1. Механизм удаления денитрификационного фосфора.
Высоко-бактерии разлагают крупные органические молекулы на низкомолекулярные-жирные кислоты в анаэробных условиях. DPB (Дистиллированная висмутовая биота) разлагает полифосфаты внутри своих клеток в анаэробных условиях с образованием АТФ, поглощая жирные кислоты посредством активного транспорта и синтезируя поли(-гидроксибутират) (PHB), одновременно высвобождая PO43-. Накопив большие количества ПОБ, ДПБ переходит в анаэробное состояние, используя NO3- в качестве акцептора электронов для окисления ПОБ. Он использует деградацию ПОБ для выработки энергии и обеспечения восстанавливающей способности (никотинамидадениндинуклеотид (НАДН) и использует НАДН+Н+ в качестве носителя цепи переноса электронов для удаления протонов, образуя, таким образом, протонно-управляемую силу. Эта протонно-управляемая сила переносит РО43- извне в организм, где под действием АТФаз синтезирует АТФ, полимеризуя избыток РО43- в полифосфаты. Производится АТФ. ДПБ в анаэробных условиях через цепь переноса электронов превышает АТФ, вырабатываемую в анаэробных условиях за счет разложения полифосфатов внутри организма. Таким образом, фосфор, поглощаемый в анаэробных условиях, превышает фосфор, высвобождаемый в анаэробных условиях. Таким образом, ДПБ выполняет функцию избыточного поглощения фосфора из сточных вод.
2. Основные факторы, влияющие на денитрификацию и удаление фосфора.
2.1 Соотношение углерода-к-азоту
Согласно традиционной теории удаления фосфора, наличие источников углерода в бескислородной зоне или нитратов в анаэробной зоне приводит к конкуренции между денитрифицирующими бактериями и ДПБ за акцептор электронов нитратный азот или за источники углерода, что снижает селективное преимущество ДФБ и влияет на эффективность удаления фосфора. Это требует подходящего соотношения углерода-к-азоту в притоке. Однако исследования Ahn J. et al. показывает, что в анаэробных/аэробных (А/О) условиях долгосрочная-акклиматизация источников углерода и небольшое количество нитратов, попадающих в анаэробную зону, способствуют обогащению ДПБ, и ДПБ может сохранять свою бескислородную способность поглощения фосфора в условиях А/О. С микробиологической точки зрения есть два объяснения: первое состоит в том, что DPB напрямую утилизирует источники углерода в анаэробной зоне через цикл трикарбоновых кислот (TCA); другое заключается в том, что DPB окисляет источники углерода в течение анаэробного периода посредством цикла ТСА, получая восстанавливающую мощность и энергию для накопления полигидроксиалкановых кислот, и выживает в течение аэробного периода. Никаких других сообщений о физиологических характеристиках ДПБ в этом отношении опубликовано не было.
2.2 Методы дозирования нитратов
Существует два метода добавления нитратов в бескислородную зону: мгновенное добавление и непрерывное добавление. Непрерывное добавление немного более эффективно и позволяет избежать накопления нитритов. Что касается влияния времени непрерывного добавления на скорость поглощения фосфора, Zou Hua et al. показали, что скорость поглощения фосфора была выше, когда время непрерывного добавления составляло 2 часа, чем когда оно составляло 3,5 часа. Однако в настоящее время нет сообщений о конкретной взаимосвязи между скоростью добавления и скоростью поглощения фосфора. Дополнительную техническую документацию можно найти в Китайской инженерной сети по очистке сточных вод.
2.3 СТО
DPB растет медленнее в условиях A/A, чем в условиях A/O. Слишком короткий SRT приведет к удалению DPB из реактора, а слишком длинный SRT приведет к старению осадка и снижению содержания фосфора. Мерзуки М. сообщил, что эффективность удаления фосфора системой удаления фосфора денитрификации SBR была в 1,8 раза выше, когда SRT составлял 15 дней, чем когда он составлял 7,5 дней. Для процессов гранулированного ила, используемых для удаления фосфора и азота, структура ила является сложной из-за его более богатого и более интегрированного биологического сообщества. Остается неясным, как сбалансировать DPB, полифосфатные-бактерии и нитрифицирующие бактерии в зависимости от возраста ила.
2.4 Нитрит
В настоящее время существует два мнения относительно того, ингибирует ли нитрит усвоение фосфора, и эти мнения основаны на разных предметах исследований. Используя в качестве объекта исследования ил, не прошедший денитрификацию и акклиматизацию по удалению фосфора, результаты неизменно показывают, что концентрации нитритов, превышающие критический уровень, ингибируют поглощение фосфора. Эксперименты Ван Я-и и др. показали, что поглощение фосфора ингибируется, когда концентрация нитритов превышает 15 мг/л, тогда как эксперименты Meinhold J. et al. указано, что критическая концентрация нитритов составляет 5–8 мг/л. Однако использование в качестве объекта исследования ила, прошедшего денитрификацию и акклиматизацию по удалению фосфора, дает иные результаты. Эксперименты Ху Цзюня показали, что помимо широко известных полифосфатаккумулирующих бактерий (PAB) и DPB, существует также третья группа PPB. Эти ППБ могут использовать нитрит в качестве акцептора электронов для поглощения фосфора. Кроме того, эксперименты показали, что при начальной концентрации нитрита менее 115 мг/л существенного ингибирования поглощения фосфора не наблюдалось. Концентрация нитритов на очистных сооружениях бытовых сточных вод, очевидно, намного ниже этой критической концентрации, поэтому она не окажет отрицательного воздействия на биологическое удаление фосфора. На удаление денитрификационного фосфора влияют многие другие факторы, такие как температура (DPB особенно чувствителен к температуре, особенно к низким температурам) и катионы (Mg2+ и K+). В настоящее время исследований по этим аспектам мало, а взаимодействие между различными факторами усложняет исследования.
3. Новые подходы к достижению денитрификационного удаления фосфора
Традиционные типичные процессы денитрификации удаления фосфора включают: ① Анаэробный/бескислородный процесс и процесс нитрификации (A2N). Этот процесс представляет собой двойной-процесс удаления фосфора с денитрификацией осадка, при котором нитрифицирующие бактерии и DPB культивируются отдельно в разных системах ила, полностью отделяя нитрифицирующие бактерии от DPB. Процесс A2N лучше всего подходит для ситуаций с низким соотношением углерода и азота. ② Процесс Дефанокс. Когда содержание поступающего углерода и азота высокое, в процессе A2N после бескислородного резервуара необходимо добавить аэротенк, образуя таким образом процесс DEPHANOX.
③Процесс BCFS. Этот процесс представляет собой модифицированный процесс UCT. Принцип проектирования процесса UCT основан на техническом улучшении условий окружающей среды, необходимых для бактерий, накапливающих полифосфат-, в то время как разработка BCFS направлена на создание условий обогащения DPB с точки зрения процесса. В последнее время произошел прорыв в исследованиях по применению технологии денитрификации удаления фосфора. Подразделения, которым требуется очистка сточных вод, также могут проконсультироваться с компаниями, имеющими аналогичный опыт очистки сточных вод, на сервисной платформе проекта Wastewater Treasure.
3.1 Метод AOA-SBR
Анаэробный/бескислородный/аэробный (А2О) процесс является распространенной формой удаления азота и фосфора. В основном он действует за счет метаболизма полифосфат-бактерий, нитрифицирующих и денитрифицирующих бактерий. Поэтому в этом процессе необходима циркуляция жидкостей, содержащих нитраты и нитриты. Цунэда С. и др. предложил анаэробный/аэробный/бескислородный (АОА) процесс в SBR (само-биохимическом реакторе), который полностью использует характеристики DPB (дифосфат-полифосфата) для одновременного удаления азота и фосфора в бескислородных условиях и без источника углерода. Это позволяет проводить денитрификацию в бескислородной секции без источника углерода, устраняя необходимость циркуляции между аэробными и бескислородными резервуарами, тем самым обеспечивая одновременное удаление азота и фосфора в одном SBR. Эксперименты также показали, что этот процесс позволяет добиться превосходного эффекта удаления азота и фосфора при очистке синтетических сточных вод с соотношением углерода-к-азоту ниже 10, со средней степенью удаления азота и фосфора 83% и 92% соответственно. Этот процесс не только обогащает DPB, но также заставляет DPB играть важную роль в удалении фосфора и азота. Экспериментальные результаты показывают, что на долю DPB приходится 44% от общего количества полифосфат-накапливающих бактерий в процессе AOA-SBR, что значительно выше, чем в обычных процессах A/O-SBR (13%) и A2O (21%).
Процесс AOA-SBR имеет две ключевые характеристики: ① Соответствующее количество источника углерода добавляется в начале аэробной фазы для ингибирования аэробного поглощения фосфора. В этом эксперименте оптимальное количество источника углерода, добавляемого во время аэробной фазы, составляло 40 мг/л.
② В этом процессе нитрит может действовать как акцептор электронов для поглощения фосфора.
3.2 Процесс гранулированного ила
Гранулированный ил для удаления азота и фосфора в настоящее время все еще находится на стадии исследований. По сравнению с обычными процессами обработки ила аэробный гранулированный ил имеет лучшие характеристики осаждения, более высокую концентрацию биомассы и более низкое содержание влаги в осадке. С применением гранулированного ила можно решить проблемы, существующие в обычном иле (такие как набухание осадка, большая площадь очистных сооружений и вторичное высвобождение фосфора из осветлителей). Эксперименты Дулекгургена Э. и др. показали, что гранулированный ил имеет стабильную биомассу со степенью удаления ХПК, фосфора и азота 95%, 99,6% и 71% соответственно. Результаты отечественных исследований согласуются с этими выводами, а аэробный гранулированный ил обладает способностью денитрификации и удаления фосфора. Благодаря уникальной структуре гранулированного ила и наличию градиента диффузии кислорода он обеспечивает среду для сосуществования полифосфатаккумулирующих бактерий, нитрифицирующих бактерий и ДПБ. В гранулированном иле накапливается большое количество ДПБ и нитрифицирующих бактерий; эксперименты Ян Гоцзин и др. показали, что на долю DPB приходилось 73,1% всех полифосфатаккумулирующих бактерий в гранулированном иле. Выращивание гранулированного ила сложнее, чем выращивание обычного ила, и факторы, влияющие на него, относительно сложны.
В дополнение к влияющим факторам, общим для обычной денитрификации ила и удаления фосфора, гранулированный ил имеет свои собственные уникальные влияющие факторы: ① Взаимодействие между концентрацией DO и размером частиц оказывает существенное влияние на эффективность денитрификации и удаления фосфора. Если размер частиц слишком мал, проникновение кислорода будет относительно сильным, что влияет на образование бескислородной зоны, что приводит к невозможности достижения денитрификации и удаления фосфора.
② Поддержание надлежащего соотношения азота-к-фосфору имеет решающее значение для грануляции ила и эффективности удаления фосфора. При увеличении соотношения азота-к-фосфора с 2,36 до 4,0 степень удаления фосфора снижается с 85,0% до 54,1%. ③ Эксперименты Лина Ю-М и др. показали тесную взаимосвязь между размером частиц и массовым соотношением фосфора-к-углероду. Высокое соотношение масс фосфора-к-углероду может привести к образованию более мелких частиц с более компактной структурой, что снижает SVI и способствует накоплению бактерий,-накапливающих полифосфат.
3.3 Периодический процесс секвенирования биопленки с внутренней циркуляцией по эрлифту
Периодический процесс биопленки с внутренней циркуляцией эрлифта (SBBR) в основном предназначен для комплексного удаления фосфора и азота. Исследования Чжана З.Ю. и соавт. показали, что эрлифт с внутренней циркуляцией SBBR обеспечивает стабильную скорость удаления азота и фосфора. Степень удаления ХПК, N и P при оптимальной плотности упаковки и органической нагрузке составила 95,3%±3,3%, 94,6%±4,1% и 73,1%±8,3% соответственно. Реактор разделен перегородкой на две зоны:-аэробную зону и зону флегмы. Нитрифицирующие бактерии и аэробные полифосфатаккумулирующие бактерии в основном встречаются в аэробной зоне, а ДПБ - в зоне рефлюкса. В анаэробный период ДПБ в зоне рефлюкса и полифосфатаккумулирующие бактерии в аэробной зоне поглощают органический субстрат; в течение аэробного/бескислородного периода нитрифицирующие бактерии в аэробной зоне производят NO3- и NO2-, чтобы обеспечить акцепторы электронов для поглощения фосфора DPB, удаляя таким образом азот и фосфор. Удаление осадка является решающим фактором, влияющим на удаление фосфора, которого можно достичь, регулируя плотность упаковки волокна. Обычные SBBR имеют низкую эффективность удаления азота и фосфора, главным образом из-за конкуренции за кислород и питательные вещества между нитрифицирующими и гетеротрофными бактериями внутри биопленки. По сравнению с обычными SBBR, эрлифт SBBR с внутренней циркуляцией позволяет избежать этой конкуренции; по сравнению с традиционными процессами с активным илом этот реактор экономит энергию и инвестиции.
4. Перспективы
Предварительные результаты были достигнуты в исследовании технологии денитрификационного удаления фосфора как внутри страны, так и за рубежом, и технология продвинулась от фундаментальных исследований до инженерного применения. В настоящее время наше понимание структуры и функций микробного сообщества в системах денитрификации удаления фосфора все еще ограничено. Структура микробного сообщества существенно различается в разных системах, причем микробное сообщество внутри одной системы также очень сложно. Методы молекулярной биологии можно использовать для отслеживания динамики микробного сообщества и идентификации функциональных групп, выявляя взаимосвязь между структурой и функцией микробного сообщества, тем самым позволяя лучше контролировать технологию биологической очистки. Методы молекулярной биологии, используемые для биологического удаления фосфора, включают полимеразную цепную реакцию (ПЦР), полиморфизм длины рестрикционных фрагментов (ПДРФ) и методы олигонуклеотидных зондов. В исследованиях обычно считается, что бактерии, накапливающие полифосфат- (PAB), относятся к группам Rhodocyclus и Dechromimonas -Proteobacteria. Сатоши Т. и др. использовали RFLP для изучения характеристик полифосфат-накапливающих бактерий (DPB), указав, что DPB — это Thaura mechrnichensis и Azoarcus tolulyticus из группы Rhodocyclus. Нам необходимо тесно интегрировать микробиологию и разработку систем денитрификации удаления фосфора. Посредством обнаружения микробов и экологических исследований мы можем проанализировать и определить количество и структуру сообщества ДФБ в системе, понять, как рабочие параметры влияют на характеристики, распределение плотности населения и пространственное распределение ПББ, нитрифицирующих бактерий и ДПБ, тем самым добиваясь искусственного улучшения систем денитрификации удаления фосфора, оптимизации процессов очистки и усиления разработки и применения новых технологий.
