Bahan pencemar nitrogen dan fosforus yang berlebihan dalam badan air adalah punca utama masalah persekitaran air seperti eutrofikasi, bunga alga, dan air pasang merah, yang membawa kepada beberapa siri isu termasuk kemerosotan kualiti air, ketidakseimbangan ekosistem akuatik dan ancaman kepada keselamatan air minuman. Berbanding dengan proses rawatan kimia dan fizikal, teknologi penyingkiran nitrogen dan fosforus biologi telah menjadi proses teras untuk rawatan air sisa termaju dalam loji rawatan air sisa semasa kerana kelebihannya seperti kesan rawatan yang stabil, kos operasi yang rendah, tiada pencemaran sekunder, dan kebolehsuaian kepada senario rawatan air sisa perbandaran dan industri. Prinsip teras penyingkiran nitrogen biologi dan fosforus dalam air sisa adalah untuk menggunakan aktiviti metabolik mikroorganisma berfungsi yang berbeza dalam persekitaran anaerobik, anoksik dan aerobik berselang-seli terkawal untuk menukar secara beransur-ansur bahan pencemar seperti nitrogen organik, nitrogen ammonia dan jumlah fosforus dalam air buangan kepada bahan gas yang terlepas atau pepejal ke dalam air, terlarut di sana. penyucian.
I. Prinsip Teras Penyingkiran Nitrogen Biologi daripada Air Kumbahan
Nitrogen dalam air sisa wujud dalam bentuk yang kompleks, terutamanya termasuk nitrogen organik, nitrogen ammonia, nitrogen nitrit, dan nitrogen nitrat. Penyingkiran nitrogen biologi bukan satu proses tindak balas, sebaliknya satu-tindak balas biokimia mikrob tiga langkah-ammoniasi, nitrifikasi dan denitrifikasi-yang akhirnya menukarkan pelbagai bentuk nitrogen kepada gas nitrogen, mengeluarkannya daripada badan air dan mencapai jumlah penyingkiran nitrogen. Keseluruhan proses bergantung pada aktiviti metabolik komuniti bakteria yang berbeza dalam persekitaran khusus mereka.
(I) Tindak balas Ammoniasi (Penukaran Nitrogen Organik)
Di bawah keadaan aerobik atau anaerobik, bahan pencemar nitrogen organik dalam air buangan, seperti protein, urea dan asid amino, dihidrolisiskan dan dioksidakan kepada nitrogen ammonia tak organik (NH₃-N) melalui penguraian dan metabolisme bakteria ammonifying. Tindak balas ini ialah pra-tindak balas asas penyingkiran nitrogen biologi, sangat mudah disesuaikan dengan persekitaran dan tidak memerlukan kawalan ketat terhadap parameter seperti oksigen terlarut dan suhu, membolehkannya berjalan dengan lancar di bawah keadaan rawatan air sisa konvensional. Proses tindak balas menukar nitrogen organik kompleks kepada nitrogen tak organik ringkas, menyediakan substrat untuk tindak balas nitrifikasi dan denitrifikasi seterusnya, dan merupakan langkah pertama dalam penyingkiran nitrogen.
(II) Nitrifikasi (Pengoksidaan Nitrogen Ammonia)
Nitrifikasi ialah tindak balas pengoksidaan yang didominasi oleh mikroorganisma autotrof aerobik, yang terdiri daripada dua peringkat: nitrifikasi dan nitrifikasi. Oksigen yang mencukupi diperlukan sepanjang proses, dan mikroorganisma mempamerkan kadar pertumbuhan yang perlahan, kitaran penjanaan yang panjang, dan kepekaan yang tinggi terhadap suhu persekitaran, pH, dan oksigen terlarut. Peringkat pertama ialah nitrifikasi, di mana bakteria nitrifikasi mengoksidakan nitrogen ammonia kepada nitrogen nitrit; peringkat kedua ialah nitrifikasi, di mana bakteria nitrifikasi terus mengoksidakan nitrogen nitrit kepada nitrogen nitrat yang stabil.
Bakteria nitrifikasi adalah autotrof, bermakna mereka tidak menggunakan bahan pencemar organik dalam air sisa. Sebaliknya, mereka menggunakan tenaga kimia yang dihasilkan daripada pengoksidaan nitrogen ammonia sebagai sumber tenaga untuk membetulkan karbon dioksida dan mensintesis bahan mereka sendiri. Proses ini merupakan langkah pengoksidaan utama dalam penyingkiran nitrogen, merealisasikan penukaran nitrogen pengurangan kepada nitrogen pengoksidaan dan menyediakan substrat tindak balas untuk denitrifikasi berikutnya.
(III) Denitrifikasi (Penyingkiran Nitrogen Nitrat)
Denitrifikasi ialah tindak balas pengurangan yang didominasi oleh mikroorganisma heterotropik anaerobik dan merupakan langkah teras terakhir dalam penyingkiran nitrogen biologi. Dalam persekitaran anaerobik yang kekurangan oksigen molekul tetapi mengandungi nitrogen nitrat, bakteria denitrifikasi menggunakan sumber karbon organik dalam air sisa sebagai penderma elektron untuk mengurangkan secara beransur-ansur nitrogen nitrat dan nitrogen nitrit yang dihasilkan dalam tindak balas nitrifikasi, akhirnya menghasilkan gas nitrogen (N₂) yang terlepas ke permukaan air, menyingkirkan nitrogen sepenuhnya daripada air sisa.
Proses denitrifikasi mesti betul-betul membezakan antara persekitaran anaerobik dan anoksik: persekitaran anaerobik kekurangan oksigen molekul tetapi mengandungi oksigen gabungan (nitrogen nitrat), membenarkan tindak balas denitrifikasi berlaku secara normal; manakala persekitaran anaerobik kekurangan oksigen gabungan, menghalang tindak balas denitrifikasi. Pada masa yang sama, sumber karbon organik adalah syarat teras untuk penyahtelan; sumber karbon yang tidak mencukupi secara langsung membawa kepada penurunan ketara dalam kecekapan penyingkiran nitrogen. Dalam kejuruteraan praktikal, penambahan dengan sumber karbon eksogen sering digunakan untuk memastikan keberkesanan penyingkiran nitrogen.
II. Prinsip Teras Penyingkiran Fosforus Biologi daripada Air Kumbahan
Kumpulan bakteria berfungsi teras untuk penyingkiran fosforus biologi ialah polifosfat-bakteria terkumpul (PAO). Mikroorganisma ini mempunyai ciri metabolik yang unik, membolehkan mereka melengkapkan kitaran "pelepasan fosforus-pengambilan fosforus" di bawah persekitaran anaerobik dan aerobik yang berselang-seli, akhirnya mencapai jumlah penyingkiran fosforus daripada badan air melalui pembuangan enapcemar berlebihan. Tidak seperti denitrifikasi, penyingkiran fosforus biologi tidak menghasilkan produk sampingan gas. Sebaliknya, ia memejal fosfat dalam air dalam mikroorganisma, melepaskannya sebagai enapcemar.
(I) Peringkat Pembebasan Fosfor Anaerobik
Dalam persekitaran anaerobik yang ketat, bebas daripada oksigen molekul dan nitrogen nitrat, bakteria terkumpul-polifosfat (PAB) tidak boleh menggunakan oksigen luaran untuk respirasi aerobik, mengehadkan sumber tenaga metaboliknya. Dalam keadaan ini, PPA menguraikan polifosfat yang disimpan dalam selnya, membebaskan tenaga untuk menyerap sumber karbon organik-molekul-rendah seperti asid lemak meruap (VFA) daripada air buangan, menukarkannya kepada polihidroksialkanoat (PHA) untuk disimpan dalam sel. Semasa proses ini, fosfat intraselular dilepaskan ke dalam air sisa, menyebabkan peningkatan seketika dalam kandungan fosforus air-ini ialah proses pembebasan fosforus anaerobik.
(II) Peringkat Penyerapan Fosforus Lebihan Aerobik
Apabila persekitaran bertukar kepada keadaan aerobik, PPA tidak lagi menyerap sumber karbon organik sebaliknya menguraikan PHA yang disimpan dalam peringkat anaerobik, memperoleh sejumlah besar tenaga melalui pengoksidaan dan penguraian bahan organik. Menggunakan tenaga ini, polifosfat-bakteria terkumpul (PAC) secara berlebihan menyerap fosfat daripada air sisa, jauh melebihi jumlah yang dibebaskan semasa peringkat anaerobik. Lebihan fosfat kemudiannya disimpan di dalam sel sebagai polifosfat, mencapai pengayaan fosforus dan penyingkiran dari air.
Akhirnya, PAC yang kaya fosforus-mendap dengan enap cemar dan dialih keluar sepenuhnya daripada sistem air sisa melalui pelepasan enap cemar sisa sistem, sekali gus melengkapkan keseluruhan proses penyingkiran fosforus biologi. Ciri metabolik berselang-seli bagi PAC ialah teras penyingkiran fosforus biologi, dan penukaran persekitaran-aerobik anaerobik yang stabil adalah penting untuk memastikan kecekapan penyingkiran fosforus.
III. Faktor Utama Yang Mempengaruhi Penyingkiran Nitrogen dan Fosforus Biologi
Keberkesanan penyingkiran nitrogen dan fosforus biologi bergantung sepenuhnya kepada aktiviti mikrob. Ciri-ciri metabolik mikroorganisma menentukan parameter kawalan teras operasi proses. Faktor utama yang mempengaruhi termasuk dua kategori: parameter persekitaran dan parameter kualiti air.
1. Oksigen Terlarut: Nitrifikasi dan pengambilan fosforus aerobik memerlukan oksigen terlarut yang mencukupi; denitrifikasi anoksik memerlukan-persekitaran oksigen yang sangat rendah; dan pembebasan fosforus anaerobik memerlukan persekitaran anaerobik mutlak. Gangguan dalam persekitaran oksigen secara langsung akan membawa kepada kegagalan penyingkiran nitrogen dan fosforus.
2. Kandungan Sumber Karbon: Bakteria denitrifikasi dan bakteria terkumpul-polifosfat bergantung pada sumber karbon organik untuk metabolisme. Apabila nisbah karbon-kepada-nitrogen dan karbon-ke-nisbah fosforus air buangan terlalu rendah, sumber karbon eksogen seperti natrium asetat dan glukosa perlu ditambah; jika tidak, penyingkiran nitrogen yang tidak lengkap dan kecekapan penyingkiran fosforus yang rendah akan berlaku.
3. pH dan Suhu: pH optimum untuk bakteria nitrifikasi ialah 7.5-8.5, manakala pH optimum untuk bakteria terkumpul polifosfat ialah 6.5-8.0. Suhu optimum untuk mikroorganisma ialah 20-30 darjah . Suhu rendah akan mengurangkan aktiviti bakteria dan kecekapan rawatan dengan ketara.
4. Umur Enapcemar: Bakteria pengnitriti mempunyai kitaran penjanaan yang panjang, memerlukan umur enapcemar yang lebih lama untuk memastikan kemandirian bakteria. Bakteria terkumpul-polifosfat, sebaliknya, mempunyai umur enapcemar yang lebih pendek; umur enap cemar yang terlalu lama boleh menyebabkan pembebasan fosforus daripada enap cemar. Oleh itu, proses sebenar perlu mengimbangi umur enapcemar untuk memastikan kecekapan penyingkiran nitrogen dan fosforus.
IV. Prinsip Aplikasi Proses Perdana
Berdasarkan prinsip teras penyingkiran nitrogen dan fosforus di atas, industri telah membangunkan pelbagai proses matang, yang kesemuanya bertujuan untuk mewujudkan persekitaran tindak balas anaerobik, anoksik dan aerobik berselang-seli. Proses A²/O ialah proses penyingkiran nitrogen dan fosforus serentak yang paling klasik. Ia secara berurutan melengkapkan pembebasan fosforus dan penyimpanan karbon oleh polifosfat-bakteria terkumpul dalam zon anaerobik, denitrifikasi dalam zon anoksik dan nitrifikasi dan pengambilan fosforus berlebihan oleh polifosfat-bakteria terkumpul dalam zon aerobik. Akhirnya, penyingkiran nitrogen dan fosforus serentak dicapai melalui pemendapan dan pelepasan enap cemar. Selain itu, proses parit A²/O, SBR dan pengoksidaan yang diubah suai semuanya berdasarkan prinsip biokimia teras, mengoptimumkan struktur tangki dan urutan operasi untuk menyesuaikan diri dengan keperluan rawatan kualiti air yang berbeza.
V. Kesimpulan
Intipati penyingkiran nitrogen dan fosforus biologi daripada air sisa adalah untuk menggunakan ciri-ciri metabolik terbeza bagi mikroorganisma berfungsi dan mengawal selia persekitaran akuatik secara buatan untuk mencapai transformasi bahan pencemar nitrogen dan fosforus dan penyingkirannya daripada badan air. Penyingkiran nitrogen bergantung pada tindak balas secara berperingkat bagi ammonifikasi, nitrifikasi dan denitrifikasi untuk mencapai penyingkiran gas, manakala penyingkiran fosforus bergantung pada metabolisme kitaran polifosfat-bakteria terkumpul-pelepasan fosforus anaerobik dan pengambilan fosforus aerobik-pemejalan dan penyingkiran semula. Pemahaman menyeluruh tentang prinsip biokimianya ialah asas teras untuk mengoptimumkan proses rawatan air sisa, meningkatkan kecekapan penyingkiran nitrogen dan fosforus, dan menyelesaikan masalah eutrofikasi dalam badan air. Ia juga menyediakan sokongan teori yang penting untuk penjimatan tenaga, pengurangan pelepasan, dan menaik taraf rawatan air sisa.