1. Mehanizam za uklanjanje fosfora denitrifikacijom
Bakterije visoke{0}}kiseline razlažu velike organske molekule u nisko{1}}molekularne-masne kiseline u anaerobnim uslovima. DPB (Destilovana biota bizmuta) razgrađuje polifosfate unutar svojih ćelija u anaerobnim uslovima kako bi se stvorio ATP, apsorbirajući masne kiseline putem aktivnog transporta i sintetizirajući poli( -hidroksibutirat) (PHB), dok istovremeno oslobađa PO43-. Nakon akumulacije velikih količina PHB, DPB ulazi u anaerobno stanje, koristeći NO3- kao akceptor elektrona za oksidaciju PHB. Koristi razgradnju PHB za generiranje energije i obezbjeđivanje reducirajuće snage (nikotinamid adenin dinukleotid (NADH), i koristi NADH+H+ kao nosioca lanca transporta elektrona za uklanjanje protona, formirajući tako protonsku silu. Ova sila vođena protonima prenosi ATP PO43- izvan tijela, gdje sintetizira ATP u tijelo polimerizacija viška PO43- u polifosfate. ATP proizveden od strane DPB-a u anaerobnim uslovima je veći od ATP-a proizvedenog u anaerobnim uslovima kroz razlaganje polifosfata u telu unos fosfora iz otpadnih voda.
2. Glavni faktori koji utiču na denitrifikaciju i uklanjanje fosfora
2.1 Odnos ugljika{1}}prema-azotu
Prema tradicionalnoj teoriji uklanjanja fosfora, prisustvo izvora ugljika u anoksičnoj zoni ili nitrata u anaerobnoj zoni dovodi do konkurencije između denitrifikujućih bakterija i DPB-a za elektron-akceptor nitratnog dušika ili za izvore ugljika, čime se smanjuje selektivna prednost DPB-a i utječe na efikasnost uklanjanja fosfora. Ovo zahtijeva odgovarajući omjer ugljika-prema-azotu u influentu. Međutim, istraživanje Ahn J. et al. pokazuje da u anaerobnim/aerobnim (A/O) uslovima, dugotrajna-aklimatizacija izvora ugljika i mala količina nitrata koji ulaze u anaerobnu zonu pospješuju obogaćivanje DPB-a, a DPB može održati svoj anoksični kapacitet unosa fosfora pod A/O uvjetima. Iz mikrobiološke perspektive, postoje dva objašnjenja: jedno je da DPB direktno koristi izvore ugljika u anaerobnoj zoni kroz ciklus trikarboksilne kiseline (TCA); drugi je da DPB oksidira izvore ugljika tokom anaerobnog perioda kroz TCA ciklus da bi dobio redukcijsku snagu i energiju za akumulaciju polihidroksialkanskih kiselina i preživljava tokom aerobnog perioda. Nisu objavljeni nikakvi drugi izvještaji o fiziološkim karakteristikama DPB u ovom pogledu.
2.2 Metode doziranja nitrata
Postoje dvije metode za dodavanje nitrata u anoksičnu zonu: trenutno dodavanje i kontinuirano dodavanje. Kontinuirano dodavanje je nešto efikasnije i također izbjegava nakupljanje nitrita. Što se tiče efekta kontinuiranog vremena dodavanja na brzinu unosa fosfora, Zou Hua et al. pokazalo je da je stopa uzimanja fosfora veća kada je vrijeme neprekidnog dodavanja bilo 2 sata nego kada je bilo 3,5 sata. Međutim, trenutno nema izvještaja o specifičnom odnosu između stope dodavanja i stope uzimanja fosfora. Više tehničkih dokumenata može se naći na Kineskoj mreži inženjeringa za tretman otpadnih voda.
2.3 SRT
DPB raste sporije pod A/A uslovima nego u A/O uslovima. Prekratka SRT će uzrokovati eliminaciju DPB u reaktoru, dok će preduga SRT uzrokovati starenje mulja i smanjenje sadržaja fosfora. Merzouki M. je izvestio da je efikasnost uklanjanja fosfora SBR denitrifikacionog sistema za uklanjanje fosfora bila 1,8 puta veća kada je SRT bio 15 dana nego kada je bio 7,5 dana. Za procese granularnog mulja koji se koriste za uklanjanje fosfora i dušika, struktura mulja je složena zbog bogatije i integriranije biološke zajednice. Kako izbalansirati DPB, bakterije koje-akumuliraju polifosfat i nitrifikacijske bakterije kroz starost mulja ostaje neizvjesno.
2.4 Nitriti
Trenutno postoje dva mišljenja o tome da li nitrit inhibira apsorpciju fosfora, a ta su mišljenja zasnovana na različitim subjektima istraživanja. Koristeći mulj koji nije prošao denitrifikaciju i aklimatizaciju uklanjanja fosfora kao predmet istraživanja, rezultati dosledno pokazuju da koncentracije nitrita koje prelaze kritični nivo inhibiraju unos fosfora. Eksperimenti Wang Ya{2}yija i dr. su pokazali da se unos fosfora inhibira kada koncentracija nitrita prelazi 15 mg/L, dok eksperimenti Meinhold J. et al. ukazuje da je kritična koncentracija nitrita 5-8 mg/L. Međutim, korištenje mulja koji je prošao denitrifikaciju i aklimatizaciju uklanjanja fosfora kao predmet istraživanja daje različite rezultate. Eksperimenti Hu JY-a su pokazali da pored široko priznatih bakterija koje akumuliraju polifosfat{13}}(PAB) i DPB-a, postoji i treća grupa PPB-a. Ovi PPB mogu koristiti nitrit kao akceptor elektrona za unos fosfora. Nadalje, eksperimenti su pokazali da kada je početna koncentracija nitrita bila manja od 115 mg/L, nije došlo do značajne inhibicije unosa fosfora. Koncentracija nitrita u postrojenjima za prečišćavanje kućnih otpadnih voda očito je daleko ispod ove kritične koncentracije, tako da neće negativno utjecati na biološko uklanjanje fosfora. Mnogi drugi faktori utiču na uklanjanje denitrifikacionog fosfora, kao što su temperatura (DPB je posebno osjetljiv na temperaturu, posebno niske temperature) i katjoni (Mg2+ i K+). Trenutno je malo istraživanja o ovim aspektima, a interakcije između različitih faktora povećavaju težinu istraživanja.
3. Novi pristupi postizanju uklanjanja denitrifikacionog fosfora
Tradicionalni tipični procesi uklanjanja fosfora denitrifikacijom uključuju: ① Anaerobni/anoksični i proces nitrifikacije (A2N). Ovaj proces je dvostruki-proces uklanjanja fosfora za denitrifikaciju mulja gdje se nitrificirajuće bakterije i DPB uzgajaju odvojeno u različitim sistemima mulja, potpuno odvajajući nitrifikacijske bakterije od DPB. A2N proces je najprikladniji za situacije s niskim omjerom ugljika i dušika. ② Dephanox proces. Kada je udio ugljika i dušika visok, potrebno je dodati aeracioni rezervoar nakon anoksičnog rezervoara u A2N procesu, formirajući tako DEPHANOX proces.
③BCFS proces. Ovaj proces je modificirani UCT proces. Princip dizajna UCT procesa zasniva se na inženjerskom poboljšanju uslova okoline koje zahtevaju bakterije koje akumuliraju polifosfat-, dok razvoj BCFS treba da stvori uslove za obogaćivanje DPB iz perspektive procesa. Nedavno je došlo do iskora u istraživanju primjene tehnologije uklanjanja fosfora denitrifikacijom. Jedinice kojima je potreban tretman otpadnih voda također mogu konsultovati kompanije sa sličnim iskustvom u tretmanu otpadnih voda na platformi usluge projekta Treasure otpadnih voda.
3.1 AOA-SBR metoda
Anaerobni/anoksični/aerobni (A2O) proces je uobičajen oblik uklanjanja dušika i fosfora. Uglavnom djeluje putem metabolizma bakterija koje akumuliraju polifosfat-, nitrifikujućih bakterija i denitrifikujućih bakterija. Stoga je cirkulacija tekućina koje sadrže nitrate i nitrite neophodna u ovom procesu. Tsuneda S. et al. predložio je anaerobni/aerobni/anoksični (AOA) proces u SBR (Self-Biochemical Reactor), koji u potpunosti koristi karakteristike DPB (difosfatnog polifosfata) za istovremeno uklanjanje dušika i fosfora u anoksičnim uvjetima i bez izvora ugljika. Ovo omogućava da se denitrifikacija dogodi u anoksičnom dijelu bez izvora ugljika, eliminirajući potrebu za cirkulacijom između aerobnih i anoksičnih spremnika, čime se postiže istovremeno uklanjanje dušika i fosfora u jednom SBR-u. Eksperimenti su također pokazali da ovaj proces može postići odlične efekte uklanjanja dušika i fosfora kada se tretira sintetička otpadna voda s omjerom ugljika-prema-azota ispod 10, sa prosječnim stopama uklanjanja dušika i fosfora od 83% odnosno 92%. Ovaj proces ne samo da obogaćuje DPB već i čini da DPB igra glavnu ulogu u uklanjanju fosfora i dušika. Eksperimentalni rezultati pokazuju da DPB čini 44% ukupnih bakterija koje akumuliraju polifosfat-u AOA-SBR procesu, što je znatno više od konvencionalnih A/O-SBR (13%) i A2O procesa (21%).
AOA-SBR proces ima dvije ključne karakteristike: ① Odgovarajuća količina izvora ugljika dodaje se na početku aerobne faze kako bi se inhibirao aerobni unos fosfora. U ovom eksperimentu, optimalna količina izvora ugljika dodanog tokom aerobne faze bila je 40 mg/L.
② U ovom procesu, nitrit može djelovati kao akceptor elektrona za unos fosfora.
3.2 Proces granularnog mulja
Zrnasti mulj za uklanjanje dušika i fosfora je još uvijek u fazi istraživanja. U poređenju sa konvencionalnim procesima mulja, aerobni granulirani mulj ima bolje performanse taloženja, veću koncentraciju biomase i niži sadržaj vlage u mulju. Primjenom granuliranog mulja mogu se prevazići problemi koji postoje u konvencionalnom mulju (kao što je nakupljanje mulja, veliki otisak struktura za tretman i sekundarno oslobađanje fosfora iz taložnika). Eksperimenti Dulekgurgen E. et al. pokazala je da granulirani mulj ima stabilnu biomasu, sa stopama uklanjanja COD-a, fosfora i dušika od 95%, 99,6% i 71%. Rezultati domaćih istraživanja su u skladu sa ovim nalazima, a aerobni granulirani mulj ima sposobnost denitrifikacije i uklanjanja fosfora. Zbog jedinstvene strukture granuliranog mulja i prisustva gradijenta difuzije kiseonika, on pruža okruženje za koegzistenciju bakterija koje akumuliraju polifosfat{10}}, bakterija nitrifikatora i DPB. Velike količine DPB-a i nitrificirajućih bakterija se akumuliraju u granuliranom mulju; eksperimenti Yang Guojinga et al. pokazalo je da DPB čini 73,1% svih bakterija koje-akumuliraju polifosfat u granuliranom mulju. Uzgajanje granuliranog mulja je teže od uzgoja običnog mulja, a faktori koji utiču na njih su relativno složeni.
Uz faktore utjecaja koji su uobičajeni za običnu denitrifikaciju mulja i uklanjanje fosfora, granulirani mulj ima svoje jedinstvene faktore utjecaja: ① Interakcija između koncentracije DO i veličine čestica ima značajan utjecaj na denitrifikaciju i efikasnost uklanjanja fosfora. Ako je veličina čestica premala, penetracija kiseonika je relativno jaka, što utiče na formiranje anoksične zone, što dovodi do nemogućnosti postizanja denitrifikacije i uklanjanja fosfora.
② Održavanje odgovarajućeg omjera azota-prema-fosfora je ključno za granulaciju mulja i kapacitet uklanjanja fosfora. Kada se omjer azota-prema-fosforu poveća sa 2,36 na 4,0, stopa uklanjanja fosfora se smanjuje sa 85,0% na 54,1%. ③ Eksperimenti Lin Y-M et al. pokazao blisku vezu između veličine čestica i masenog omjera fosfor-na-ugljik. Visok omjer mase fosfora-prema-ugljiku može rezultirati manjim česticama sa kompaktnijom strukturom, čime se smanjuje SVI i promoviše akumulacija polifosfata{17}}akumulirajućih bakterija.
3.3 Interna cirkulacija Airlift Sequencing Batch Biofilm Proces
Serijski proces biofilma za sekvencioniranje vazdušnog dizanja unutrašnje cirkulacije (SBBR) je uglavnom dizajniran za integrisano uklanjanje fosfora i azota. Studije Zhang ZY et al. pokazalo je da vazdušni lift sa unutrašnjom cirkulacijom SBBR postiže stabilne brzine uklanjanja azota i fosfora. Stope uklanjanja COD, N i P pod optimalnom gustinom pakovanja i organskim opterećenjem bile su 95,3%±3,3%, 94,6%±4,1%, odnosno 73,1%±8,3%. Reaktor je podijeljen u dvije zone pregradom-aerobna zona i refluks zona. Nitrifikujuće bakterije i bakterije koje akumuliraju aerobni polifosfat-uglavnom se nalaze u aerobnoj zoni, dok se DPB nalazi u zoni refluksa. Tokom anaerobnog perioda, DPB u zoni refluksa i bakterije koje akumuliraju polifosfat-u aerobnoj zoni apsorbiraju organski supstrat; tokom aerobnog/anoksičnog perioda, nitrificirajuće bakterije u aerobnoj zoni proizvode NO3- i NO2- kako bi osigurale akceptore elektrona za unos DPB fosfora, uklanjajući tako dušik i fosfor. Uklanjanje mulja je ključni faktor koji utiče na uklanjanje fosfora, što se može postići podešavanjem gustine pakovanja vlakana. Konvencionalni SBBR imaju slabu efikasnost uklanjanja dušika i fosfora, uglavnom zbog konkurencije za kisik i hranjive tvari između nitrificirajućih bakterija i heterotrofnih bakterija unutar biofilma. U poređenju sa konvencionalnim SBBR, vazdušni lift sa unutrašnjom cirkulacijom SBBR izbegava ovu konkurenciju; u poređenju sa konvencionalnim procesima aktivnog mulja, ovaj reaktor štedi energiju i investicije.
4. Outlook
Preliminarni rezultati su postignuti u istraživanju tehnologije uklanjanja fosfora denitrifikacijom u zemlji i inostranstvu, a tehnologija je napredovala od osnovnih istraživanja do inženjerske primjene. Trenutno je naše razumijevanje strukture i funkcije mikrobne zajednice u sistemima za uklanjanje fosfora u denitrifikaciji još uvijek ograničeno. Struktura mikrobne zajednice značajno varira između različitih sistema, a mikrobna zajednica unutar istog sistema je takođe veoma složena. Tehnike molekularne biologije mogu se koristiti za praćenje dinamike mikrobne zajednice i identifikaciju funkcionalnih grupa, otkrivajući odnos između strukture i funkcije mikrobne zajednice, čime se omogućava bolja kontrola inženjeringa biološkog tretmana. Tehnike molekularne biologije koje se koriste u biološkom uklanjanju fosfora uključuju lančanu reakciju polimeraze (PCR), polimorfizam dužine restrikcijskih fragmenata (RFLP) i tehnike oligonukleotidne sonde. Studije općenito smatraju da su bakterije koje akumuliraju polifosfate- (PAB) iz Rhodocyclus i Dechlorimonas grupa -proteobakterija. Satoshi T. et al. koristio RFLP za proučavanje karakteristika bakterija koje akumuliraju polifosfat{10}} (DPB), što ukazuje da su DPB Thaurera mechrnichensis i Azoarcus tolulyticus iz grupe Rhodocyclus. Moramo blisko integrirati mikrobiologiju i inženjering sistema za uklanjanje fosfora u denitrifikaciji. Kroz detekciju mikroba i ekološke studije možemo analizirati i odrediti količinu i strukturu zajednice DPB-a u sistemu, razumjeti kako radni parametri utječu na karakteristike, distribuciju gustine populacije i prostornu distribuciju PPB-a, nitrifikujućih bakterija i DPB-a, čime se postiže umjetno poboljšanje procesa uklanjanja denihorusa i razvoj novih sistema za uklanjanje denitrifikacije i jačanje novih sistema za uklanjanje phosp. tehnologije.