1. Mekanisme Penyingkiran Fosfor Denitrifikasi
Bakteria asid tinggi-menguraikan molekul organik yang besar menjadi asid lemak-molekul-rendah dalam keadaan anaerobik. DPB (Biota Bismut Suling) menguraikan polifosfat dalam selnya di bawah keadaan anaerobik untuk menjana ATP, menyerap asid lemak melalui pengangkutan aktif dan mensintesis poli( -hidroksibutirat) (PHB), sambil pada masa yang sama membebaskan PO43-. Selepas mengumpul sejumlah besar PHB, DPB memasuki keadaan anaerobik, menggunakan NO3- sebagai penerima elektron untuk pengoksidaan PHB. Ia menggunakan degradasi PHB untuk menjana tenaga dan membekalkan kuasa pengurangan (nicotinamide adenine dinucleotide (NADH), dan menggunakan NADH+H+ sebagai pembawa rantai pengangkutan elektron untuk mengeluarkan proton, sekali gus membentuk daya pacuan proton. Daya pacuan proton ini mengangkut PO43- dari luar badan ke dalam badan, di mana ia mensintesis ATPamer yang bertindak di bawah. PO43- menjadi polifosfat ATP yang dihasilkan oleh DPB dalam keadaan anaerobik melalui rantaian pengangkutan elektron melebihi ATP yang dihasilkan dalam keadaan anaerobik melalui penguraian polifosfat dalam badan Oleh itu, fosforus yang diserap dalam keadaan anaerobik adalah lebih besar daripada fosforus yang dibebaskan dalam keadaan anaerobik daripada air sisa.
2. Faktor Utama Yang Mempengaruhi Denitrifikasi dan Penyingkiran Fosfor
2.1 Karbon-kepada-Nisbah Nitrogen
Menurut teori penyingkiran fosforus tradisional, kehadiran sumber karbon dalam zon anoksik atau nitrat dalam zon anaerobik membawa kepada persaingan antara bakteria denitrifikasi dan DPB untuk nitrogen penerima elektron nitrat atau untuk sumber karbon, sekali gus mengurangkan kelebihan terpilih DPB dan menjejaskan kecekapan penyingkiran fosforus. Ini memerlukan nisbah karbon-kepada-nitrogen yang sesuai dalam influen. Walau bagaimanapun, penyelidikan oleh Ahn J. et al. menunjukkan bahawa dalam keadaan anaerobik/aerobik (A/O), penyesuaian jangka panjang-sumber karbon dan sejumlah kecil nitrat yang memasuki zon anaerobik menggalakkan pengayaan DPB, dan DPB boleh mengekalkan kapasiti pengambilan fosforus anoksiknya di bawah keadaan A/O. Dari perspektif mikrobiologi, terdapat dua penjelasan: satu ialah DPB secara langsung menggunakan sumber karbon dalam zon anaerobik melalui kitaran asid trikarboksilik (TCA); yang lain ialah DPB mengoksidakan sumber karbon semasa tempoh anaerobik melalui kitaran TCA untuk mendapatkan kuasa pengurangan dan tenaga untuk mengumpul asid polihidroksialkanoik, dan bertahan semasa tempoh aerobik. Tiada laporan lain telah diterbitkan mengenai ciri fisiologi DPB dalam hal ini.
2.2 Kaedah Pengdosan Nitrat
Terdapat dua kaedah untuk menambah nitrat dalam zon anoksik: penambahan serta-merta dan penambahan berterusan. Penambahan berterusan sedikit lebih berkesan dan juga mengelakkan pengumpulan nitrit. Mengenai kesan masa penambahan berterusan pada kadar pengambilan fosforus, Zou Hua et al. menunjukkan bahawa kadar pengambilan fosforus adalah lebih tinggi apabila masa penambahan berterusan adalah 2 jam berbanding dengan masa 3.5 jam. Walau bagaimanapun, pada masa ini tiada laporan mengenai hubungan khusus antara kadar penambahan dan kadar pengambilan fosforus. Lebih banyak dokumen teknikal boleh didapati di Rangkaian Kejuruteraan Rawatan Air Sisa China.
2.3 SRT
DPB berkembang lebih perlahan di bawah keadaan A/A berbanding di bawah keadaan A/O. SRT yang terlalu pendek akan menyebabkan DPB dalam reaktor tersingkir, manakala SRT yang terlalu lama akan menyebabkan enapcemar menjadi tua dan kandungan fosforus berkurangan. Merzouki M. melaporkan bahawa kecekapan penyingkiran fosforus sistem penyingkiran fosforus denitrifikasi SBR adalah 1.8 kali lebih tinggi apabila SRT adalah 15 hari berbanding ketika 7.5 hari. Untuk proses enapcemar berbutir yang digunakan untuk penyingkiran fosforus dan nitrogen, struktur enapcemar adalah kompleks kerana komuniti biologinya yang lebih kaya dan bersepadu. Cara mengimbangi DPB, bakteria terkumpul-polifosfat dan bakteria nitrifikasi melalui umur enapcemar masih tidak pasti.
2.4 Nitrit
Pada masa ini, terdapat dua pendapat mengenai sama ada nitrit menghalang pengambilan fosforus, dan pendapat ini berdasarkan subjek penyelidikan yang berbeza. Menggunakan enap cemar yang belum mengalami denitrifikasi dan penyesuaian penyingkiran fosforus sebagai subjek penyelidikan, keputusan secara konsisten menunjukkan bahawa kepekatan nitrit yang melebihi tahap kritikal menghalang pengambilan fosforus. Eksperimen oleh Wang Ya-yi et al. menunjukkan bahawa pengambilan fosforus dihalang apabila kepekatan nitrit melebihi 15 mg/L, manakala eksperimen oleh Meinhold J. et al. menunjukkan bahawa kepekatan nitrit kritikal ialah 5-8 mg/L. Walau bagaimanapun, menggunakan enap cemar yang telah mengalami denitrifikasi dan penyesuaian penyingkiran fosforus kerana subjek penyelidikan menghasilkan keputusan yang berbeza. Percubaan Hu JY menunjukkan bahawa sebagai tambahan kepada bakteria terkumpul polifosfat{13}}dan DPB yang diiktiraf secara meluas, kumpulan ketiga PPB juga wujud. PPB ini boleh menggunakan nitrit sebagai penerima elektron untuk pengambilan fosforus. Tambahan pula, eksperimen menunjukkan bahawa apabila kepekatan nitrit awal kurang daripada 115 mg/L, tiada perencatan ketara terhadap pengambilan fosforus. Kepekatan nitrit dalam loji rawatan air sisa domestik jelas jauh di bawah kepekatan kritikal ini, jadi ia tidak akan menjejaskan penyingkiran fosforus biologi. Banyak faktor lain mempengaruhi penyingkiran fosforus denitrifikasi, seperti suhu (DPB amat sensitif terhadap suhu, terutamanya suhu rendah) dan kation (Mg2+ dan K+). Pada masa ini, terdapat sedikit penyelidikan mengenai aspek ini, dan interaksi antara pelbagai faktor meningkatkan kesukaran penyelidikan.
3. Pendekatan Baru untuk Mencapai Penyingkiran Fosfor Denitrifikasi
Proses penyingkiran fosforus denitrifikasi tipikal tradisional termasuk: ① Proses Anaerobik/Anoksik dan Nitrifikasi (A2N). Proses ini ialah proses penyingkiran fosforus denitrifikasi enapcemar dwi-di mana bakteria nitrifikasi dan DPB ditanam secara berasingan dalam sistem enapcemar yang berbeza, mengasingkan sepenuhnya bakteria nitrifikasi daripada DPB. Proses A2N paling sesuai untuk situasi dengan nisbah karbon dan nitrogen yang rendah. ② Proses Dephanox. Apabila kandungan karbon dan nitrogen influen adalah tinggi, tangki pengudaraan perlu ditambah selepas tangki anoksik dalam proses A2N, seterusnya membentuk proses DEPHANOX.
③Proses BCFS. Proses ini adalah proses UCT yang diubah suai. Prinsip reka bentuk proses UCT adalah berdasarkan peningkatan kejuruteraan bagi keadaan persekitaran yang diperlukan oleh bakteria terkumpul-polifosfat, manakala pembangunan BCFS adalah untuk mewujudkan keadaan pengayaan untuk DPB daripada perspektif proses. Baru-baru ini, terdapat satu kejayaan dalam penyelidikan mengenai aplikasi teknologi penyingkiran fosforus denitrifikasi. Unit yang memerlukan rawatan air sisa juga boleh merujuk syarikat yang mempunyai pengalaman rawatan air sisa yang serupa pada platform perkhidmatan projek Wastewater Treasure.
3.1 AOA-Kaedah SBR
Proses anaerobik/anoksik/aerobik (A2O) ialah satu bentuk biasa penyingkiran nitrogen dan fosforus. Ia beroperasi terutamanya melalui metabolisme polifosfat-bakteria terkumpul, bakteria nitrifikasi dan bakteria denitrifikasi. Oleh itu, peredaran cecair yang mengandungi nitrat dan nitrit adalah penting dalam proses ini. Tsuneda S. et al. mencadangkan proses anaerobik/aerobik/anoksik (AOA) dalam SBR (Self-Reaktor Biokimia), yang menggunakan sepenuhnya ciri DPB (difosfat polifosfat) untuk membuang nitrogen dan fosforus secara serentak dalam keadaan anoksik dan tanpa sumber karbon. Ini membolehkan denitrifikasi berlaku dalam bahagian anoksik tanpa sumber karbon, menghapuskan keperluan untuk peredaran antara tangki aerobik dan anoksik, sekali gus mencapai penyingkiran nitrogen dan fosforus serentak dalam satu SBR. Eksperimen juga telah menunjukkan bahawa proses ini boleh mencapai kesan penyingkiran nitrogen dan fosforus yang sangat baik apabila merawat air sisa sintetik dengan nisbah karbon-ke-nitrogen di bawah 10, dengan purata kadar penyingkiran nitrogen dan fosforus masing-masing sebanyak 83% dan 92%. Proses ini bukan sahaja memperkayakan DPB tetapi juga menjadikan DPB memainkan peranan utama dalam penyingkiran fosforus dan nitrogen. Keputusan percubaan menunjukkan bahawa DPB menyumbang 44% daripada jumlah bakteria terkumpul-polifosfat dalam proses-SBR AOA, yang jauh lebih tinggi daripada proses A/O-SBR (13%) dan A2O (21%) konvensional.
Proses AOA-SBR mempunyai dua ciri utama: ① Jumlah sumber karbon yang sesuai ditambah pada permulaan fasa aerobik untuk menghalang pengambilan fosforus aerobik. Dalam eksperimen ini, jumlah optimum sumber karbon yang ditambah semasa fasa aerobik ialah 40 mg/L.
② Dalam proses ini, nitrit boleh bertindak sebagai penerima elektron untuk pengambilan fosforus.
3.2 Proses Enapcemar Berbutir
Enapcemar berbutir untuk penyingkiran nitrogen dan fosforus kini masih dalam peringkat penyelidikan. Berbanding dengan proses enap cemar konvensional, enap cemar berbutir aerobik mempunyai prestasi pengendapan yang lebih baik, kepekatan biojisim yang lebih tinggi, dan kandungan lembapan enap cemar yang lebih rendah. Dengan penggunaan enap cemar berbutir, masalah yang wujud dalam enap cemar konvensional (seperti pukal enap cemar, jejak besar struktur rawatan, dan pembebasan fosforus sekunder daripada penjernih) boleh diatasi. Eksperimen oleh Dulekgurgen E. et al. menunjukkan bahawa enap cemar berbutir mempunyai biojisim yang stabil, dengan kadar penyingkiran COD, fosforus, dan nitrogen masing-masing sebanyak 95%, 99.6% dan 71%. Keputusan penyelidikan domestik adalah konsisten dengan penemuan ini, dan enapcemar berbutir aerobik mempunyai keupayaan penyahtelan dan penyingkiran fosforus. Disebabkan oleh struktur unik enap cemar berbutir dan kehadiran kecerunan resapan oksigen, ia menyediakan persekitaran untuk kewujudan bersama{10}bakteria terkumpul polifosfat, bakteria nitrifikasi dan DPB. Sejumlah besar DPB dan bakteria nitrifikasi terkumpul dalam enapcemar berbutir; eksperimen oleh Yang Guojing et al. menunjukkan bahawa DPB menyumbang 73.1% daripada semua{14}}bakteria terkumpul polifosfat dalam enap cemar berbutir. Penanaman enap cemar berbutir adalah lebih sukar daripada penanaman enap cemar biasa, dan faktor-faktor yang mempengaruhi adalah agak kompleks.
Sebagai tambahan kepada faktor-faktor yang mempengaruhi yang biasa berlaku kepada penyahtelan enap cemar biasa dan penyingkiran fosforus, enapcemar berbutir mempunyai faktor pengaruhnya yang tersendiri: ① Interaksi antara kepekatan DO dan saiz zarah mempunyai kesan yang ketara ke atas kecekapan pendenitrifikasian dan penyingkiran fosforus. Sekiranya saiz zarah terlalu kecil, penembusan oksigen agak kuat, menjejaskan pembentukan zon anoksik, yang membawa kepada ketidakupayaan untuk mencapai penyingkiran denitrifikasi dan fosforus.
② Mengekalkan nisbah nitrogen-kepada-fosforus yang sesuai adalah penting untuk butiran enap cemar dan kapasiti penyingkiran fosforus. Apabila nisbah nitrogen-kepada-fosforus meningkat daripada 2.36 kepada 4.0, kadar penyingkiran fosforus berkurangan daripada 85.0% kepada 54.1%. ③ Eksperimen oleh Lin Y-M et al. menunjukkan hubungan rapat antara saiz zarah dan fosforus-ke-nisbah jisim karbon. Nisbah jisim fosforus{15}}kepada{16}}karbon yang tinggi boleh menghasilkan zarah yang lebih kecil dengan struktur yang lebih padat, sekali gus mengurangkan SVI dan menggalakkan pengumpulan polifosfat{17}}bakteria terkumpul.
3.3 Proses Biofilem Kelompok Penjujukan Airlift Peredaran Dalaman
Proses biofilm kumpulan penjujukan pengangkat udara peredaran dalaman (SBBR) direka terutamanya untuk penyingkiran fosforus dan nitrogen bersepadu. Kajian oleh Zhang ZY et al. menunjukkan bahawa SBBR pengangkat udara peredaran dalaman mencapai kadar penyingkiran nitrogen dan fosforus yang stabil. Kadar penyingkiran COD, N dan P di bawah ketumpatan pembungkusan optimum dan beban organik masing-masing ialah 95.3%±3.3%, 94.6%±4.1%, dan 73.1%±8.3%. Reaktor dibahagikan kepada dua zon dengan pembahagian-zon aerobik dan zon refluks. Bakteria nitrifikasi dan bakteria terkumpul polifosfat aerobik{14}}terutama ditemui di zon aerobik, manakala DPB ditemui di zon refluks. Semasa tempoh anaerobik, DPB dalam zon refluks dan{16}}bakteria terkumpul polifosfat dalam zon aerobik menyerap substrat organik; semasa tempoh aerobik/anoksik, bakteria nitrifikasi dalam zon aerobik menghasilkan NO3- dan NO2- untuk menyediakan penerima elektron bagi pengambilan fosforus DPB, sekali gus menyingkirkan nitrogen dan fosforus. Penyingkiran enapcemar adalah faktor penting yang mempengaruhi penyingkiran fosforus, yang boleh dicapai dengan melaraskan ketumpatan pembungkusan gentian. SBBR konvensional mempunyai kecekapan penyingkiran nitrogen dan fosforus yang lemah, terutamanya disebabkan oleh persaingan untuk oksigen dan nutrien antara bakteria nitrifikasi dan bakteria heterotrofik dalam biofilm. Berbanding dengan SBBR konvensional, SBBR peredaran udara dalaman mengelakkan persaingan ini; berbanding dengan proses enapcemar teraktif konvensional, reaktor ini menjimatkan tenaga dan pelaburan.
4. Tinjauan
Keputusan awal telah dicapai dalam penyelidikan teknologi penyingkiran fosforus denitrifikasi di dalam dan di luar negara, dan teknologi telah berkembang daripada penyelidikan asas kepada aplikasi kejuruteraan. Pada masa ini, pemahaman kami tentang struktur dan fungsi komuniti mikrob dalam sistem penyingkiran fosforus denitrifikasi masih terhad. Struktur komuniti mikrob berbeza dengan ketara antara sistem yang berbeza, dan komuniti mikrob dalam sistem yang sama juga sangat kompleks. Teknik biologi molekul boleh digunakan untuk mengesan dinamik komuniti mikrob dan mengenal pasti kumpulan berfungsi, mendedahkan hubungan antara struktur dan fungsi komuniti mikrob, dengan itu membolehkan kawalan kejuruteraan rawatan biologi yang lebih baik. Teknik biologi molekul yang digunakan dalam penyingkiran fosforus biologi termasuk tindak balas rantai polimerase (PCR), polimorfisme panjang serpihan sekatan (RFLP), dan teknik probe oligonukleotida. Kajian umumnya menganggap polifosfat-bakteria terkumpul (PAB) adalah daripada kumpulan Rhodocyclus dan Dechlorimonas -Proteobacteria. Satoshi T. et al. menggunakan RFLP untuk mengkaji ciri{10}bakteria terkumpul polifosfat (DPB), menunjukkan bahawa DPB ialah Thaurera mechrnichensis dan Azoarcus tolulyticus daripada kumpulan Rhodocyclus. Kita perlu mengintegrasikan rapat mikrobiologi dan kejuruteraan sistem penyingkiran fosforus denitrifikasi. Melalui pengesanan mikrob dan kajian ekologi, kami boleh menganalisis dan menentukan kuantiti dan struktur komuniti DPB dalam sistem, memahami cara parameter operasi mempengaruhi ciri, taburan ketumpatan populasi, dan taburan ruang PPB, bakteria nitrifikasi, dan DPB, dengan itu mencapai peningkatan buatan bagi sistem penyingkiran fosforus denitrifikasi, dan mengoptimumkan proses pembangunan teknologi dan,.