1. Mehanizem za odstranjevanje fosforja z denitrifikacijo
Visoko{0}}kisle bakterije razgrajujejo velike organske molekule v nizko{1}}molekularne-maščobne kisline v anaerobnih pogojih. DPB (destilirana bizmutova biota) razgrajuje polifosfate v svojih celicah v anaerobnih pogojih, da ustvari ATP, absorbira maščobne kisline z aktivnim transportom in sintetizira poli(-hidroksibutirat) (PHB), hkrati pa sprošča PO43-. Po kopičenju velikih količin PHB DPB preide v anaerobno stanje, pri čemer uporablja NO3- kot akceptor elektronov za oksidacijo PHB. Izkorišča razgradnjo PHB za ustvarjanje energije in zagotavlja redukcijsko moč (nikotinamid adenin dinukleotid (NADH) in uporablja NADH+H+ kot nosilec transportne verige elektronov za odstranjevanje protonov, s čimer tvori silo, ki jo poganjajo protoni. Ta sila, ki jo poganja proton, prenaša PO43- izven telesa v telo, kjer sintetizira ATP pod delovanjem ATPaz in polimerizira presežek PO43- v polifosfate. DPB, ki ga proizvede v anaerobnih pogojih skozi transportno verigo elektronov, presega ATP, ki nastane v anaerobnih pogojih z razgradnjo polifosfatov v telesu.
2. Glavni dejavniki, ki vplivajo na denitrifikacijo in odstranjevanje fosforja
2.1 Razmerje med ogljikom-in-dušikom
V skladu s tradicionalno teorijo odstranjevanja fosforja prisotnost virov ogljika v anoksičnem območju ali nitratov v anaerobnem območju povzroči tekmovanje med denitrifikacijskimi bakterijami in DPB za nitratni dušik, ki sprejema elektrone, ali za vire ogljika, s čimer se zmanjša selektivna prednost DPB in vpliva na učinkovitost odstranjevanja fosforja. To zahteva primerno razmerje med ogljikom-in-dušikom v dotoku. Vendar raziskava Ahn J. et al. kaže, da v anaerobnih/aerobnih (A/O) pogojih dolgoročno -privajanje virov ogljika in majhna količina nitratov, ki vstopajo v anaerobno cono, spodbuja obogatitev DPB, DPB pa lahko ohrani svojo sposobnost absorpcije anoksičnega fosforja v A/O pogojih. Z mikrobiološkega vidika obstajata dve razlagi: ena je, da DPB neposredno izkorišča vire ogljika v anaerobnem območju skozi cikel trikarboksilne kisline (TCA); drugo pa je, da DPB oksidira vire ogljika med anaerobnim obdobjem skozi cikel TCA, da pridobi reducirno moč in energijo za kopičenje polihidroksialkanojskih kislin, in preživi v aerobnem obdobju. V zvezi s tem ni bilo objavljenih nobenih drugih poročil o fizioloških značilnostih DPB.
2.2 Metode odmerjanja nitratov
Obstajata dve metodi za dodajanje nitrata v anoksično cono: takojšnje dodajanje in kontinuirano dodajanje. Neprekinjeno dodajanje je nekoliko bolj učinkovito in tudi preprečuje kopičenje nitritov. Zou Hua et al. je pokazalo, da je bila stopnja privzema fosforja višja, ko je bil čas neprekinjenega dodajanja 2 uri, kot če je bil 3,5 ure. Vendar trenutno ni poročil o specifičnem razmerju med stopnjo dodajanja in stopnjo absorpcije fosforja. Več tehničnih dokumentov je na voljo na China Wastewater Treatment Engineering Network.
2.3 SRT
DPB raste počasneje v pogojih A/A kot v pogojih A/O. Prekratek SRT bo povzročil izločanje DPB v reaktorju, medtem ko bo predolg SRT povzročil staranje blata in zmanjšanje vsebnosti fosforja. Merzouki M. je poročal, da je bila učinkovitost odstranjevanja fosforja s sistemom za odstranjevanje fosforja s SBR denitrifikacijo 1,8-krat večja, ko je bil SRT 15 dni, kot če je bil 7,5 dni. Pri postopkih granuliranega blata, ki se uporabljajo za odstranjevanje fosforja in dušika, je struktura blata zapletena zaradi njegove bogatejše in bolj integrirane biološke skupnosti. Kako uravnotežiti DPB, polifosfat-akumulacijske bakterije in nitrifikacijske bakterije skozi staranje blata ostaja negotovo.
2.4 Nitrit
Trenutno obstajata dve mnenji o tem, ali nitrit zavira privzem fosforja, in ti mnenji temeljita na različnih predmetih raziskav. Z uporabo blata, ki ni bilo podvrženo denitrificiranju in aklimatizaciji odstranjevanja fosforja, kot predmet raziskave, rezultati dosledno kažejo, da koncentracije nitritov, ki presegajo kritično raven, zavirajo privzem fosforja. Poskusi Wang Ya-yi et al. je pokazalo, da je absorpcija fosforja zavrta, ko koncentracija nitrita preseže 15 mg/L, medtem ko so poskusi Meinhold J. et al. je pokazala, da je kritična koncentracija nitritov 5–8 mg/L. Vendar pa uporaba blata, ki je bilo podvrženo denitrifikaciji in aklimatizaciji za odstranitev fosforja, kot predmet raziskave daje drugačne rezultate. Poskusi Hu JY so pokazali, da poleg splošno priznanih bakterij, ki kopičijo polifosfat- (PAB) in DPB, obstaja tudi tretja skupina PPB. Ti PPB lahko uporabijo nitrit kot sprejemnik elektronov za prevzem fosforja. Poleg tega so poskusi pokazali, da ko je bila začetna koncentracija nitrita manjša od 115 mg/L, ni bilo pomembnega zaviranja privzema fosforja. Koncentracija nitritov v gospodinjskih čistilnih napravah je očitno daleč pod to kritično koncentracijo, zato ne bo negativno vplivala na biološko odstranjevanje fosforja. Na odstranjevanje denitrifikacijskega fosforja vplivajo številni drugi dejavniki, kot so temperatura (DPB je še posebej občutljiv na temperaturo, zlasti nizke temperature) in kationi (Mg2+ in K+). Trenutno je malo raziskav o teh vidikih, interakcije med različnimi dejavniki pa povečujejo težavnost raziskovanja.
3. Novi pristopi k doseganju denitrifikacijske odstranitve fosforja
Tradicionalni tipični postopki odstranjevanja fosforja z denitrifikacijo vključujejo: ① Anaerobni/anoksični in nitrifikacijski (A2N) postopek. Ta postopek je dvojni-postopek odstranjevanja fosforja z denitrifikacijo blata, kjer se nitrifikacijske bakterije in DPB gojijo ločeno v različnih sistemih blata, pri čemer so nitrifikacijske bakterije popolnoma ločene od DPB. Postopek A2N je najbolj primeren za razmere z nizkim razmerjem ogljika in dušika. ② Postopek Dephanox. Ko je vsebnost ogljika in dušika v dotoku visoka, je treba za anoksičnim rezervoarjem v procesu A2N dodati prezračevalno posodo in tako oblikovati postopek DEPHANOX.
③Proces BCFS. Ta postopek je spremenjen postopek UCT. Načelo načrtovanja postopka UCT temelji na inženirskem izboljšanju okoljskih pogojev, ki jih zahtevajo bakterije, ki kopičijo polifosfat-, medtem ko je razvoj BCFS namenjen ustvarjanju obogatitvenih pogojev za DPB s procesnega vidika. Nedavno je prišlo do preboja v raziskavah o uporabi tehnologije odstranjevanja fosforja z denitrifikacijo. Enote, ki potrebujejo čiščenje odpadne vode, se lahko posvetujejo tudi s podjetji s podobnimi izkušnjami s čiščenjem odpadne vode na storitveni platformi projekta Wastewater Treasure.
3.1 Metoda AOA-SBR
Anaerobni/anoksični/aerobni (A2O) proces je pogosta oblika odstranjevanja dušika in fosforja. V glavnem deluje s presnovo bakterij, ki kopičijo polifosfat, nitrifikacijskih in denitrifikacijskih bakterij. Zato je kroženje tekočin, ki vsebujejo nitrate in nitrite, bistveno pri tem procesu. Tsuneda S. et al. predlagal anaerobni/aerobni/anoksični (AOA) postopek v SBR (Self-Biochemical Reactor), ki v celoti izkorišča značilnost DPB (difosfat polifosfat) za hkratno odstranjevanje dušika in fosforja v anoksičnih pogojih in brez vira ogljika. To omogoča, da poteka denitrifikacija v anoksičnem delu brez vira ogljika, s čimer se odpravi potreba po kroženju med aerobnimi in anoksičnimi rezervoarji, s čimer se doseže hkratna odstranitev dušika in fosforja v enem samem SBR. Poskusi so tudi pokazali, da lahko ta postopek doseže odlične učinke odstranjevanja dušika in fosforja pri obdelavi sintetične odpadne vode z razmerjem ogljik-:-dušik pod 10, s povprečno stopnjo odstranitve dušika in fosforja 83 % oziroma 92 %. Ta proces ne le obogati DPB, ampak tudi povzroči, da ima DPB pomembno vlogo pri odstranjevanju fosforja in dušika. Eksperimentalni rezultati kažejo, da DPB predstavlja 44 % vseh bakterij, ki kopičijo polifosfat-, v procesu AOA-SBR, kar je bistveno več kot pri običajnih postopkih A/O-SBR (13 %) in A2O (21 %).
Postopek AOA-SBR ima dve ključni značilnosti: ① Na začetku aerobne faze se doda ustrezna količina vira ogljika, da se zavre aerobni vnos fosforja. V tem poskusu je bila optimalna količina vira ogljika, dodanega med aerobno fazo, 40 mg/L.
② V tem procesu lahko nitrit deluje kot sprejemnik elektronov za privzem fosforja.
3.2 Postopek zrnatega blata
Zrnato blato za odstranjevanje dušika in fosforja je trenutno še v fazi raziskav. V primerjavi s konvencionalnimi postopki blata ima aerobno zrnato blato boljšo zmogljivost usedanja, večjo koncentracijo biomase in nižjo vsebnost vlage v blatu. Z uporabo zrnatega blata je mogoče odpraviti težave, ki obstajajo pri običajnem blatu (kot so zbiranje blata, velik odtis čistilnih struktur in sekundarno sproščanje fosforja iz čistilnikov). Poskusi Dulekgurgen E. et al. je pokazalo, da ima zrnato blato stabilno biomaso s stopnjami KPK, fosforja in dušika 95 %, 99,6 % oziroma 71 %. Rezultati domačih raziskav so skladni s temi ugotovitvami, aerobno zrnato blato pa ima zmožnosti denitrifikacije in odstranjevanja fosforja. Zaradi edinstvene strukture zrnatega blata in prisotnosti difuzijskega gradienta kisika zagotavlja okolje za soobstoj polifosfa-akumulacijskih bakterij, nitrifikacijskih bakterij in DPB. V zrnatem blatu se kopičijo velike količine DPB in nitrifikacijskih bakterij; poskusi Yang Guojinga et al. je pokazalo, da DPB predstavlja 73,1 % vseh bakterij, ki kopičijo polifosfate, v zrnatem blatu. Gojenje zrnatega blata je težje kot gojenje navadnega blata, vplivni dejavniki pa so relativno zapleteni.
Poleg vplivnih dejavnikov, ki so skupni običajni denitrifikaciji blata in odstranjevanju fosforja, ima zrnato blato svoje edinstvene vplivne dejavnike: ① Interakcija med koncentracijo DO in velikostjo delcev pomembno vpliva na učinkovitost denitrifikacije in odstranjevanja fosforja. Če je velikost delcev premajhna, je prodor kisika razmeroma močan, kar vpliva na nastanek anoksične cone, kar povzroči nezmožnost doseganja denitrifikacije in odstranitve fosforja.
② Ohranjanje ustreznega razmerja med -dušikom in-fosforjem je ključnega pomena za granulacijo blata in zmogljivost odstranjevanja fosforja. Ko se razmerje med dušikom-in-fosforjem poveča z 2,36 na 4,0, se stopnja odstranitve fosforja zmanjša s 85,0 % na 54,1 %. ③ Poskusi Lin Y-M et al. je pokazala tesno povezavo med velikostjo delcev in masnim razmerjem med fosforjem-in-ogljikom. Visoko masno razmerje med fosforjem-in-ogljikom lahko povzroči manjše delce z bolj kompaktno strukturo, s čimer se zmanjša SVI in spodbuja kopičenje polifosfat-bakterij, ki kopičijo.
3.3 Notranja cirkulacija Airlift Sekvenciranje šaržnega procesa biofilma
Proces zaporedja šaržnega biofilma z notranjim kroženjem zraka (SBBR) je zasnovan predvsem za integrirano odstranjevanje fosforja in dušika. Študije Zhang ZY et al. je pokazalo, da zračni dvig z notranjim kroženjem SBBR dosega stabilne stopnje odstranjevanja dušika in fosforja. Stopnje odstranitve KPK, N in P pri optimalni gostoti embalaže in organski obremenitvi so bile 95,3 % ± 3,3 %, 94,6 % ± 4,1 % oziroma 73,1 % ± 8,3 %. Reaktor je razdeljen na dve coni s pregrado-aerobno cono in refluksno cono. Nitrifikacijske bakterije in aerobne polifosfa-akumulacijske bakterije najdemo predvsem v aerobnem območju, medtem ko se DPB nahaja v refluksnem območju. V anaerobnem obdobju DPB v coni refluksa in bakterije, ki kopičijo polifosfat-, v aerobni coni absorbirajo organski substrat; med aerobnim/anoksičnim obdobjem nitrifikacijske bakterije v aerobnem območju proizvajajo NO3- in NO2-, da zagotovijo akceptorje elektronov za privzem fosforja v DPB in tako odstranijo dušik in fosfor. Odstranjevanje blata je ključni dejavnik, ki vpliva na odstranjevanje fosforja, kar je mogoče doseči s prilagajanjem gostote vlaknene embalaže. Običajni SBBR imajo slabo učinkovitost odstranjevanja dušika in fosforja, predvsem zaradi tekmovanja za kisik in hranila med nitrifikacijskimi bakterijami in heterotrofnimi bakterijami znotraj biofilma. V primerjavi z običajnimi SBBR se zračni dvig z notranjim obtokom SBBR izogiba tej konkurenci; v primerjavi s konvencionalnimi postopki z aktivnim blatom ta reaktor prihrani energijo in naložbo.
4. Outlook
Preliminarni rezultati so bili doseženi pri raziskavah tehnologije odstranjevanja fosforja z denitrifikacijo tako doma kot v tujini, tehnologija pa je napredovala od osnovnih raziskav do inženirske uporabe. Trenutno je naše razumevanje strukture in delovanja mikrobne skupnosti v sistemih za odstranjevanje fosforja iz denitrifikacije še vedno omejeno. Struktura mikrobne skupnosti se med različnimi sistemi močno razlikuje, zelo kompleksna pa je tudi mikrobna skupnost znotraj istega sistema. Tehnike molekularne biologije se lahko uporabljajo za sledenje dinamiki mikrobne skupnosti in identifikacijo funkcionalnih skupin, ki razkrijejo razmerje med strukturo in delovanjem mikrobne skupnosti, s čimer se omogoči boljši nadzor inženiringa biološke obdelave. Tehnike molekularne biologije, ki se uporabljajo pri biološkem odstranjevanju fosforja, vključujejo verižno reakcijo s polimerazo (PCR), polimorfizem dolžine restrikcijskih fragmentov (RFLP) in tehnike oligonukleotidne sonde. Študije na splošno menijo, da bakterije, ki kopičijo polifosfat (PAB), izhajajo iz skupin Rhodocyclus in Dechlorimonas -Proteobacteria. Satoshi T. et al. uporabil RFLP za preučevanje značilnosti polifosfat{10}}akumulirajočih bakterij (DPB), kar kaže, da sta DPB Thaurera mechrnichensis in Azoarcus tolulyticus iz skupine Rhodocyclus. Tesno moramo povezati mikrobiologijo in inženiring sistemov za odstranjevanje fosforja iz denitrifikacije. Z mikrobnim odkrivanjem in ekološkimi študijami lahko analiziramo in določimo količino in strukturo skupnosti DPB v sistemu, razumemo, kako parametri delovanja vplivajo na značilnosti, porazdelitev gostote populacije in prostorsko porazdelitev PPB, nitrifikacijskih bakterij in DPB, s čimer dosežemo umetno izboljšanje sistemov za odstranjevanje fosforja pri denitrifikaciji, optimiziramo procese obdelave in okrepimo razvoj in uporabo novih tehnologij.