Liialliset typpi- ja fosforipitoisuudet vesistöissä ovat keskeinen syy vesiympäristöongelmiin, kuten rehevöitymiseen, leväkukintaan ja punaviin vuorovesi, mikä johtaa useisiin ongelmiin, kuten veden laadun heikkenemiseen, vesiekosysteemien epätasapainoon ja juomaveden turvallisuuden uhkiin. Verrattuna kemiallisiin ja fysikaalisiin käsittelyprosesseihin biologisesta typen ja fosforin poistoteknologiasta on tullut ydinprosessi kehittyneessä jätevedenpuhdistuksessa nykyisissä jätevedenpuhdistamoissa sen etujen, kuten stabiilien käsittelyvaikutusten, alhaisten käyttökustannusten, toissijaisen saastumisen ja sopeutumiskyvyn vuoksi kunnallisiin ja teollisuuden jätevedenpuhdistusskenaarioihin. Biologisen typen ja fosforin poiston ydinperiaatteena jätevedestä on hyödyntää eri funktionaalisten mikro-organismien aineenvaihduntatoimintoja kontrolloidussa vuorottelussa anaerobisessa, hapettomassa ja aerobisessa ympäristössä saasteiden, kuten orgaanisen typen, ammoniakkitypen ja jäteveden kokonaisfosforin, asteittaiseksi muuttamiseksi kiinteiksi vesistöiksi, jotka poistuvat tai poistuvat lieteestä. veden puhdistuksen saavuttamiseksi.
I. Biologisen typenpoiston perusperiaatteet jätevedestä
Jätevedessä oleva typpi esiintyy monimutkaisissa muodoissa, sisältäen pääasiassa orgaanista typpeä, ammoniakkityppeä, nitriittityppeä ja nitraattityppeä. Biologinen typenpoisto ei ole yksittäinen reaktioprosessi, vaan kolmivaiheinen mikrobien biokemiallinen reaktio-ammoniaatio, nitrifikaatio ja denitrifikaatio-, joka lopulta muuntaa eri muodot typen typpikaasuksi, poistaa sen vesistöstä ja saavuttaa typen kokonaispoiston. Koko prosessi perustuu eri bakteeriyhteisöjen metaboliseen toimintaan niiden erityisissä ympäristöissä.
(I) Ammoniaatioreaktio (orgaaninen typen muuntaminen)
Aerobisissa tai anaerobisissa olosuhteissa jäteveden orgaaniset typpisaasteet, kuten proteiinit, urea ja aminohapot, hydrolysoituvat ja hapettuvat epäorgaaniseksi ammoniakkitypeksi (NH₃-N) ammoniakkibakteerien hajoamisen ja aineenvaihdunnan kautta. Tämä reaktio on biologisen typenpoiston perustavanlaatuinen esireaktio, joka sopeutuu hyvin ympäristöön. Se ei vaadi tiukkaa parametrien, kuten liuenneen hapen ja lämpötilan, valvontaa, mikä mahdollistaa sen etenemisen sujuvasti tavanomaisissa jätevedenkäsittelyolosuhteissa. Reaktioprosessi muuntaa monimutkaisen orgaanisen typen yksinkertaiseksi epäorgaaniseksi typeksi, mikä tarjoaa substraatteja myöhempiä nitrifikaatio- ja denitrifikaatioreaktioita varten, ja se on ensimmäinen vaihe typen poistamisessa.
(II) Nitrifikaatio (ammoniumtypen hapetus)
Nitrifikaatio on aerobisten autotrofisten mikro-organismien hallitsema hapettumisreaktio, joka koostuu kahdesta vaiheesta: nitrifikaatiosta ja nitrifikaatiosta. Riittävästi happea tarvitaan koko prosessin ajan, ja mikro-organismeilla on hidas kasvunopeus, pitkä sukupolvijakso ja korkea herkkyys ympäristön lämpötilalle, pH:lle ja liuenneelle hapelle. Ensimmäinen vaihe on nitrifikaatio, jossa nitrifioivat bakteerit hapettavat ammoniakkitypen nitriittitypeksi; toinen vaihe on nitrifikaatio, jossa nitrifioivat bakteerit hapettavat edelleen nitriittitypen stabiiliksi nitraattitypeksi.
Nitrifioivat bakteerit ovat autotrofisia, eli ne eivät kuluta orgaanisia saasteita jätevedessä. Sen sijaan he käyttävät ammoniakkitypen hapettumisesta syntyvää kemiallista energiaa energialähteenä hiilidioksidin sitomiseen ja omien aineiden syntetisoimiseen. Tämä prosessi on tärkeä hapetusvaihe typenpoistossa, jolloin pelkistävä typpi muuttuu hapettavaksi typeksi ja saadaan aikaan reaktiosubstraatteja myöhempää denitrifikaatiota varten.
(III) Denitrifikaatio (nitraattitypen poisto)
Denitrifikaatio on pelkistysreaktio, jota hallitsevat anaerobiset heterotrofiset mikro-organismit, ja se on viimeinen ydinvaihe biologisessa typenpoistossa. Anaerobisessa ympäristössä, jossa ei ole molekyylistä happea, mutta joka sisältää nitraattityppeä, denitrifioivat bakteerit hyödyntävät jäteveden orgaanisia hiilen lähteitä elektronien luovuttajina vähentääkseen asteittain nitrifikaatioreaktiossa syntyvää nitraattityppeä ja nitriittityppeä, jolloin lopulta muodostuu typpikaasua (N2), joka poistuu jätevedestä kokonaan pois typpeä.
Denitrifikaatioprosessissa on erotettava tiukasti anaerobinen ja hapeton ympäristö: anaerobisessa ympäristössä ei ole molekyylistä happea, mutta se sisältää yhdistettyä happea (nitraattityppeä), jolloin denitrifikaatioreaktio voi tapahtua normaalisti; kun taas anaerobisessa ympäristössä ei ole yhdistettyä happea, mikä estää denitrifikaatioreaktion. Samanaikaisesti orgaaninen hiilen lähde on denitrifikaation perusedellytys; riittämättömät hiililähteet johtavat suoraan typenpoistotehokkuuden merkittävään laskuun. Käytännön suunnittelussa käytetään usein täydentämistä ulkoisilla hiililähteillä typenpoistotehokkuuden varmistamiseksi.
II. Biologisen fosforinpoiston perusperiaatteet jätevesistä
Biologisen fosforinpoiston toiminnallinen ydinbakteeriryhmä on polyfosfaattia{0}}akkumuloiva bakteeri (PAO). Näillä mikro-organismeilla on ainutlaatuiset aineenvaihduntaominaisuudet, minkä ansiosta ne voivat suorittaa loppuun "fosforin vapautumisen-fosforin sisäänoton" syklin vuorotellen anaerobisissa ja aerobisissa ympäristöissä, mikä lopulta saavuttaa täydellisen fosforinpoiston vesistöstä poistamalla ylimääräistä lietettä. Toisin kuin denitrifikaatio, biologinen fosforinpoisto ei tuota kaasumaisia sivutuotteita. Sen sijaan se kiinteyttää fosfaatit vedessä mikro-organismien sisällä vapauttaen niitä lietteenä.
(I) Anaerobinen fosforin vapautumisvaihe
Täysin anaerobisessa ympäristössä, jossa ei ole molekyylistä happea ja nitraattityppeä, polyfosfaattia{0}}kerääntyvät bakteerit (PAB:t) eivät voi käyttää ulkoista happea aerobiseen hengitykseen, mikä rajoittaa aineenvaihdunnan energianlähteitään. Tässä tilassa PPA:t hajottavat soluihinsa varastoituneet polyfosfaatit vapauttaen energiaa, joka absorboi alhaisen -molekyylipainon- orgaanisen hiilen lähteitä, kuten haihtuvia rasvahappoja (VFA:t) jätevedestä ja muuntaa ne polyhydroksialkanoaatiksi (PHA:t) soluihin varastoitavaksi. Tämän prosessin aikana solunsisäisiä fosfaatteja vapautuu jäteveteen, mikä aiheuttaa hetkellisen lisäyksen veden fosforipitoisuuteen{5}}tämä on anaerobinen fosforin vapautumisprosessi.
(II) Fosforin yliabsorptiovaihe
When the environment switches to an aerobic state, PPAs no longer absorb organic carbon sources but instead decompose the PHAs stored in the anaerobic stage, obtaining a large amount of energy through the oxidation and decomposition of organic matter. Utilizing this energy, polyphosphate-accumulating bacteria (PACs) excessively absorb phosphate from wastewater, far exceeding the amount released during the anaerobic stage. The excess phosphate is then stored within the cells as polyphosphate, achieving phosphorus enrichment and removal from the water.
Lopulta fosfori{0}}rikkaat PAC:t laskeutuvat lietteen mukana ja poistuvat kokonaan jätevesijärjestelmästä järjestelmän jätelietteen poistamisen kautta, mikä saattaa loppuun koko biologisen fosforinpoistoprosessin. PAC:ien vaihtelevat metaboliset ominaisuudet ovat biologisen fosforinpoiston ydin, ja vakaa anaerobinen-aerobinen ympäristön vaihto on ratkaisevan tärkeää fosforinpoistotehokkuuden varmistamiseksi.
III. Päätekijät, jotka vaikuttavat biologiseen typen ja fosforin poistoon
Biologisen typen ja fosforin poiston tehokkuus riippuu täysin mikrobien aktiivisuudesta. Mikro-organismien metaboliset ominaisuudet määräävät prosessin toiminnan ydinsäätöparametrit. Tärkeimmät vaikuttavat tekijät ovat kaksi luokkaa: ympäristöparametrit ja veden laatuparametrit.
1. Liuennut happi: Nitrifikaatio ja aerobinen fosforinotto vaativat riittävästi liuennutta happea; hapeton denitrifikaatio vaatii äärimmäisen vähän -happipitoisuutta; ja anaerobinen fosforin vapautuminen vaatii ehdottoman anaerobisen ympäristön. Happiympäristön häiriöt johtavat suoraan typen ja fosforin poiston epäonnistumiseen.
2. Hiililähdesisältö: Sekä denitrifioivat bakteerit että polyfosfaattia-kerääntyvät bakteerit ovat riippuvaisia orgaanisista hiilen lähteistä aineenvaihdunnassa. Kun jäteveden hiili--typpisuhde ja hiili----suhde ovat liian alhaisia, on lisättävä eksogeenisiä hiilen lähteitä, kuten natriumasetaattia ja glukoosia. muuten tapahtuu epätäydellinen typenpoisto ja alhainen fosforinpoistotehokkuus.
3. pH ja lämpötila: Optimaalinen pH nitrifioiville bakteereille on 7,5-8,5, kun taas optimaalinen pH polyfosfaattia kerääville bakteereille on 6,5-8,0. Optimaalinen lämpötila mikro-organismeille on 20-30 astetta. Alhaiset lämpötilat heikentävät merkittävästi bakteerien aktiivisuutta ja hoidon tehokkuutta.
4. Lietteen ikä: Nitrifioivilla bakteereilla on pitkä tuotantosykli, mikä vaatii pidemmän lietteen iän varmistaakseen bakteerien selviytymisen. Toisaalta polyfosfaattia-kerääntyvillä bakteereilla on lyhyempi lietteen ikä; Liian pitkät lietteen iät voivat johtaa fosforin vapautumiseen lietteestä. Siksi varsinaisessa prosessissa on tasapainotettava lietteen ikä, jotta varmistetaan sekä typen että fosforin poiston tehokkuus.
IV. Valtavirran prosessisovellusperiaatteet
Yllä mainittujen typen ja fosforin poiston perusperiaatteiden pohjalta teollisuus on kehittänyt erilaisia kypsiä prosesseja, jotka kaikki tähtäävät vuorottelevien anaerobisten, hapettomien ja aerobisten reaktioympäristöjen luomiseen. A²/O-prosessi on klassisin samanaikainen typen ja fosforin poistoprosessi. Se suorittaa peräkkäin fosforin vapautumisen ja hiilen varastoinnin polyfosfaattia-kerääntyvien bakteerien toimesta anaerobisella vyöhykkeellä, denitrifikaation anoksisella vyöhykkeellä ja nitrifikaation ja liiallisen fosforinoton polyfosfaattia-kertyvien bakteerien toimesta aerobisella alueella. Lopuksi samanaikaisesti typen ja fosforin poisto saavutetaan lietteen sedimentoinnilla ja tyhjennyksellä. Lisäksi modifioidut A²/O-, SBR- ja hapetusojaprosessit perustuvat kaikki biokemiallisiin ydinperiaatteisiin, jotka optimoivat säiliön rakenteen ja toimintajärjestyksen mukautumaan erilaisiin vedenlaadun käsittelytarpeisiin.
V. Johtopäätös
Biologisen typen ja fosforin poiston ydin jätevesistä on hyödyntää toiminnallisten mikro-organismien erilaistuneet aineenvaihduntaominaisuudet ja säädellä keinotekoisesti vesiympäristöä typen ja fosforin saasteiden muuntamiseksi ja niiden poistamiseksi vesistöstä. Typen poisto perustuu ammonifikaation, nitrifikaation ja denitrifikaation vaiheittaisiin reaktioihin kaasumaisen poiston aikaansaamiseksi, kun taas fosforin poisto perustuu polyfosfaattia{1}}kerääntyvien bakteerien-anaerobiseen fosforin vapautumiseen ja aerobiseen fosforinpoistoon}kiinteytymiseen ja vastaanottoon. Sen biokemiallisten periaatteiden perusteellinen tuntemus on perusta jätevedenkäsittelyprosessien optimoinnille, typen ja fosforin poiston tehostamiselle sekä vesistöjen rehevöitymisongelman ratkaisemiselle. Se tarjoaa myös tärkeää teoreettista tukea energiansäästölle, päästöjen vähentämiselle ja jätevesien käsittelyn parantamiselle.
