Принцип биолошког уклањања азота и фосфора у отпадним водама

Прекомерни загађивачи азота и фосфора у водним тијелима су основни узрок проблема водног окружења као што су еутрофикација, цвјетање алги и црвене плиме, што доводи до низа проблема укључујући погоршање квалитета воде, неравнотежу воденог екосистема и пријетње сигурности воде за пиће. У поређењу са процесима хемијског и физичког третмана, технологија биолошког уклањања азота и фосфора постала је основни процес за напредни третман отпадних вода у тренутним постројењима за пречишћавање отпадних вода због својих предности као што су стабилни ефекти третмана, ниски оперативни трошкови, без секундарног загађења и прилагодљивост сценаријима пречишћавања комуналних и индустријских отпадних вода. Основни принцип биолошког уклањања азота и фосфора у отпадној води је коришћење метаболичких активности различитих функционалних микроорганизама у контролисаној наизменичном анаеробном, аноксичном и аеробном окружењу како би се постепено претварали загађивачи као што су органски азот, амонијачни азот и укупни фосфор у чврсту супстанцу која се претвара у гасовиту супстанцу или талог. испуштају из водног тијела, чиме се постиже пречишћавање воде.

Азот у отпадним водама постоји у сложеним облицима, углавном укључујући органски азот, амонијачни азот, нитритни азот и нитратни азот. Биолошко уклањање азота није појединачни реакциони процес, већ три-биохемијска реакција микроба-амонација, нитрификација и денитрификација-која на крају претвара различите облике азота у гас азота, уклањајући га из воденог тела и постижући потпуно уклањање азота. Цео процес се ослања на метаболичке активности различитих бактеријских заједница у њиховом специфичном окружењу.

(И) Реакција амонијака (конверзија органског азота)

У аеробним или анаеробним условима, органски загађивачи азота у отпадној води, као што су протеини, уреа и аминокиселине, хидролизују се и оксидују у неоргански амонијачни азот (НХ₃-Н) кроз разградњу и метаболизам амонификујућих бактерија. Ова реакција је основна пред-реакција биолошког уклањања азота, веома прилагодљива животној средини и не захтева строгу контролу параметара као што су растворени кисеоник и температура, што јој омогућава да се несметано одвија под конвенционалним условима третмана отпадних вода. Реакциони процес претвара сложени органски азот у једноставан неоргански азот, обезбеђујући супстрате за накнадне реакције нитрификације и денитрификације, и представља први корак у уклањању азота.

(ИИ) Нитрификација (оксидација амонијачног азота)

Нитрификација је реакција оксидације којом доминирају аеробни аутотрофни микроорганизми, која се састоји од две фазе: нитрификације и нитрификације. Током процеса потребно је довољно кисеоника, а микроорганизми показују споре стопе раста, дуге циклусе генерисања и високу осетљивост на температуру околине, пХ и растворени кисеоник. Прва фаза је нитрификација, где нитрификујуће бактерије оксидирају амонијачни азот у нитритни азот; друга фаза је нитрификација, где нитрификујуће бактерије даље оксидирају нитритни азот у стабилан нитратни азот.

Нитрификујуће бактерије су аутотрофне, што значи да не троше органске загађиваче у отпадним водама. Уместо тога, они користе хемијску енергију генерисану оксидацијом амонијачног азота као извор енергије за фиксирање угљен-диоксида и синтезу сопствених супстанци. Овај процес је кључни корак оксидације у уклањању азота, реализујући конверзију редукованог азота у оксидациони азот и обезбеђивање реакционих супстрата за накнадну денитрификацију.

(ИИИ) Денитрификација (уклањање нитратног азота)

Денитрификација је реакција редукције којом доминирају анаеробни хетеротрофни микроорганизми и представља последњи кључни корак у биолошком уклањању азота. У анаеробној средини којој недостаје молекуларни кисеоник, али која садржи нитратни азот, бактерије за денитрификацију користе органске изворе угљеника у отпадним водама као донори електрона да постепено смање нитратни азот и нитритни азот који настају у реакцији нитрификације, на крају стварајући азотни гас (Н₂) који је био азот који је у потпуности избегао из водене површине азота.

Процес денитрификације мора стриктно разликовати анаеробно и аноксично окружење: анаеробном окружењу недостаје молекуларни кисеоник, али садржи комбиновани кисеоник (нитратни азот), што омогућава да се реакција денитрификације одвија нормално; док анаеробном окружењу недостаје комбиновани кисеоник, спречавајући реакцију денитрификације. Истовремено, органски извор угљеника је основни услов за денитрификацију; недовољни извори угљеника директно доводе до значајног смањења ефикасности уклањања азота. У практичном инжењерингу, допуњавање егзогеним изворима угљеника се често користи да би се осигурала ефикасност уклањања азота.

Основна функционална бактеријска група за биолошко уклањање фосфора је полифосфат{0}}бактерије које акумулирају (ПАО). Ови микроорганизми поседују јединствене метаболичке карактеристике, омогућавајући им да заврше циклус „ослобађања фосфора-упијања фосфора“ у наизменичним анаеробним и аеробним окружењима, постижући на крају потпуно уклањање фосфора из водног тела кроз испуштање вишка муља. За разлику од денитрификације, биолошко уклањање фосфора не производи гасовите нуспроизводе. Уместо тога, он учвршћује фосфате у води унутар микроорганизама, ослобађајући их као муљ.

(И) Фаза ослобађања анаеробног фосфора

У строго анаеробном окружењу, без молекуларног кисеоника и нитратног азота, бактерије које акумулирају полифосфат- (ПАБ) не могу да искористе спољни кисеоник за аеробно дисање, ограничавајући њихове метаболичке изворе енергије. У овом стању, ППА разлажу полифосфате ускладиштене у њиховим ћелијама, ослобађајући енергију за апсорпцију органских извора угљеника ниске{2}}молекуларне-, као што су испарљиве масне киселине (ВФА) из отпадне воде, претварајући их у полихидроксиалканоате (ПХА) за складиштење у ћелијама. Током овог процеса, унутарћелијски фосфати се ослобађају у отпадну воду, изазивајући тренутно повећање садржаја фосфора у води-ово је процес анаеробног ослобађања фосфора.

(ИИ) Фаза апсорпције вишка аеробног фосфора

Када окружење пређе у аеробно стање, ППА више не апсорбују органске изворе угљеника, већ уместо тога разлажу ПХА ускладиштене у анаеробној фази, добијајући велику количину енергије кроз оксидацију и разлагање органске материје. Користећи ову енергију, бактерије које-акумулирају полифосфате (ПАЦ) прекомерно апсорбују фосфат из отпадне воде, далеко премашујући количину ослобођену током анаеробне фазе. Вишак фосфата се затим складишти у ћелијама као полифосфат, чиме се постиже обогаћивање фосфором и уклањање из воде.

На крају, ПАЦ{0}}богати фосфором се таложе са муљем и потпуно се уклањају из система отпадних вода кроз системско испуштање отпадног муља, чиме се завршава цео процес биолошког уклањања фосфора. Наизменичне метаболичке карактеристике ПАЦ-а су језгро биолошког уклањања фосфора, а стабилна анаеробна-промена аеробног окружења је кључна за обезбеђивање ефикасности уклањања фосфора.

Ефикасност биолошког уклањања азота и фосфора у потпуности зависи од микробне активности. Метаболичке карактеристике микроорганизама одређују основне контролне параметре процеса. Главни фактори који утичу на то су две категорије: параметри животне средине и параметри квалитета воде.

1. Растворени кисеоник: Нитрификација и аеробно узимање фосфора захтевају довољно раствореног кисеоника; аноксична денитрификација захтева строго окружење-кисеоника; а анаеробно ослобађање фосфора захтева апсолутно анаеробно окружење. Поремећаји у окружењу кисеоника ће директно довести до неуспеха уклањања азота и фосфора.

2. Садржај извора угљеника: И денитрификујуће бактерије и бактерије које акумулирају полифосфат{1}}зависе се од органских извора угљеника за метаболизам. Када је однос угљеника-према-азоту и угљеник{5}}фосфора у отпадној води пренизак, потребно је додати егзогене изворе угљеника као што су натријум ацетат и глукоза; у супротном ће доћи до непотпуног уклањања азота и ниске ефикасности уклањања фосфора.

3. пХ и температура: Оптимални пХ за нитрификујуће бактерије је 7,5-8,5, док је оптимални пХ за бактерије које акумулирају полифосфате 6,5-8,0. Оптимална температура за микроорганизме је 20-30 степени. Ниске температуре ће значајно смањити активност бактерија и ефикасност лечења.

4. Старост муља: Нитрификујуће бактерије имају дуг циклус генерисања, захтевајући дуже доба муља да би се обезбедило преживљавање бактерија. Бактерије које акумулирају полифосфат-, с друге стране, имају краћу старост муља; прекомерно дуго старење муља може довести до ослобађања фосфора из муља. Стога, стварни процес треба да уравнотежи старост муља како би се осигурала ефикасност уклањања и азота и фосфора.

На основу горе наведених основних принципа уклањања азота и фосфора, индустрија је развила различите зреле процесе, од којих сви имају за циљ стварање наизменичних анаеробних, аноксичних и аеробних реакционих окружења. А²/О процес је најкласичнији процес истовременог уклањања азота и фосфора. Он узастопно довршава ослобађање фосфора и складиштење угљеника помоћу бактерија које акумулирају полифосфат-у анаеробној зони, денитрификацију у аноксичној зони и нитрификацију и прекомерно узимање фосфора од стране бактерија које акумулирају полифосфат-у аеробној зони. Коначно, истовремено уклањање азота и фосфора се постиже таложењем и испуштањем муља. Поред тога, модификовани А²/О, СБР и процеси оксидационог јарка су сви засновани на основним биохемијским принципима, оптимизујући структуру резервоара и радни редослед како би се прилагодили различитим потребама третмана квалитета воде.

Суштина биолошког уклањања азота и фосфора из отпадних вода је да се искористе диференциране метаболичке карактеристике функционалних микроорганизама и вештачки регулише водена средина како би се постигла трансформација азотних и фосфорних загађивача и њихово уклањање из водног тела. Уклањање азота се ослања на постепене реакције амонификације, нитрификације и денитрификације да би се постигло уклањање гаса, док се уклањање фосфора ослања на циклични метаболизам полифосфата-акумулирајућих бактерија-анаеробног ослобађања фосфора и аеробног уклањања фосфора у чврстом стању{3}. Темељно разумевање његових биохемијских принципа је кључна основа за оптимизацију процеса пречишћавања отпадних вода, побољшање ефикасности уклањања азота и фосфора и решавање проблема еутрофикације у водним тијелима. Такође пружа важну теоријску подршку за очување енергије, смањење емисија и унапређење третмана отпадних вода.