1. Fosfori denitrifikatsiooni eemaldamise mehhanism
Kõrge-happega bakterid lagundavad anaeroobsetes tingimustes suured orgaanilised molekulid madala-molekulaarseteks-rasvhapeteks. DPB (destilleeritud vismutibiota) lagundab polüfosfaate oma rakkudes anaeroobsetes tingimustes, et tekitada ATP-d, absorbeerides rasvhappeid aktiivse transpordi kaudu ja sünteesides polü(-hüdroksübutüraadi) (PHB), vabastades samal ajal PO43-. Pärast suurte PHB koguste akumuleerumist läheb DPB anaeroobsesse olekusse, kasutades PHB oksüdatsiooni elektronaktseptorina NO3-. See kasutab PHB lagunemist energia genereerimiseks ja redutseeriva jõu tagamiseks (nikotiinamiidadeniindinukleotiid (NADH) ning NADH+H+ elektronide transpordiahela kandjana prootonite eemaldamiseks, moodustades seega prootonipõhise jõu. See prootonitest juhitav jõud transpordib PO43- kehast väljastpoolt kehasse, kus see sünteesib ATP-d, kus see sünteesib ATP-d. PO43- polüfosfaatideks DPB poolt anaeroobsetes tingimustes elektronide transpordiahela kaudu toodetud ATP-d ületab anaeroobsetes tingimustes organismis tekkivate polüfosfaatide lagunemise tõttu tekkiv ATP.
2. Peamised denitrifikatsiooni ja fosfori eemaldamist mõjutavad tegurid
2.1 Süsiniku---lämmastiku suhe
Traditsioonilise fosfori eemaldamise teooria kohaselt põhjustab süsinikuallikate olemasolu anoksilises tsoonis või nitraatide olemasolu anaeroobses tsoonis konkurentsi denitrifitseerivate bakterite ja DPB vahel elektronaktseptornitraadi lämmastiku või süsinikuallikate pärast, vähendades seega DPB selektiivset eelist ja mõjutades fosfori eemaldamise efektiivsust. See eeldab sobivat süsiniku{1}}--lämmastiku suhet sissevoolus. Ahn J. et al. näitab, et anaeroobsetes/aeroobsetes (A/O) tingimustes soodustab süsinikuallikate pikaajaline -aklimatiseerumine ja vähesel määral anaeroobsesse tsooni sisenevate nitraatide hulk DPB rikastumist ja DPB suudab säilitada oma anoksilise fosfori omastamise võimet A/O tingimustes. Mikrobioloogilisest vaatenurgast on kaks selgitust: üks on see, et DPB kasutab trikarboksüülhappe tsükli (TCA) kaudu otse anaeroobses tsoonis süsinikuallikaid; teine on see, et DPB oksüdeerib süsinikuallikaid anaeroobsel perioodil läbi TCA tsükli, et saada redutseerivat jõudu ja energiat polühüdroksüalkaanhapete akumuleerimiseks, ning jääb ellu aeroobsel perioodil. Sellega seoses ei ole DPB füsioloogiliste omaduste kohta muid aruandeid avaldatud.
2.2 Nitraadi doseerimismeetodid
Anoksilises tsoonis nitraadi lisamiseks on kaks meetodit: hetkeline lisamine ja pidev lisamine. Pidev lisamine on veidi tõhusam ja väldib ka nitritite kogunemist. Seoses pideva lisamisaja mõjuga fosfori omastamise kiirusele, Zou Hua et al. näitas, et fosfori omastamise kiirus oli suurem, kui pidev lisamise aeg oli 2 tundi, kui siis, kui see oli 3,5 tundi. Siiski ei ole praegu teateid lisamiskiiruse ja fosfori omastamise kiiruse vahelise konkreetse seose kohta. Rohkem tehnilisi dokumente leiate Hiina reoveepuhastustehnika võrgustikust.
2,3 SRT
DPB kasvab A/A tingimustes aeglasemalt kui A/O tingimustes. Liiga lühike SRT põhjustab DPB eliminatsiooni reaktoris, samas kui liiga pikk SRT põhjustab muda vananemise ja fosforisisalduse vähenemise. Merzouki M. teatas, et SBR denitrifikatsiooni fosfori eemaldamise süsteemi fosfori eemaldamise efektiivsus oli 1, 8 korda kõrgem, kui SRT oli 15 päeva, kui siis, kui see oli 7, 5 päeva. Fosfori ja lämmastiku eemaldamiseks kasutatavate granuleeritud mudaprotsesside puhul on muda struktuur selle rikkalikuma ja integreerituma bioloogilise koosluse tõttu keeruline. Jääb ebaselgeks, kuidas tasakaalustada DPB-d, polüfosfaate{8}}akumuleeruvaid baktereid ja nitrifitseerivaid baktereid muda vanusega.
2.4 Nitrit
Praegu on kaks arvamust selle kohta, kas nitrit pärsib fosfori omastamist, ja need arvamused põhinevad erinevatel uurimisobjektidel. Kasutades uurimisobjektina setteid, mis ei ole läbinud denitrifikatsiooni ja fosfori eemaldamise aklimatiseerumist, näitavad tulemused järjekindlalt, et kriitilist piiri ületavad nitritite kontsentratsioonid pärsivad fosfori omastamist. Wang Ya-yi jt katsed. näitas, et fosfori omastamine on pärsitud, kui nitriti kontsentratsioon ületab 15 mg/l, samas kui Meinhold J. et al. näitas, et kriitiline nitriti kontsentratsioon on 5–8 mg/l. Denitrifikatsiooni ja fosfori eemaldamise aklimatiseerumise läbinud muda kasutamine uurimisobjektina annab aga erinevaid tulemusi. Hu JY katsed näitasid, et lisaks laialdaselt tunnustatud polüfosfaati{13}akumuleerivatele bakteritele (PAB) ja DPB-dele on olemas ka kolmas PPB-de rühm. Need PPB-d võivad fosfori omastamiseks kasutada nitritit elektronide aktseptorina. Lisaks näitasid katsed, et kui algne nitriti kontsentratsioon oli alla 115 mg/l, ei olnud fosfori omastamist oluliselt pärsitud. Nitritite kontsentratsioon olmereoveepuhastites on ilmselt sellest kriitilisest kontsentratsioonist palju madalam, seega ei mõjuta see bioloogilist fosfori eemaldamist negatiivselt. Denitrifikatsiooni fosfori eemaldamist mõjutavad paljud teised tegurid, näiteks temperatuur (DPB on eriti tundlik temperatuuri, eriti madalate temperatuuride suhtes) ja katioonid (Mg2+ ja K+). Praegu on neid aspekte vähe uuritud ning erinevate tegurite koosmõju raskendab uurimistööd.
3. Uued lähenemisviisid denitrifikatsiooni fosfori eemaldamise saavutamiseks
Traditsioonilised tüüpilised fosfori eemaldamise denitrifikatsiooniprotsessid hõlmavad järgmist: ① Anaeroobne/anoksiline ja nitrifitseerimisprotsess (A2N). See protsess on kahekordne-muda denitrifikatsioonifosfori eemaldamise protsess, kus nitrifitseerivaid baktereid ja DPB-d kultiveeritakse erinevates mudasüsteemides eraldi, eraldades täielikult nitrifitseerivad bakterid DPB-st. A2N-protsess sobib kõige paremini madala süsiniku- ja lämmastiku suhtega olukordades. ② Dephanoxi protsess. Kui sissevoolava süsiniku ja lämmastiku sisaldus on kõrge, tuleb A2N protsessis anoksilise paagi järel lisada õhutuspaak, moodustades nii DEPHANOX protsessi.
③BCFS-protsess. See protsess on modifitseeritud UCT protsess. UCT protsessi kavandamise põhimõte põhineb polüfosfaati-akumuleeruvate bakterite poolt nõutavate keskkonnatingimuste tehnilistel täiustamisel, samas kui BCFS-i väljatöötamise eesmärk on luua DPB rikastamistingimused protsessi vaatenurgast. Hiljuti on toimunud läbimurre denitrifikatsiooni fosfori eemaldamise tehnoloogia rakendamise alastes uuringutes. Reoveepuhastust vajavad üksused saavad nõustada ka sarnase reoveepuhastuse kogemusega ettevõtteid projekti Wastewater Treasure teenindusplatvormil.
3.1 AOA-SBR-meetod
Anaeroobne/anoksiline/aeroobne (A2O) protsess on tavaline lämmastiku ja fosfori eemaldamise vorm. See toimib peamiselt polüfosfaate{2}}akumuleerivate bakterite, nitrifitseerivate bakterite ja denitrifitseerivate bakterite metabolismi kaudu. Seetõttu on nitraate ja nitriteid sisaldavate vedelike ringlus selles protsessis hädavajalik. Tsuneda S. et al. pakkus välja anaeroobse/aeroobse/anoksilise (AOA) protsessi SBR-is (Self{7}}Biochemical Reactor), mis kasutab täielikult ära DPB (difosfaatpolüfosfaat) omadusi, et eemaldada samaaegselt lämmastikku ja fosforit anoksilistes tingimustes ja ilma süsinikuallikata. See võimaldab denitrifikatsiooni toimuda anoksilises sektsioonis ilma süsinikuallikata, välistades vajaduse tsirkulatsiooniks aeroobsete ja anoksiliste paakide vahel, saavutades nii üheaegse lämmastiku ja fosfori eemaldamise ühes SBR-is. Katsed on samuti näidanud, et see protsess võib saavutada suurepärase lämmastiku ja fosfori eemaldamise efekti, kui töödeldakse sünteetilist reovett süsiniku - ja-lämmastiku suhtega alla 10, kusjuures keskmine lämmastiku ja fosfori eemaldamise määr on vastavalt 83% ja 92%. See protsess mitte ainult ei rikasta DPB-d, vaid paneb DPB-le mängima ka olulist rolli fosfori ja lämmastiku eemaldamisel. Katsetulemused näitavad, et DPB moodustab 44% kõigist polüfosfaate{18}}akumuleerivatest bakteritest AOA-SBR protsessis, mis on oluliselt suurem kui tavaliste A/O-SBR (13%) ja A2O (21%) puhul.
AOA-SBR protsessil on kaks peamist omadust: ① Aeroobse faasi alguses lisatakse sobiv kogus süsinikuallikat, et pärssida aeroobse fosfori omastamist. Selles katses oli aeroobse faasi ajal lisatud süsinikuallika optimaalne kogus 40 mg/l.
② Selles protsessis võib nitrit toimida fosfori omastamise elektronaktseptorina.
3.2 Granuleeritud mudaprotsess
Granuleeritud muda lämmastiku ja fosfori eemaldamiseks on praegu veel uurimisjärgus. Võrreldes tavapäraste mudaprotsessidega on aeroobsel granuleeritud mudal parem settimisvõime, suurem biomassi kontsentratsioon ja madalam muda niiskusesisaldus. Granuleeritud muda kasutamisel on võimalik ületada tavapärase mudaga seotud probleemid (nagu muda mahutamine, puhastusstruktuuride suur jalajälg ja sekundaarne fosfori vabanemine selgititest). Dulekgurgen E. jt katsed. näitas, et granuleeritud mudal on stabiilne biomass, mille KHT, fosfori ja lämmastiku eemaldamise määr on vastavalt 95%, 99,6% ja 71%. Kodumaised uurimistulemused on nende leidudega kooskõlas ning aeroobsel granuleeritud mudal on denitrifikatsiooni- ja fosforieemaldusvõime. Granuleeritud muda ainulaadse struktuuri ja hapniku difusioonigradiendi olemasolu tõttu loob see keskkonna polüfosfaati akumuleerivate bakterite, nitrifitseerivate bakterite ja DPB kooseksisteerimiseks. Granuleeritud mudasse koguneb suures koguses DPB-d ja nitrifitseerivaid baktereid; katsed Yang Guojing jt. näitas, et DPB moodustas 73,1% kõigist granuleeritud mudas polüfosfaati{14}}akumuleerivatest bakteritest. Granuleeritud muda kultiveerimine on raskem kui tavalise muda kultiveerimine ning mõjutegurid on suhteliselt keerulised.
Lisaks tavalisele muda denitrifikatsioonile ja fosfori eemaldamisele ühistele mõjuteguritele on granuleeritud mudal oma ainulaadsed mõjutegurid: ① DO kontsentratsiooni ja osakeste suuruse koostoimel on oluline mõju denitrifikatsiooni ja fosfori eemaldamise efektiivsusele. Kui osakeste suurus on liiga väike, on hapniku läbitungimine suhteliselt tugev, mõjutades anoksilise tsooni moodustumist, mis põhjustab denitrifikatsiooni ja fosfori eemaldamise võimatust.
② Sobiva lämmastiku-ja-fosfori suhte säilitamine on muda granuleerimise ja fosfori eemaldamise võime jaoks ülioluline. Kui lämmastiku-ja-fosfori suhe suureneb 2,36-lt 4,0-le, väheneb fosfori eemaldamise määr 85,0%-lt 54,1%-le. ③ Lin Y{10}}M et al. katsed. näitas tihedat seost osakeste suuruse ja fosfori{12}}süsiniku massi suhte vahel. Kõrge fosfori---süsiniku massisuhe võib kaasa tuua väiksemad ja kompaktsema struktuuriga osakesed, vähendades nii SVI-d ja soodustades polüfosfaate{17}}akumuleeruvate bakterite kuhjumist.
3.3 Sisemise tsirkulatsiooni õhutranspordi sekveneerimise partii biokile protsess
Sisemise tsirkulatsiooni õhutranspordi sekveneerimise partii biokile protsess (SBBR) on mõeldud peamiselt integreeritud fosfori ja lämmastiku eemaldamiseks. Zhang ZY jt uuringud. näitas, et sisemise tsirkulatsiooni õhulift SBBR saavutas stabiilse lämmastiku ja fosfori eemaldamise määra. KHT, N ja P eemaldamise määrad optimaalse pakkimistiheduse ja orgaanilise koormuse korral olid vastavalt 95,3%±3,3%, 94,6%±4,1% ja 73,1%±8,3%. Reaktor on jagatud kaheks tsooniks vaheseinaga,{12}}aeroobne tsoon ja tagasivoolutsoon. Nitrifitseerivaid baktereid ja aeroobseid polüfosfaate{14}}akumuleerivaid baktereid leidub peamiselt aeroobses tsoonis, DPB-d aga tagasivoolutsoonis. Anaeroobsel perioodil absorbeerivad orgaanilist substraati tagasijooksutsoonis olev DPB ja aeroobses tsoonis polüfosfaati{16}}akumuleeruvad bakterid; aeroobsel/anoksilisel perioodil toodavad aeroobses tsoonis nitrifitseerivad bakterid NO3- ja NO2-, et varustada elektronide aktseptoreid DPB fosfori omastamiseks, eemaldades seega lämmastiku ja fosfori. Muda eemaldamine on otsustava tähtsusega fosfori eemaldamist mõjutav tegur, mida saab saavutada kiupakendite tiheduse reguleerimisega. Tavalistel SBBR-idel on nõrk lämmastiku ja fosfori eemaldamise tõhusus, mis on peamiselt tingitud hapniku ja toitainete konkurentsist biokile nitrifitseerivate bakterite ja heterotroofsete bakterite vahel. Võrreldes tavaliste SBBR-idega väldib sisemise tsirkulatsiooniga õhutransport SBBR seda konkurentsi; võrreldes tavapäraste aktiivmudaprotsessidega säästab see reaktor energiat ja investeeringuid.
4. Outlook
Denitrifikatsioonifosforieemaldustehnoloogia uuringutes on saavutatud esialgseid tulemusi nii riigisiseselt kui ka rahvusvaheliselt ning tehnoloogia on arenenud alusuuringutest insenerirakenduseni. Praegu on meie arusaam mikroobide kogukonna struktuurist ja funktsioonist denitrifikatsiooni fosfori eemaldamise süsteemides endiselt piiratud. Mikroobikoosluse struktuur erineb erinevate süsteemide vahel oluliselt ning samas süsteemis asuv mikroobikooslus on samuti väga keeruline. Molekulaarbioloogia tehnikaid saab kasutada mikroobikoosluse dünaamika jälgimiseks ja funktsionaalsete rühmade tuvastamiseks, paljastades seose mikroobikoosluse struktuuri ja funktsiooni vahel, võimaldades seeläbi paremini kontrollida bioloogilise ravi tehnikat. Bioloogilises fosfori eemaldamises kasutatavad molekulaarbioloogia meetodid hõlmavad polümeraasi ahelreaktsiooni (PCR), restriktsioonifragmendi pikkuse polümorfismi (RFLP) ja oligonukleotiidsondi tehnikaid. Uuringutes peetakse üldiselt polüfosfaate{5}}akumuleerivaid baktereid (PAB) -proteobakterite Rhodocyclus ja Dechlorimonas rühmadest. Satoshi T. et al. kasutas RFLP-d polüfosfaate{10}akumuleeruvate bakterite (DPB) omaduste uurimiseks, mis näitab, et DPB-d on Thaurera mechrnichensis ja Azoarcus tolulyticus rühmast Rhodocyclus. Peame tihedalt integreerima denitrifikatsiooni fosfori eemaldamise süsteemide mikrobioloogia ja projekteerimise. Mikroobide tuvastamise ja ökoloogiliste uuringute abil saame analüüsida ja määrata süsteemis olevate DPBde kogust ja koosluse struktuuri, mõista, kuidas tööparameetrid mõjutavad PPB-de, nitrifitseerivate bakterite ja DPB-de omadusi, asustustiheduse jaotumist ja ruumilist jaotumist, saavutades seeläbi fosfori denitrifikatsiooni protsesside kunstliku täiustamise ja arendustehnoloogiate tugevdamise ning uute töötlemistehnoloogiate tugevdamise.