаболизма. Когато съотношението на въглерод-към-азот и съотношението въглерод-към-фосфор в отпадъчните води е твърде ниско, трябва да се добавят екзогенни източници на въглерод като натриев ацетат и глюкоза; в противен случай ще настъпи непълно отстраняване на азот и ниска ефективност на отстраняване на фосфор.

3. pH и температура: Оптималното pH за нитрифициращите бактерии е 7,5-8,5, докато оптималното pH за бактериите, натрупващи полифосфат, е 6,5-8,0. Оптималната температура за микроорганизмите е 20-30 градуса. Ниските температури значително ще намалят бактериалната активност и ефективността на лечението.

4. Възраст на утайката: Нитрифициращите бактерии имат дълъг цикъл на генериране, изискващ по-голяма възраст на утайката, за да се гарантира оцеляването на бактериите. Полифосфат{2}}акумулиращите бактерии, от друга страна, имат по-кратка възраст на утайката; твърде дългото стареене на утайката може да доведе до освобождаване на фосфор от утайката. Следователно действителният процес трябва да балансира възрастта на утайката, за да се осигури ефективност на отстраняването както на азот, така и на фосфор.

Въз основа на горните основни принципи за отстраняване на азот и фосфор, индустрията е разработила различни зрели процеси, всички от които целят да създадат редуващи се анаеробни, аноксични и аеробни реакционни среди. Процесът A²/O е най-класическият процес за едновременно отстраняване на азот и фосфор. Той последователно завършва освобождаването на фосфор и съхранението на въглерод чрез полифосфат{2}}акумулиращи бактерии в анаеробната зона, денитрификация в аноксичната зона и нитрификация и прекомерно усвояване на фосфор от полифосфат-акумулиращи бактерии в аеробната зона. И накрая, едновременното отстраняване на азот и фосфор се постига чрез утаяване и изхвърляне на утайки. В допълнение, модифицираните A²/O, SBR и процесите на окислителни канавки се основават на основни биохимични принципи, оптимизиращи структурата на резервоара и оперативната последователност, за да се адаптират към различни нужди от пречистване на водата.

Същността на биологичното отстраняване на азот и фосфор от отпадъчните води е да се използват диференцираните метаболитни характеристики на функционалните микроорганизми и изкуствено да се регулира водната среда, за да се постигне трансформация на азотни и фосфорни замърсители и тяхното отстраняване от водното тяло. Отстраняването на азот разчита на поетапните реакции на амонификация, нитрификация и денитрификация за постигане на газообразно отстраняване, докато отстраняването на фосфор разчита на цикличния метаболизъм на полифосфат-натрупващи бактерии-анаеробно освобождаване на фосфор и аеробно поглъщане на фосфор-за постигане на втвърдяване и отстраняване на утайки. Задълбоченото разбиране на неговите биохимични принципи е основната основа за оптимизиране на процесите на пречистване на отпадъчни води, подобряване на ефективността на отстраняване на азот и фосфор и решаване на проблема с еутрофикацията във водните тела. Той също така предоставя важна теоретична подкрепа за пестене на енергия, намаляване на емисиите и подобряване на пречистването на отпадъчни води.