1. Denitrifikaatiofosforinpoistomekanismi
Korkea{0}happobakteerit hajottavat suuria orgaanisia molekyylejä alhaisen-molekyylipainon-rasvahapoiksi anaerobisissa olosuhteissa. DPB (tislattu vismuttibiota) hajottaa polyfosfaatteja soluissaan anaerobisissa olosuhteissa tuottaakseen ATP:tä, absorboi rasvahappoja aktiivisen kuljetuksen kautta ja syntetisoi poly(-hydroksibutyraattia) (PHB) ja vapauttaa samanaikaisesti PO43:a-. Kerättyään suuria määriä PHB:tä DPB siirtyy anaerobiseen tilaan käyttämällä NO3-:a elektronien vastaanottajana PHB:n hapetuksessa. Se hyödyntää PHB:n hajoamista energian tuottamiseen ja pelkistysvoiman tuottamiseen (nikotiiniamidiadeniinidinukleotidi (NADH) ja käyttää NADH+H+:a elektroninkuljetusketjun kantajana protonien poistamiseen, mikä muodostaa protonivetoisen voiman. Tämä protonivetoinen voima kuljettaa PO43- polymeerin kehon ulkopuolelta kehoon, jossa se syntetisoi ATP:tä, syntetisoi ATP:tä PO43- polyfosfaateiksi DPB:n tuottama anaerobisissa olosuhteissa elektronien kuljetusketjun kautta ylittää anaerobisissa olosuhteissa polyfosfaattien hajoamisen kautta tuotetun ATP:n. Siksi anaerobisissa olosuhteissa absorboituva fosfori on suurempi kuin anaerobisissa olosuhteissa vapautuva fosfori.
2. Päätekijät, jotka vaikuttavat denitrifikaatioon ja fosforin poistoon
2.1 Hiilen-–-typpisuhde
Perinteisen fosforinpoistoteorian mukaan hiililähteiden läsnäolo hapettomalla vyöhykkeellä tai nitraattien läsnäolo anaerobisella vyöhykkeellä johtaa kilpailuun denitrifioivien bakteerien ja DPB:n välillä elektronin vastaanottajanitraattitypestä tai hiilen lähteistä, mikä vähentää DPB:n selektiivistä etua ja vaikuttaa fosforinpoistotehokkuuteen. Tämä edellyttää sopivaa hiili--typpisuhdetta sisäänvirtauksessa. Kuitenkin Ahn J. et ai. osoittaa, että anaerobisissa/aerobisissa (A/O) olosuhteissa hiililähteiden pitkäaikainen totuttelu ja pieni määrä nitraattia, jotka tulevat anaerobiseen vyöhykkeeseen, edistävät DPB:n rikastumista, ja DPB voi ylläpitää hapettoman fosforin ottokykynsä A/O-olosuhteissa. Mikrobiologisesta näkökulmasta on olemassa kaksi selitystä: yksi on, että DPB käyttää suoraan hiililähteitä anaerobisella alueella trikarboksyylihapposyklin (TCA) kautta; toinen on se, että DPB hapettaa hiilen lähteitä anaerobisen jakson aikana TCA-syklin kautta saadakseen pelkistysvoimaa ja energiaa keräämään polyhydroksialkaanihappoja ja selviytyy aerobisen jakson aikana. Muita raportteja DPB:n fysiologisista ominaisuuksista ei ole julkaistu tässä suhteessa.
2.2 Nitraattiannostelumenetelmät
Nitraatin lisäämiseen hapettomalla alueella on kaksi menetelmää: välitön lisäys ja jatkuva lisäys. Jatkuva lisäys on hieman tehokkaampi ja välttää myös nitriitin kertymisen. Mitä tulee jatkuvan lisäysajan vaikutukseen fosforin ottonopeuteen, Zou Hua et ai. osoitti, että fosforin ottonopeus oli suurempi, kun jatkuva lisäysaika oli 2 tuntia, kuin silloin, kun se oli 3,5 tuntia. Tällä hetkellä ei kuitenkaan ole olemassa raportteja lisäysnopeuden ja fosforinottonopeuden välisestä erityissuhteesta. Lisää teknisiä asiakirjoja löytyy China Wastewater Treatment Engineering Networkista.
2.3 SRT
DPB kasvaa hitaammin A/A-olosuhteissa kuin A/O-olosuhteissa. Liian lyhyt SRT eliminoi reaktorissa olevan DPB:n, kun taas liian pitkä SRT aiheuttaa lietteen vanhenemisen ja fosforipitoisuuden vähenemisen. Merzouki M. raportoi, että SBR-denitrifikaatiofosforinpoistojärjestelmän fosforinpoistotehokkuus oli 1,8 kertaa korkeampi, kun SRT oli 15 päivää, kuin silloin, kun se oli 7,5 päivää. Fosforin ja typen poistamiseen käytettävissä rakeisissa lieteprosesseissa lietteen rakenne on monimutkainen sen rikkaamman ja integroidumman biologisen yhteisön ansiosta. On edelleen epävarmaa, kuinka DPB:tä, polyfosfaattia-kertyviä bakteereja ja nitrifioivia bakteereja tasapainotetaan lietteen iän myötä.
2.4 Nitriitti
Tällä hetkellä on olemassa kaksi mielipidettä siitä, estääkö nitriitti fosforin ottoa, ja nämä mielipiteet perustuvat eri tutkimusaiheisiin. Käyttämällä tutkimuskohteena lietettä, jolle ei ole tehty denitrifikaatiota ja fosforinpoistototuttelua, tulokset osoittavat johdonmukaisesti, että kriittisen tason ylittävät nitriittipitoisuudet estävät fosforin ottoa. Wang Ya-yin et al. osoittivat, että fosforin otto estyy, kun nitriittipitoisuus ylittää 15 mg/l, kun taas Meinhold J. et ai. osoitti, että kriittinen nitriittipitoisuus on 5–8 mg/l. Denitrifikaatioon ja fosforinpoistoon sopeutetun lietteen käyttäminen tutkimuskohteena tuottaa kuitenkin erilaisia tuloksia. Hu JY:n kokeet osoittivat, että laajalti tunnettujen polyfosfaatti{13}}kertyvien bakteerien (PAB) ja DPB:n lisäksi on olemassa myös kolmas ryhmä PPB:itä. Nämä PPB:t voivat käyttää nitriittiä elektronien vastaanottajana fosforin ottoa varten. Lisäksi kokeet osoittivat, että kun alkuperäinen nitriittikonsentraatio oli alle 115 mg/l, fosforin oton estoa ei ollut merkittävää. Kotitalouksien jätevedenpuhdistamoiden nitriittipitoisuus on selvästi tämän kriittisen pitoisuuden alapuolella, joten se ei vaikuta haitallisesti biologiseen fosforinpoistoon. Monet muut tekijät vaikuttavat denitrifikaatiofosforin poistoon, kuten lämpötila (DPB on erityisen herkkä lämpötilalle, erityisesti alhaisille lämpötiloille) ja kationit (Mg2+ ja K+). Tällä hetkellä näitä näkökohtia tutkitaan vähän, ja eri tekijöiden väliset vuorovaikutukset vaikeuttavat tutkimusta.
3. Uusia lähestymistapoja denitrifikaatiofosforinpoiston saavuttamiseksi
Perinteisiä tyypillisiä denitrifikaatiofosforinpoistoprosesseja ovat: ① Anaerobinen/anoksinen ja nitrifikaatioprosessi (A2N). Tämä prosessi on kaksois-lietteen denitrifikaatiofosforinpoistoprosessi, jossa nitrifikoivia bakteereja ja DPB:tä viljellään erikseen eri lietejärjestelmissä, jolloin nitrifikaatiobakteerit erotetaan täysin DPB:stä. A2N-prosessi soveltuu parhaiten tilanteisiin, joissa hiili- ja typpisuhde on alhainen. ② Dephanox-prosessi. Kun sisäänvirtaava hiili- ja typpipitoisuus on korkea, ilmastussäiliö on lisättävä A2N-prosessissa hapettoman säiliön jälkeen, jolloin muodostuu DEPHANOX-prosessi.
③BCFS-prosessi. Tämä prosessi on modifioitu UCT-prosessi. UCT-prosessin suunnitteluperiaate perustuu polyfosfaatti-kertyvien bakteerien vaatimien ympäristöolosuhteiden tekniseen parantamiseen, kun taas BCFS:n kehitystyön tarkoituksena on luoda rikastusolosuhteet DPB:lle prosessin näkökulmasta. Viime aikoina on tapahtunut läpimurto denitrifikaatiofosforinpoistoteknologian soveltamisen tutkimuksessa. Jätevedenkäsittelyä tarvitsevat yksiköt voivat myös konsultoida yrityksiä, joilla on vastaavaa jätevedenkäsittelykokemusta Wastewater Treasure -projektin palvelualustalla.
3.1 AOA-SBR-menetelmä
Anaerobinen/anoksinen/aerobinen (A2O) -prosessi on yleinen typen ja fosforin poiston muoto. Se toimii pääasiassa polyfosfaattia-keräilevien bakteerien, nitrifioivien ja denitrifioivien bakteerien metabolian kautta. Siksi nitraatteja ja nitriittejä sisältävien nesteiden kierto on olennaista tässä prosessissa. Tsuneda S. et ai. ehdotti anaerobista/aerobista/anoksista (AOA) prosessia SBR:ssä (Self-Biochemical Reactor), joka hyödyntää täysin DPB:n (difosfaattipolyfosfaatin) ominaisuutta typen ja fosforin poistamiseksi samanaikaisesti hapettomissa olosuhteissa ja ilman hiililähdettä. Tämä mahdollistaa denitrifikaation tapahtuvan hapettomassa osassa ilman hiilen lähdettä, mikä eliminoi tarpeen kiertää aerobisten ja hapettomien säiliöiden välillä, jolloin saavutetaan samanaikainen typen ja fosforin poisto yhdessä SBR:ssä. Kokeet ovat myös osoittaneet, että tällä prosessilla voidaan saavuttaa erinomaiset typen ja fosforin poistovaikutukset, kun käsitellään synteettistä jätevettä, jonka hiili--typpisuhde on alle 10, jolloin typen ja fosforin keskimääräinen poistoaste on 83 % ja 92 %. Tämä prosessi ei ainoastaan rikasta DPB:tä, vaan tekee DPB:stä myös tärkeän roolin fosforin ja typen poistamisessa. Kokeet osoittavat, että DPB:n osuus kaikista polyfosfaattia{18}}kertyvistä bakteereista AOA-SBR-prosessissa on 44 %, mikä on huomattavasti enemmän kuin tavanomaisissa A/O-SBR- (13 %) ja A2O-prosesseissa (21 %).
AOA-SBR-prosessilla on kaksi keskeistä ominaisuutta: ① Aerobisen vaiheen alussa lisätään sopiva määrä hiililähdettä aerobisen fosforin oton estämiseksi. Tässä kokeessa aerobisen vaiheen aikana lisätty optimaalinen hiililähteen määrä oli 40 mg/l.
② Tässä prosessissa nitriitti voi toimia fosforin oton elektronien vastaanottajana.
3.2 Rakeinen lieteprosessi
Rakeinen liete typen ja fosforin poistoon on tällä hetkellä vielä tutkimusvaiheessa. Perinteisiin lieteprosesseihin verrattuna aerobisella rakeisella lietteellä on parempi laskeutuskyky, korkeampi biomassapitoisuus ja pienempi lietteen kosteuspitoisuus. Rakeisen lietteen levittämisellä voidaan ratkaista tavanomaisessa lieteessä esiintyvät ongelmat (kuten lietteen bulkkia, käsittelyrakenteiden suuri jalanjälki ja sekundäärinen fosforin vapautuminen selkeytyksistä). Dulekgurgen E. et ai. osoitti, että rakeisen lietteen biomassa on vakaa, ja COD-, fosforin- ja typenpoistoasteet ovat 95 %, 99,6 % ja 71 %. Kotimaiset tutkimustulokset ovat yhtäpitäviä näiden havaintojen kanssa, ja aerobisella rakeisella lieteellä on denitrifikaatio- ja fosforinpoistokyky. Rakeisen lietteen ainutlaatuisen rakenteen ja happidiffuusiogradientin ansiosta se tarjoaa ympäristön polyfosfaattia kerääville bakteereille, nitrifioiville bakteereille ja DPB:lle. Suuria määriä DPB:tä ja nitrifioivia bakteereja kerääntyy rakeiseen lietteeseen; kokeet Yang Guojing et al. osoitti, että DPB:n osuus oli 73,1 % kaikista rakeisen lietteen polyfosfaatti{14}}kertyvistä bakteereista. Rakeisen lietteen viljely on vaikeampaa kuin tavallisen lietteen viljely, ja siihen vaikuttavat tekijät ovat suhteellisen monimutkaisia.
Tavanomaiselle lietteen denitrifikaatiolle ja fosforinpoistolle yhteisten vaikuttavien tekijöiden lisäksi rakeisella lietteellä on omat ainutlaatuiset vaikuttajatekijänsä: ① DO-pitoisuuden ja hiukkaskoon vuorovaikutus vaikuttaa merkittävästi denitrifikaatioon ja fosforinpoistotehoon. Jos hiukkaskoko on liian pieni, hapen tunkeutuminen on suhteellisen voimakasta, mikä vaikuttaa hapettomien vyöhykkeiden muodostumiseen, mikä johtaa kyvyttömyyteen saavuttaa denitrifikaatiota ja fosforinpoistoa.
② Sopivan typen-/-fosforisuhteen ylläpitäminen on ratkaisevan tärkeää lietteen rakeistuksen ja fosforinpoistokapasiteetin kannalta. Kun typpi----suhde nousee 2,36:sta 4,0:aan, fosforinpoistonopeus laskee 85,0 %:sta 54,1 %:iin. ③ Lin Y{10}}M et al. osoitti läheistä yhteyttä hiukkaskoon ja fosforin -/-hiilimassasuhteen välillä. Korkea fosforin-/-hiilen massasuhde voi johtaa pienempiin hiukkasiin, joilla on tiiviimpi rakenne, mikä vähentää SVI:tä ja edistää polyfosfaattia{17}}kertyvien bakteerien kertymistä.
3.3 Sisäisen kierron ilmakuljetuksen sekvensointieräbiofilmiprosessi
Sisäisen kierron ilmakuljetussekvensointieräbiofilmiprosessi (SBBR) on suunniteltu pääasiassa integroituun fosforin ja typen poistoon. Zhang ZY et ai. osoitti, että sisäinen kiertoilmakuljetus SBBR saavutti vakaat typen ja fosforin poistonopeudet. COD:n, N:n ja P:n poistonopeudet optimaalisella pakkaustiheydellä ja orgaanisella kuormituksella olivat vastaavasti 95,3 %±3,3 %, 94,6 %±4,1 % ja 73,1 %±8,3 %. Reaktori on jaettu kahteen vyöhykkeeseen väliseinällä-aerobisella vyöhykkeellä ja refluksivyöhykkeellä. Nitrifioivia bakteereja ja aerobisia polyfosfaatti{14}}kertyviä bakteereja löytyy pääasiassa aerobisesta vyöhykkeestä, kun taas DPB:tä löytyy refluksivyöhykkeestä. Anaerobisen jakson aikana refluksivyöhykkeellä oleva DPB ja aerobisella vyöhykkeellä kerääntyvät polyfosfaatti{16}}bakteerit imevät orgaanista substraattia; aerobisen/anoksisen jakson aikana nitrifioivat bakteerit aerobisella vyöhykkeellä tuottavat NO3- ja NO2- antaakseen elektronien vastaanottajia DPB-fosforin ottoa varten, mikä poistaa typen ja fosforin. Lietteen poisto on ratkaiseva fosforinpoistoon vaikuttava tekijä, joka voidaan saavuttaa säätämällä kuitupakkauksen tiheyttä. Perinteisillä SBBR:illä on huono typen ja fosforin poistotehokkuus, mikä johtuu pääasiassa kilpailusta hapesta ja ravinteista nitrifioivien bakteerien ja heterotrofisten bakteerien välillä biofilmissä. Verrattuna perinteisiin SBBR:iin, sisäinen kiertoilmakuljetus SBBR välttää tämän kilpailun; perinteisiin aktiivilieteprosesseihin verrattuna tämä reaktori säästää energiaa ja investointeja.
4. Outlook
Denitrifikaatiofosforinpoistoteknologian tutkimuksessa on saatu alustavia tuloksia sekä kotimaassa että kansainvälisesti, ja tekniikka on edennyt perustutkimuksesta insinöörisovellukseen. Tällä hetkellä ymmärryksemme mikrobiyhteisön rakenteesta ja toiminnasta denitrifikaatiofosforinpoistojärjestelmissä on edelleen rajallinen. Mikrobiyhteisön rakenne vaihtelee merkittävästi eri järjestelmien välillä, ja myös saman järjestelmän mikrobiyhteisö on hyvin monimutkainen. Molekyylibiologian tekniikoilla voidaan seurata mikrobiyhteisön dynamiikkaa ja tunnistaa toiminnallisia ryhmiä, paljastaen mikrobiyhteisön rakenteen ja toiminnan välisen suhteen, mikä mahdollistaa paremman biologisen käsittelyn hallinnan. Biologisessa fosforinpoistossa käytettyjä molekyylibiologian tekniikoita ovat polymeraasiketjureaktio (PCR), restriktiofragmentin pituuspolymorfismi (RFLP) ja oligonukleotidikoetintekniikat. Tutkimusten mukaan polyfosfaattia{5}}keräilevät bakteerit (PAB) kuuluvat yleensä -proteobakteerien Rhodocyclus- ja Dechlorimonas-ryhmiin. Satoshi T. et ai. käytti RFLP:tä tutkiakseen polyfosfaattia keräävien bakteerien (DPB:t) ominaisuuksia, mikä osoitti, että DPB:t ovat Thaurera mechrnichensis ja Azoarcus tolulyticus Rhodocyclus-ryhmästä. Meidän on integroitava tiiviisti denitrifikaatiofosforinpoistojärjestelmien mikrobiologia ja suunnittelu. Mikrobien havaitsemisen ja ekologisten tutkimusten avulla voimme analysoida ja määrittää järjestelmän DPB:iden määrää ja yhteisörakennetta, ymmärtää, kuinka toimintaparametrit vaikuttavat PPB:iden, nitrifikaation bakteerien ja DPB:iden ominaisuuksiin, väestötiheyden jakautumiseen ja alueelliseen jakautumiseen, jolloin saadaan keinotekoinen tehostaminen denitrifikaatiofosforinpoistoprosessien ja sovellustekniikoiden vahvistamiseen sekä uusien käsittelyjen kehitystä optimoiden.