Bioloogilise lämmastiku ja fosfori eemaldamise põhimõte reoveest

Liigne lämmastiku- ja fosforisisaldus veekogudes on veekeskkonna probleemide, nagu eutrofeerumine, vetikate õitsemine ja punased looded, peamine põhjus, mis toob kaasa mitmeid probleeme, sealhulgas vee kvaliteedi halvenemist, vee ökosüsteemi tasakaalustamatust ja ohte joogiveeohutusele. Võrreldes keemiliste ja füüsikaliste puhastusprotsessidega on bioloogilisest lämmastiku ja fosfori eemaldamise tehnoloogiast saanud praeguste reoveepuhastite täiustatud reoveepuhastuse põhiprotsess tänu oma eelistele, nagu stabiilne puhastusefekt, madalad tegevuskulud, sekundaarse reostuse puudumine ning kohanemisvõime olme- ja tööstusliku reoveepuhastusstsenaariumitega. Bioloogilise lämmastiku ja fosfori eemaldamise põhiprintsiibiks reovees on erinevate funktsionaalsete mikroorganismide metaboolsete aktiivsuste kasutamine kontrollitud vahelduvas anaeroobses, anoksilises ja aeroobses keskkonnas, et muuta saasteained, nagu orgaaniline lämmastik, ammoniaaklämmastik ja heitvees sisalduv üldfosfor, järk-järgult gaasilisteks aineteks, mis väljuvad või väljuvad kehast. vee puhastamise saavutamine.

Reovees sisalduv lämmastik esineb komplekssel kujul, sealhulgas orgaaniline lämmastik, ammoniaaklämmastik, nitritlämmastik ja nitraatlämmastik. Bioloogiline lämmastiku eemaldamine ei ole üks reaktsiooniprotsess, vaid pigem kolmeetapiline mikroobne biokeemiline reaktsioon-ammoniiseerimine, nitrifikatsioon ja denitrifikatsioon-, mis lõpuks muudab lämmastiku erinevad vormid gaasiliseks lämmastikuks, eemaldades selle veekogust ja saavutades täieliku lämmastiku eemaldamise. Kogu protsess sõltub erinevate bakterikoosluste metaboolsetest aktiivsustest nende spetsiifilises keskkonnas.

(I) Ammoniaagireaktsioon (orgaanilise lämmastiku muundamine)

Aeroobsetes või anaeroobsetes tingimustes hüdrolüüsitakse reovees leiduvad orgaanilised lämmastiku saasteained, nagu valgud, uurea ja aminohapped, ning oksüdeeritakse ammoniseerivate bakterite lagunemise ja metabolismi kaudu anorgaaniliseks ammoniaaklämmastikuks (NH₃-N). See reaktsioon on põhiline bioloogilise lämmastiku eemaldamise eelreaktsioon, mis on keskkonnaga hästi kohanduv ja ei nõua ranget kontrolli selliste parameetrite üle nagu lahustunud hapnik ja temperatuur, võimaldades sellel kulgeda sujuvalt tavapärastes reoveepuhastustingimustes. Reaktsiooniprotsess muudab keerulise orgaanilise lämmastiku lihtsaks anorgaaniliseks lämmastikuks, pakkudes substraate järgnevateks nitrifikatsiooni- ja denitrifikatsioonireaktsioonideks ning on esimene samm lämmastiku eemaldamisel.

(II) Nitrifikatsioon (ammooniumlämmastiku oksüdatsioon)

Nitrifikatsioon on oksüdatsioonireaktsioon, milles domineerivad aeroobsed autotroofsed mikroorganismid ja mis koosneb kahest etapist: nitrifikatsioon ja nitrifikatsioon. Kogu protsessi vältel on vaja piisavalt hapnikku ning mikroorganismidel on aeglane kasvukiirus, pikad generatsioonitsüklid ja kõrge tundlikkus keskkonnatemperatuuri, pH ja lahustunud hapniku suhtes. Esimene etapp on nitrifikatsioon, kus nitrifitseerivad bakterid oksüdeerivad ammoniaaklämmastiku nitritlämmastikuks; teine ​​etapp on nitrifikatsioon, kus nitrifitseerivad bakterid oksüdeerivad nitritlämmastikku edasi stabiilseks nitraatlämmastikuks.

Nitrifitseerivad bakterid on autotroofsed, mis tähendab, et nad ei tarbi reovees orgaanilisi saasteaineid. Selle asemel kasutavad nad ammoniaaklämmastiku oksüdeerimisel tekkivat keemilist energiat energiaallikana süsinikdioksiidi fikseerimiseks ja oma ainete sünteesimiseks. See protsess on lämmastiku eemaldamise võtmetähtsusega oksüdatsioonietapp, mis võimaldab redutseeriva lämmastiku muundamise oksüdeerivaks lämmastikuks ja annab reaktsioonisubstraadid järgnevaks denitrifikatsiooniks.

(III) Denitrifikatsioon (nitraadilämmastiku eemaldamine)

Denitrifikatsioon on redutseerimisreaktsioon, milles domineerivad anaeroobsed heterotroofsed mikroorganismid ja mis on bioloogilise lämmastiku eemaldamise viimane põhietapp. Anaeroobses keskkonnas, kus puudub molekulaarne hapnik, kuid mis sisaldab nitraatlämmastikku, kasutavad denitrifitseerivad bakterid reovees olevaid orgaanilisi süsinikuallikaid elektronide doonoritena, et järk-järgult vähendada nitrifikatsioonireaktsioonis tekkivat nitraatlämmastikku ja nitritlämmastikku, tekitades lõpuks lämmastikgaasi (N2), mis väljub heitveest täielikult välja lämmastik.

Denitrifikatsiooniprotsessis tuleb rangelt eristada anaeroobset ja anoksilist keskkonda: anaeroobses keskkonnas puudub molekulaarne hapnik, kuid see sisaldab kombineeritud hapnikku (nitraatlämmastikku), võimaldades denitrifikatsioonireaktsioonil normaalselt toimuda; samas kui anaeroobses keskkonnas puudub kombineeritud hapnik, mis takistab denitrifikatsioonireaktsiooni. Samal ajal on orgaanilise süsiniku allikas denitrifikatsiooni põhitingimus; ebapiisavad süsinikuallikad põhjustavad otseselt lämmastiku eemaldamise efektiivsuse olulist langust. Praktilises tehnikas kasutatakse lämmastiku eemaldamise tõhususe tagamiseks sageli lisamist eksogeensete süsinikuallikatega.

Bioloogilise fosfori eemaldamise peamine funktsionaalne bakterirühm on polüfosfaate{0}}akumuleeruvad bakterid (PAO). Nendel mikroorganismidel on ainulaadsed metaboolsed omadused, mis võimaldavad neil vahelduvates anaeroobsetes ja aeroobsetes keskkondades viia lõpule "fosfori vabanemise-fosfori omastamise" tsükkel, mis lõpuks saavutab fosfori täieliku eemaldamise veekogust liigse muda väljutamise kaudu. Erinevalt denitrifikatsioonist ei tekita bioloogiline fosfori eemaldamine gaasilisi kõrvalsaadusi. Selle asemel tahkestab see vees olevaid fosfaate mikroorganismides, vabastades need mudana.

(I) Anaeroobse fosfori vabanemise etapp

Rangelt anaeroobses keskkonnas, mis on vaba molekulaarsest hapnikust ja nitraatlämmastikust, ei saa polüfosfaate{0}}akumuleerivad bakterid (PAB) kasutada aeroobseks hingamiseks välist hapnikku, mis piirab nende metaboolseid energiaallikaid. Selles olekus lagundavad PPA-d oma rakkudes talletatud polüfosfaate, vabastades energiat, et absorbeerida reoveest madala -molekulaarse- orgaanilise süsiniku allikaid, nagu lenduvad rasvhapped (VFA-d), muutes need polühüdroksüalkanoaatideks (PHA-d), mida rakkudes säilitatakse. Selle protsessi käigus eralduvad rakusisesed fosfaadid reovette, mis põhjustab vee fosforisisalduse hetkelise tõusu{5}}see on anaeroobne fosfori vabanemise protsess.

(II) Fosfori ülemäärase neeldumise staadium

Kui keskkond lülitub aeroobsesse olekusse, ei absorbeeri PPA-d enam orgaanilise süsiniku allikaid, vaid lagundavad anaeroobses staadiumis talletatud PHA-sid, saades orgaanilise aine oksüdeerumise ja lagunemise kaudu suure hulga energiat. Seda energiat kasutades absorbeerivad polüfosfaate{1}}akumuleerivad bakterid (PAC) reoveest liigselt fosfaati, ületades tunduvalt anaeroobses etapis vabanevat kogust. Liigne fosfaat säilitatakse seejärel rakkudes polüfosfaadina, saavutades fosfori rikastamise ja veest eemaldamise.

Lõppkokkuvõttes settivad fosfori-rikkad PAC-d koos mudaga ja eemaldatakse täielikult reoveesüsteemist süsteemi jäätmemuda ärajuhtimise kaudu, viies sellega lõpule kogu bioloogilise fosfori eemaldamise protsessi. PAC-de vahelduvad metaboolsed omadused on bioloogilise fosfori eemaldamise tuum ja stabiilne anaeroobse -aeroobse keskkonna ümberlülitamine on fosfori eemaldamise tõhususe tagamiseks ülioluline.

Bioloogilise lämmastiku ja fosfori eemaldamise efektiivsus sõltub täielikult mikroobide aktiivsusest. Mikroorganismide metaboolsed omadused määravad protsessi toimimise põhilised kontrollparameetrid. Peamised mõjutegurid hõlmavad kahte kategooriat: keskkonnaparameetrid ja veekvaliteedi parameetrid.

1. Lahustatud hapnik: Nitrifikatsioon ja aeroobne fosfori omastamine nõuavad piisavat lahustunud hapnikku; anoksiline denitrifikatsioon nõuab rangelt madalat hapnikusisaldust{1}}; ja anaeroobne fosfori vabanemine nõuab absoluutselt anaeroobset keskkonda. Hapnikukeskkonna häired põhjustavad otseselt lämmastiku ja fosfori eemaldamise ebaõnnestumist.

2. Süsiniku allika sisaldus: nii denitrifitseerivad bakterid kui ka polüfosfaate{1}}akumuleerivad bakterid sõltuvad ainevahetuses orgaanilistest süsinikuallikatest. Kui süsiniku---lämmastiku suhe ning süsiniku----fosfori suhe on liiga madal, tuleb lisada eksogeenseid süsinikuallikaid, nagu naatriumatsetaat ja glükoos; vastasel juhul toimub lämmastiku mittetäielik eemaldamine ja madal fosfori eemaldamise efektiivsus.

3. pH ja temperatuur: optimaalne pH nitrifitseerivate bakterite jaoks on 7,5-8,5, polüfosfaate akumuleerivate bakterite optimaalne pH on 6,5-8,0. Mikroorganismide optimaalne temperatuur on 20-30 kraadi. Madal temperatuur vähendab oluliselt bakterite aktiivsust ja ravi efektiivsust.

4. Muda vanus: Nitrifitseerivatel bakteritel on pikk tekketsükkel, mis nõuab bakterite ellujäämise tagamiseks pikemat muda vanust. Polüfosfaate{2}}akumuleerivatel bakteritel on seevastu lühem muda vanus; muda liiga pikad vanused võivad viia settest fosfori eraldumiseni. Seetõttu peab tegelik protsess muda vanust tasakaalustama, et tagada nii lämmastiku kui ka fosfori eemaldamise efektiivsus.

Ülaltoodud lämmastiku ja fosfori eemaldamise põhiprintsiipide alusel on tööstus välja töötanud erinevaid küpseid protsesse, mille kõigi eesmärk on luua vaheldumisi anaeroobseid, anoksilisi ja aeroobseid reaktsioonikeskkondi. A²/O protsess on kõige klassikalisem samaaegne lämmastiku ja fosfori eemaldamise protsess. See viib järjestikku lõpule fosfori vabanemise ja süsiniku ladustamise polüfosfaati{2}}akumuleerivate bakterite poolt anaeroobses tsoonis, denitrifikatsiooni anoksilises tsoonis ning nitrifikatsiooni ja liigse fosfori omastamise polüfosfaati-akumuleerivate bakterite poolt aeroobses tsoonis. Lõpuks saavutatakse lämmastiku ja fosfori samaaegne eemaldamine muda settimise ja tühjendamise kaudu. Lisaks põhinevad modifitseeritud A²/O, SBR ja oksüdatsioonikraaviprotsessid põhilistel biokeemilistel põhimõtetel, optimeerides paagi struktuuri ja tööjärjestust, et kohaneda erinevate veekvaliteediga töötlemise vajadustega.

Lämmastiku ja fosfori bioloogilise eemaldamise olemus reoveest on funktsionaalsete mikroorganismide diferentseeritud metaboolsete omaduste ärakasutamine ja veekeskkonna kunstlik reguleerimine, et saavutada lämmastiku ja fosfori saasteainete muundumine ning nende eemaldamine veekogust. Lämmastiku eemaldamine põhineb ammonifikatsiooni, nitrifikatsiooni ja denitrifikatsiooni järkjärgulistel reaktsioonidel, et saavutada gaasiline eemaldamine, fosfori eemaldamine aga polüfosfaati{1}}akumuleeruvate bakterite-anaeroobse fosfori vabanemise ja aeroobse fosfori eemaldamise}tahkestumise{{3}neelamise ja tahkestumiseni. Selle biokeemiliste põhimõtete põhjalik tundmine on põhialuseks reoveepuhastusprotsesside optimeerimisel, lämmastiku ja fosfori eemaldamise efektiivsuse parandamisel ning veekogude eutrofeerumise probleemi lahendamisel. Samuti pakub see olulist teoreetilist tuge energia säästmiseks, heitkoguste vähendamiseks ja reoveepuhastuse ajakohastamiseks.