1. Механизам за уклањање фосфора денитрификацијом
Бактерије високе{0}}киселине разлажу велике органске молекуле у ниско{1}}молекуларне-масне киселине у анаеробним условима. ДПБ (Дестилована биота бизмута) разлаже полифосфате у својим ћелијама у анаеробним условима да би створио АТП, апсорбујући масне киселине путем активног транспорта и синтетизујући поли( -хидроксибутират) (ПХБ), док истовремено ослобађа ПО43-. Након акумулације великих количина ПХБ, ДПБ улази у анаеробно стање, користећи НО3- као акцептор електрона за оксидацију ПХБ. Користи разградњу ПХБ да генерише енергију и обезбеди редукујућу снагу (никотинамид аденин динуклеотид (НАДХ), и користи НАДХ+Х+ као носилац ланца транспорта електрона да уклони протоне, формирајући тако протонску силу. Ова сила вођена протонима преноси АТП ПО43- изван тела, где синтетизује АТП у тело полимеризација вишка ПО43- у полифосфате. АТП произведен од стране ДПБ-а у анаеробним условима је већи од АТП-а произведеног у анаеробним условима кроз разлагање полифосфата у телу унос фосфора из отпадних вода.
2. Главни фактори који утичу на денитрификацију и уклањање фосфора
2.1 Однос угљеника-према-азоту
Према традиционалној теорији уклањања фосфора, присуство извора угљеника у аноксичној зони или нитрата у анаеробној зони доводи до конкуренције између денитрификујућих бактерија и ДПБ за азот нитрата акцептора електрона или за изворе угљеника, чиме се смањује селективна предност ДПБ и утиче на ефикасност уклањања фосфора. Ово захтева одговарајући однос угљеника-према-азоту у инфлуенту. Међутим, истраживање Ахн Ј. ет ал. показује да под анаеробним/аеробним (А/О) условима, дуготрајна-аклиматизација извора угљеника и мала количина нитрата који улазе у анаеробну зону промовишу обогаћивање ДПБ-а, а ДПБ може да одржи свој капацитет апсорпције аноксичног фосфора под А/О условима. Из микробиолошке перспективе, постоје два објашњења: једно је да ДПБ директно користи изворе угљеника у анаеробној зони кроз циклус трикарбоксилне киселине (ТЦА); други је да ДПБ оксидира изворе угљеника током анаеробног периода кроз ТЦА циклус да би добио редукујућу снагу и енергију за акумулацију полихидроксиалканске киселине, и преживљава током аеробног периода. Нису објављени други извештаји у вези са физиолошким карактеристикама ДПБ у овом погледу.
2.2 Методе дозирања нитрата
Постоје две методе за додавање нитрата у аноксичну зону: тренутно додавање и континуирано додавање. Континуирано додавање је нешто ефикасније и такође избегава акумулацију нитрита. Што се тиче утицаја непрекидног времена додавања на брзину узимања фосфора, Зоу Хуа ет ал. показало је да је стопа узимања фосфора већа када је време непрекидног додавања било 2 сата него када је било 3,5 сата. Међутим, тренутно нема извештаја о специфичном односу између стопе додавања и стопе узимања фосфора. Више техничке документације може се наћи на Кинеској мрежи инжењеринга за третман отпадних вода.
2.3 СРТ
ДПБ расте спорије под А/А условима него у А/О условима. Прекратак СРТ ће узроковати елиминацију ДПБ у реактору, док ће предугачак СРТ узроковати старење муља и смањење садржаја фосфора. Мерзоуки М. је известио да је ефикасност уклањања фосфора СБР денитрификационог система за уклањање фосфора била 1,8 пута већа када је СРТ био 15 дана него када је био 7,5 дана. За процесе грануларног муља који се користе за уклањање фосфора и азота, структура муља је сложена због богатије и интегрисаније биолошке заједнице. Како уравнотежити ДПБ, бактерије које-акумулирају полифосфате и нитрификујуће бактерије кроз старост муља остаје неизвесно.
2.4 Нитрити
Тренутно постоје два мишљења о томе да ли нитрит инхибира узимање фосфора, а та мишљења су заснована на различитим предметима истраживања. Коришћењем муља који није прошао денитрификацију и аклиматизацију уклањања фосфора као предмет истраживања, резултати доследно показују да концентрације нитрита које прелазе критични ниво инхибирају унос фосфора. Експерименти Ванг Ја{2}}ија и др. су показали да је апсорпција фосфора инхибирана када концентрација нитрита пређе 15 мг/Л, док експерименти Меинхолд Ј. ет ал. показало да је критична концентрација нитрита 5-8 мг/Л. Међутим, коришћење муља који је подвргнут денитрификацији и аклиматизацији уклањања фосфора као предмет истраживања даје различите резултате. Експерименти Ху ЈИ су показали да поред широко признатих бактерија које акумулирају полифосфат{13}}(ПАБ) и ДПБ-а, постоји и трећа група ППБ. Ови ППБ могу да користе нитрит као акцептор електрона за унос фосфора. Штавише, експерименти су показали да када је почетна концентрација нитрита била мања од 115 мг/Л, није дошло до значајне инхибиције узимања фосфора. Концентрација нитрита у постројењима за пречишћавање кућних отпадних вода је очигледно далеко испод ове критичне концентрације, тако да неће негативно утицати на биолошко уклањање фосфора. Многи други фактори утичу на уклањање денитрификационог фосфора, као што су температура (ДПБ је посебно осетљив на температуру, посебно ниске температуре) и катјони (Мг2+ и К+). Тренутно је мало истраживања о овим аспектима, а интеракције између различитих фактора повећавају потешкоће истраживања.
3. Нови приступи постизању уклањања фосфора у денитрификацији
Традиционални типични процеси уклањања фосфора за денитрификацију укључују: ① Анаеробни/аноксични и нитрификациони (А2Н) процес. Овај процес је двоструки-процес уклањања фосфора за денитрификацију муља где се нитрификујуће бактерије и ДПБ култивишу одвојено у различитим системима муља, потпуно одвајајући нитрификујуће бактерије од ДПБ. А2Н процес је најпогоднији за ситуације са ниским односом угљеника и азота. ② Депханок процес. Када је садржај угљеника и азота висок, аерациони резервоар треба додати након аноксичног резервоара у А2Н процесу, чиме се формира ДЕПХАНОКС процес.
③БЦФС процес. Овај процес је модификовани УЦТ процес. Принцип дизајна УЦТ процеса заснива се на инжењерском побољшању услова околине које захтевају бактерије које акумулирају полифосфат-, док развој БЦФС треба да створи услове за обогаћивање ДПБ-а из перспективе процеса. Недавно је дошло до искора у истраживању примене технологије денитрификационог уклањања фосфора. Јединице којима је потребан третман отпадних вода такође могу консултовати компаније са сличним искуством у пречишћавању отпадних вода на платформи услуге пројекта Треасуре отпадних вода.
3.1 АОА-СБР метода
Анаеробни/аноксични/аеробни (А2О) процес је уобичајен облик уклањања азота и фосфора. Углавном делује путем метаболизма бактерија које акумулирају полифосфат-, нитрификујућих бактерија и денитрификујућих бактерија. Због тога је циркулација течности која садржи нитрате и нитрите неопходна у овом процесу. Тсунеда С. ет ал. предложио анаеробни/аеробни/аноксични (АОА) процес у СБР (Селф-Биоцхемицал Реацтор), који у потпуности користи карактеристике ДПБ (дифосфат полифосфат) за истовремено уклањање азота и фосфора у аноксичним условима и без извора угљеника. Ово омогућава да се денитрификација деси у аноксичном делу без извора угљеника, елиминишући потребу за циркулацијом између аеробних и аноксичних резервоара, чиме се постиже истовремено уклањање азота и фосфора у једном СБР-у. Експерименти су такође показали да овај процес може да постигне одличне ефекте уклањања азота и фосфора када се третира синтетичка отпадна вода са односом угљеника-према-азоту испод 10, са просечним стопама уклањања азота и фосфора од 83% и 92%, респективно. Овај процес не само да обогаћује ДПБ већ и чини да ДПБ игра главну улогу у уклањању фосфора и азота. Експериментални резултати показују да ДПБ чини 44% од укупног броја бактерија које акумулирају полифосфат-у АОА-СБР процесу, што је знатно више од конвенционалних А/О-СБР (13%) и А2О процеса (21%).
АОА-СБР процес има две кључне карактеристике: ① Одговарајућа количина извора угљеника се додаје на почетку аеробне фазе да би се инхибирала аеробна апсорпција фосфора. У овом експерименту, оптимална количина извора угљеника додата током аеробне фазе била је 40 мг/Л.
② У овом процесу, нитрит може да делује као акцептор електрона за унос фосфора.
3.2 Процес грануларног муља
Зрнасти муљ за уклањање азота и фосфора је тренутно још у фази истраживања. У поређењу са конвенционалним процесима муља, аеробни гранулирани муљ има боље перформансе таложења, већу концентрацију биомасе и нижи садржај влаге у муљу. Применом гранулисаног муља могу се превазићи проблеми који постоје у конвенционалном муљу (као што је накупљање муља, велики отисак структура за третман и секундарно ослобађање фосфора из таложника). Експерименти Дулекгурген Е. ет ал. показала је да гранулирани муљ има стабилну биомасу, са стопама уклањања ЦОД-а, фосфора и азота од 95%, 99,6% и 71%, респективно. Резултати домаћих истраживања су у складу са овим налазима, а аеробни зрнасти муљ поседује способност денитрификације и уклањања фосфора. Због јединствене структуре гранулисаног муља и присуства градијента дифузије кисеоника, он обезбеђује окружење за коегзистенцију бактерија које акумулирају полифосфат{10}}, нитрификујућих бактерија и ДПБ. Велике количине ДПБ и нитрификујућих бактерија се акумулирају у гранулираном муљу; експерименти Јанга Гуојинга и др. показало је да ДПБ чини 73,1% свих бактерија које-акумулирају полифосфат у гранулираном муљу. Узгајање зрнастог муља је теже од узгоја обичног муља, а фактори утицаја су релативно сложени.
Поред утицајних фактора заједничких за обичну денитрификацију муља и уклањање фосфора, гранулирани муљ има своје јединствене факторе утицаја: ① Интеракција између концентрације ДО и величине честица има значајан утицај на денитрификацију и ефикасност уклањања фосфора. Ако је величина честица премала, пенетрација кисеоника је релативно јака, што утиче на формирање аноксичне зоне, што доводи до немогућности постизања денитрификације и уклањања фосфора.
② Одржавање одговарајућег односа азота-на-фосфора је кључно за гранулацију муља и капацитет уклањања фосфора. Када се однос азота-према-фосфору повећа са 2,36 на 4,0, стопа уклањања фосфора се смањује са 85,0% на 54,1%. ③ Експерименти Лин И-М ет ал. показао блиску везу између величине честица и масеног односа фосфора-на-угљеник. Висок масени однос фосфора{15} према-угљенику може резултирати мањим честицама са компактнијом структуром, чиме се смањује СВИ и подстиче акумулација бактерија које акумулирају полифосфат{17}.
3.3 Интерна циркулација Аирлифт Секуенцинг Батцх Биофилм процес
Интерни циркулациони ваздушни процес секвенционирања биофилма (СББР) је углавном дизајниран за интегрисано уклањање фосфора и азота. Студије Зханг ЗИ ет ал. показало је да ваздушни лифт са унутрашњом циркулацијом СББР постиже стабилне брзине уклањања азота и фосфора. Стопе уклањања ЦОД, Н и П под оптималном густином паковања и органским оптерећењем биле су 95,3%±3,3%, 94,6%±4,1% и 73,1%±8,3%, респективно. Реактор је подељен на две зоне преградом-аеробна зона и рефлукс зона. Бактерије које акумулирају нитрификацију и аеробне полифосфате-бактерије се углавном налазе у аеробној зони, док се ДПБ налази у зони рефлукса. Током анаеробног периода, ДПБ у зони рефлукса и бактерије које акумулирају полифосфат-у аеробној зони апсорбују органски супстрат; током аеробног/аноксичног периода, нитрификујуће бактерије у аеробној зони производе НО3- и НО2- да обезбеде акцепторе електрона за унос фосфора ДПБ, уклањајући тако азот и фосфор. Уклањање муља је кључни фактор који утиче на уклањање фосфора, што се може постићи подешавањем густине паковања влакана. Конвенционални СББР имају слабу ефикасност уклањања азота и фосфора, углавном због конкуренције за кисеоник и хранљиве материје између нитрификујућих бактерија и хетеротрофних бактерија унутар биофилма. У поређењу са конвенционалним СББР, ваздушни лифт са унутрашњом циркулацијом СББР избегава ову конкуренцију; у поређењу са конвенционалним процесима са активним муљем, овај реактор штеди енергију и инвестиције.
4. Оутлоок
Прелиминарни резултати су постигнути у истраживању технологије уклањања фосфора денитрификацијом како у земљи тако и у иностранству, а технологија је напредовала од основних истраживања до инжењерске примене. Тренутно је наше разумевање структуре и функције микробне заједнице у системима за уклањање фосфора у денитрификацији још увек ограничено. Структура микробне заједнице значајно варира између различитих система, а микробна заједница унутар истог система је такође веома сложена. Технике молекуларне биологије могу се користити за праћење динамике микробне заједнице и идентификацију функционалних група, откривајући однос између структуре и функције микробне заједнице, чиме се омогућава боља контрола инжењеринга биолошког третмана. Технике молекуларне биологије које се користе у биолошком уклањању фосфора укључују ланчану реакцију полимеразе (ПЦР), полиморфизам дужине рестрикционог фрагмента (РФЛП) и технике олигонуклеотидне сонде. Студије генерално сматрају да су бактерије које акумулирају полифосфате- (ПАБ) из Рходоцицлус и Децхлоримонас група -протеобактерија. Сатосхи Т. ет ал. користио РФЛП за проучавање карактеристика бактерија које акумулирају полифосфат{10}} (ДПБ), што указује да су ДПБ Тхаурера мецхрницхенсис и Азоарцус толулитицус из групе Рходоцицлус. Морамо блиско интегрисати микробиологију и инжењеринг система за уклањање фосфора у денитрификацији. Кроз детекцију микроба и еколошке студије, можемо анализирати и одредити количину и структуру заједнице ДПБ-а у систему, разумети како радни параметри утичу на карактеристике, дистрибуцију густине популације и просторну дистрибуцију ППБ-а, нитрификујућих бактерија и ДПБ-а, чиме се постиже вештачко побољшање процеса уклањања денихоруса и развој нових система за уклањање денитрификације и јачање нових система за уклањање пхосп. технологије.