Načelo biološkega odstranjevanja dušika in fosforja v odpadni vodi

Prekomerna onesnaževanja z dušikom in fosforjem v vodnih telesih so glavni vzrok za težave z vodnim okoljem, kot so evtrofikacija, cvetenje alg in rdeče plime, kar vodi do vrste vprašanj, vključno s poslabšanjem kakovosti vode, neravnovesjem vodnega ekosistema in grožnjami za varnost pitne vode. V primerjavi s kemičnimi in fizikalnimi postopki čiščenja je tehnologija biološkega odstranjevanja dušika in fosforja zaradi svojih prednosti, kot so stabilni učinki čiščenja, nizki obratovalni stroški, brez sekundarnega onesnaženja in prilagodljivost scenarijem čiščenja komunalne in industrijske odpadne vode, postala osrednji postopek za napredno čiščenje odpadne vode v trenutnih čistilnih napravah. Osnovno načelo biološkega odstranjevanja dušika in fosforja v odpadni vodi je uporaba presnovnih aktivnosti različnih funkcionalnih mikroorganizmov v nadzorovanem izmenično anaerobnem, anoksičnem in aerobnem okolju za postopno pretvorbo onesnaževal, kot so organski dušik, amonijev dušik in skupni fosfor v odpadni vodi, v plinaste snovi, ki uhajajo ali se strdijo v blato, ki se izpušča iz vodnega telesa, s čimer dosežemo čiščenje vode.

Dušik v odpadni vodi obstaja v zapletenih oblikah, ki vključujejo predvsem organski dušik, amonijakov dušik, nitritni dušik in nitratni dušik. Biološko odstranjevanje dušika ni enojni reakcijski proces, temveč tri{1}}mikrobna biokemična reakcija v treh korakih-amonijak, nitrifikacija in denitrifikacija-, ki na koncu pretvori različne oblike dušika v dušikov plin, ga odstrani iz vodnega telesa in doseže popolno odstranitev dušika. Celoten proces je odvisen od presnovnih aktivnosti različnih bakterijskih skupnosti v njihovih specifičnih okoljih.

(I) Reakcija amoniaka (pretvorba organskega dušika)

V aerobnih ali anaerobnih pogojih se organska onesnaževala z dušikom v odpadni vodi, kot so beljakovine, sečnina in aminokisline, hidrolizirajo in oksidirajo v anorganski dušik iz amonijaka (NH₃-N) z razgradnjo in presnovo amonificirajočih bakterij. Ta reakcija je temeljna pred-reakcija biološkega odstranjevanja dušika, zelo prilagodljiva okolju in ne zahteva strogega nadzora parametrov, kot sta raztopljeni kisik in temperatura, kar ji omogoča nemoten potek v pogojih običajnega čiščenja odpadne vode. Reakcijski proces pretvori kompleksen organski dušik v preprost anorganski dušik, ki zagotavlja substrate za nadaljnje reakcije nitrifikacije in denitrifikacije, in je prvi korak pri odstranjevanju dušika.

(II) Nitrifikacija (oksidacija dušika v amoniaku)

Nitrifikacija je oksidacijska reakcija, v kateri prevladujejo aerobni avtotrofni mikroorganizmi in je sestavljena iz dveh stopenj: nitrifikacije in nitrifikacije. V celotnem procesu je potrebno dovolj kisika, mikroorganizmi pa kažejo počasne stopnje rasti, dolge generacijske cikle in visoko občutljivost na temperaturo okolja, pH in raztopljeni kisik. Prva stopnja je nitrifikacija, kjer nitrifikacijske bakterije oksidirajo amonijev dušik v nitritni dušik; druga stopnja je nitrifikacija, kjer nitrifikacijske bakterije nadalje oksidirajo nitritni dušik v stabilen nitratni dušik.

Nitrifikacijske bakterije so avtotrofne, kar pomeni, da ne zaužijejo organskih onesnaževal v odpadni vodi. Namesto tega uporabljajo kemično energijo, ustvarjeno z oksidacijo amonijevega dušika, kot vir energije za fiksiranje ogljikovega dioksida in sintetiziranje lastnih snovi. Ta proces je ključna oksidacijska stopnja pri odstranjevanju dušika, ki uresničuje pretvorbo redukcijskega dušika v oksidacijski dušik in zagotavlja reakcijske substrate za kasnejšo denitrifikacijo.

(III) Denitrifikacija (odstranitev nitratnega dušika)

Denitrifikacija je redukcijska reakcija, v kateri prevladujejo anaerobni heterotrofni mikroorganizmi, in je zadnji ključni korak pri biološkem odstranjevanju dušika. V anaerobnem okolju, ki nima molekularnega kisika, vendar vsebuje nitratni dušik, denitrifikacijske bakterije uporabljajo vire organskega ogljika v odpadni vodi kot donorje elektronov za postopno zmanjšanje nitratnega dušika in nitritnega dušika, ki nastaneta v reakciji nitrifikacije, pri čemer na koncu nastane plin dušik (N₂), ki uide na vodno površino in popolnoma odstrani dušik iz odpadne vode.

Postopek denitrifikacije mora strogo razlikovati med anaerobnimi in anoksičnimi okolji: v anaerobnem okolju manjka molekularni kisik, vendar vsebuje kombinirani kisik (nitratni dušik), kar omogoča normalen potek reakcije denitrifikacije; medtem ko anaerobnemu okolju primanjkuje kombiniranega kisika, kar preprečuje reakcijo denitrifikacije. Hkrati je vir organskega ogljika ključni pogoj za denitrifikacijo; nezadostni viri ogljika neposredno povzročijo znatno zmanjšanje učinkovitosti odstranjevanja dušika. V praktičnem inženirstvu se za zagotovitev učinkovitosti odstranjevanja dušika pogosto uporablja dopolnjevanje z eksogenimi viri ogljika.

Glavna funkcionalna skupina bakterij za biološko odstranjevanje fosforja so bakterije,-ki kopičijo polifosfat (PAO). Ti mikroorganizmi imajo edinstvene presnovne značilnosti, ki jim omogočajo, da dokončajo cikel "sproščanja fosforja-privzema fosforja" v izmeničnih anaerobnih in aerobnih okoljih, s čimer na koncu dosežejo popolno odstranitev fosforja iz vodnega telesa z odvajanjem odvečnega blata. Za razliko od denitrifikacije biološka odstranitev fosforja ne proizvaja plinastih stranskih produktov. Namesto tega strdi fosfate v vodi znotraj mikroorganizmov in jih sprošča kot blato.

(I) Stopnja anaerobnega sproščanja fosforja

V strogo anaerobnem okolju, brez molekularnega kisika in nitratnega dušika, polifosfa-akumulacijske bakterije (PAB) ne morejo uporabiti zunanjega kisika za aerobno dihanje, kar omejuje njihove presnovne vire energije. V tem stanju PPA razgrajujejo polifosfate, shranjene v njihovih celicah, in sproščajo energijo za absorpcijo virov organskega ogljika z nizko-molekularno- maso, kot so hlapne maščobne kisline (VFA) iz odpadne vode, in jih pretvorijo v polihidroksialkanoate (PHA) za shranjevanje v celicah. Med tem procesom se znotrajcelični fosfati sproščajo v odpadno vodo, kar povzroči trenutno povečanje vsebnosti fosforja v vodi-to je anaerobni proces sproščanja fosforja.

(II) Faza absorpcije aerobnega presežka fosforja

Ko okolje preklopi v aerobno stanje, PPA ne absorbirajo več virov organskega ogljika, ampak namesto tega razgradijo PHA, shranjene v anaerobni fazi, pri čemer pridobijo veliko količino energije z oksidacijo in razgradnjo organske snovi. Z uporabo te energije bakterije, ki kopičijo polifosfat (PAC), prekomerno absorbirajo fosfat iz odpadne vode, kar močno presega količino, ki se sprosti v anaerobni fazi. Odvečni fosfat se nato shrani v celicah kot polifosfat, s čimer se doseže obogatitev s fosforjem in odstranitev iz vode.

Končno se PAC-bogate s fosforjem usedejo z blatom in se v celoti odstranijo iz sistema odpadne vode z odvajanjem odpadnega blata iz sistema, s čimer se zaključi celoten postopek biološkega odstranjevanja fosforja. Izmenične presnovne značilnosti PAC so jedro biološkega odstranjevanja fosforja in stabilno anaerobno-aerobno preklapljanje okolja je ključnega pomena za zagotavljanje učinkovitosti odstranjevanja fosforja.

Učinkovitost biološkega odstranjevanja dušika in fosforja je v celoti odvisna od mikrobne aktivnosti. Presnovne značilnosti mikroorganizmov določajo glavne kontrolne parametre delovanja procesa. Glavni dejavniki vpliva vključujejo dve kategoriji: okoljski parametri in parametri kakovosti vode.

1. Raztopljeni kisik: nitrifikacija in aerobni vnos fosforja zahtevata zadostno količino raztopljenega kisika; anoksična denitrifikacija zahteva okolje s strogo nizko-kisikom; in anaerobno sproščanje fosforja zahteva popolnoma anaerobno okolje. Motnje v kisikovem okolju bodo neposredno povzročile neuspeh pri odstranjevanju dušika in fosforja.

2. Vsebnost vira ogljika: tako denitrifikacijske bakterije kot bakterije, ki kopičijo polifosfat-, se za presnovo zanašajo na vire organskega ogljika. Kadar je razmerje med ogljikom-in-dušikom in razmerje ogljik-in-fosforjem v odpadni vodi prenizko, je treba dodati eksogene vire ogljika, kot sta natrijev acetat in glukoza; sicer bo prišlo do nepopolne odstranitve dušika in nizke učinkovitosti odstranitve fosforja.

3. pH in temperatura: Optimalni pH za nitrificirajoče bakterije je 7,5-8,5, medtem ko je optimalen pH za bakterije, ki kopičijo polifosfate, 6,5-8,0. Optimalna temperatura za mikroorganizme je 20-30 stopinj. Nizke temperature bodo bistveno zmanjšale aktivnost bakterij in učinkovitost zdravljenja.

4. Starost blata: Nitrifikacijske bakterije imajo dolg generacijski cikel, ki zahteva daljšo starost blata, da se zagotovi preživetje bakterij. Bakterije, ki kopičijo polifosfat-, imajo po drugi strani krajšo starost blata; predolgo staranje blata lahko povzroči sproščanje fosforja iz blata. Zato mora dejanski proces uravnotežiti starost blata, da se zagotovi učinkovitost odstranjevanja dušika in fosforja.

Na podlagi zgornjih temeljnih načel odstranjevanja dušika in fosforja je industrija razvila različne zrele postopke, katerih cilj je ustvariti izmenično anaerobno, anoksično in aerobno reakcijsko okolje. Postopek A²/O je najbolj klasičen postopek sočasnega odstranjevanja dušika in fosforja. Zaporedoma zaključi sproščanje fosforja in shranjevanje ogljika z bakterijami, ki kopičijo polifosfat-v anaerobnem območju, denitrifikacijo v anoksičnem območju ter nitrifikacijo in prekomerno absorpcijo fosforja s strani bakterij,-ki kopičijo polifosfat, v aerobnem območju. Končno se doseže hkratna odstranitev dušika in fosforja s sedimentacijo in izpustom blata. Poleg tega vsi modificirani postopki A²/O, SBR in oksidacijski jarki temeljijo na osnovnih biokemičnih načelih, ki optimizirajo strukturo rezervoarja in zaporedje delovanja, da se prilagodijo različnim potrebam po čiščenju vode po kakovosti.

Bistvo biološkega odstranjevanja dušika in fosforja iz odpadne vode je izkoriščanje diferenciranih presnovnih lastnosti funkcionalnih mikroorganizmov in umetno uravnavanje vodnega okolja, da se doseže transformacija dušikovih in fosforjevih onesnaževal in njihova odstranitev iz vodnega telesa. Odstranjevanje dušika temelji na postopnih reakcijah amonifikacije, nitrifikacije in denitrifikacije, da se doseže odstranjevanje plina, medtem ko je odstranjevanje fosforja odvisno od cikličnega metabolizma polifosfat-bakterij, ki kopičijo-anaerobnega sproščanja fosforja in aerobnega prevzema fosforja-za doseganje strjevanja in odstranjevanja blata. Poglobljeno razumevanje njegovih biokemijskih principov je temeljni temelj za optimizacijo procesov čiščenja odpadne vode, izboljšanje učinkovitosti odstranjevanja dušika in fosforja ter reševanje problema evtrofikacije v vodnih telesih. Zagotavlja tudi pomembno teoretično podporo za varčevanje z energijo, zmanjšanje emisij in nadgradnjo čiščenja odpadne vode.