טכנולוגיה להסרת זרחן דניטריפיקציה

1. מנגנון להסרת זרחן דניטריפיקציה

חיידקי חומצה גבוהה- מפרקים מולקולות אורגניות גדולות לחומצות שומן-מולקולריות- נמוך בתנאים אנאירוביים. DPB (Distilled Bismuth Biota) מפרק פוליפוספטים בתוך התאים שלו בתנאים אנאירוביים ליצירת ATP, סופג חומצות שומן באמצעות הובלה פעילה ומסנתז פולי(-hydroxybutyrate) (PHB), ובו זמנית משחרר PO43-. לאחר צבירת כמויות גדולות של PHB, DPB נכנס למצב אנאירובי, תוך שימוש ב-NO3- כמקבל האלקטרונים לחמצון PHB. הוא מנצל את הפירוק של PHB כדי לייצר אנרגיה ולספק כוח מפחית (ניקוטין אדנין דינוקלאוטיד (NADH), ומשתמש ב-NADH+H+ כנשא של שרשרת הובלה של האלקטרונים כדי להסיר פרוטונים, ובכך ליצור כוח מונע פרוטונים. כוח מונע פרוטונים זה מעביר PO43- מחוץ לגוף אל תוך הגוף, מסננת את הפולימר A TP אל תוך הגוף, עודף PO43- לפוליפוספטים ה-ATP המיוצר על ידי DPB בתנאים אנאירוביים דרך שרשרת ההובלה של האלקטרונים עולה על ה-ATP המיוצר בתנאים אנאירוביים באמצעות פירוק פולי-פוספטים בגוף קליטה ממי שפכים.

2. גורמים עיקריים המשפיעים על דניטריפיקציה והסרת זרחן

2.1 יחס פחמן-ל-חנקן

על פי התיאוריה המסורתית של סילוק זרחן, נוכחות של מקורות פחמן באזור האנוקסי או חנקות באזור האנאירובי מובילה לתחרות בין חיידקים דניטריפיריים ל-DPB על חנקן חנקן קולט אלקטרונים או על מקורות פחמן, ובכך מפחיתה את היתרון הסלקטיבי של DPB ומשפיעה על יעילות סילוק הזרחן. זה מצריך יחס מתאים של פחמן-ל-חנקן במי ההשפעה. עם זאת, מחקר של Ahn J. et al. מראה שבתנאים אנאירוביים/אירוביים (A/O), התאקלמות-לטווח ארוך של מקורות פחמן וכמות קטנה של חנקות הנכנסות לאזור האנאירובי מקדמת העשרה של DPB, ו-DPB יכול לשמור על יכולת ספיגת הזרחן האנוקסית שלו בתנאי A/O. מנקודת מבט מיקרוביולוגית, ישנם שני הסברים: האחד הוא ש-DPB מנצל ישירות מקורות פחמן באזור האנאירובי דרך מחזור החומצה הטרי-קרבוקסילית (TCA); השני הוא ש-DPB מחמצן מקורות פחמן במהלך התקופה האנאירובית דרך מחזור ה-TCA כדי להשיג כוח הפחתת ואנרגיה לצבירת חומצות פוליהידרוקסי-אלקנואיות, ושורד במהלך התקופה האירובית. לא פורסמו דיווחים אחרים לגבי המאפיינים הפיזיולוגיים של DPB בהקשר זה.

2.2 שיטות מינון חנקה

ישנן שתי שיטות להוספת חנקה באזור האנוקסי: הוספה מיידית והוספה רציפה. הוספה רציפה מעט יותר יעילה וגם מונעת הצטברות של ניטריט. לגבי ההשפעה של זמן הוספה מתמשך על קצב ספיגת הזרחן, Zou Hua et al. הראה כי קצב ספיגת הזרחן היה גבוה יותר כאשר זמן התוספת הרציף היה שעתיים מאשר כאשר הוא היה 3.5 שעות. עם זאת, אין כיום דיווחים על הקשר הספציפי בין קצב התוספת וקצב ספיגת הזרחן. ניתן למצוא מסמכים טכניים נוספים ברשת ההנדסה לטיפול בשפכים בסין.

2.3 SRT

DPB גדל לאט יותר בתנאי A/A מאשר בתנאי A/O. SRT קצר מדי יגרום לסילוק DPB בכור, בעוד ש-SRT ארוך מדי יגרום להזדקנות הבוצה ולירידה בתכולת הזרחן. מרזוקי מ' דיווח כי יעילות סילוק הזרחן של מערכת הסרת זרחן דניטריפיקציה SBR הייתה גבוהה פי 1.8 כאשר ה-SRT היה 15 ימים מאשר כאשר הוא היה 7.5 ימים. עבור תהליכי בוצה גרגירים המשמשים להסרת זרחן וחנקן, מבנה הבוצה מורכב בשל הקהילה הביולוגית העשירה והמשולבת יותר שלו. עדיין לא ברור כיצד לאזן בין DPB, חיידקים המצטברים-פוליפוספטים וחיידקים מחנקים באמצעות גיל הבוצה.

2.4 ניטריט

נכון לעכשיו, קיימות שתי דעות לגבי האם ניטריט מעכב ספיגת זרחן, ודעות אלו מבוססות על נושאי מחקר שונים. שימוש בבוצה שלא עברה התאקלמות דניטריפיקציה והסרת זרחן כנושא המחקר, התוצאות מראות באופן עקבי שריכוזי ניטריט העולים על רמה קריטית מעכבים את ספיגת הזרחן. ניסויים מאת Wang Ya-yi et al. הראה כי ספיגת זרחן מעוכבת כאשר ריכוז הניטריט עולה על 15 מ"ג/ליטר, בעוד ניסויים של Meinhold J. וחב'. ציין כי ריכוז הניטריט הקריטי הוא 5-8 מ"ג/ליטר. עם זאת, שימוש בבוצה שעברה דניטריפיקציה וסילוק זרחן התאקלמות כמו נושא המחקר מניב תוצאות שונות. הניסויים של Hu JY הראו שבנוסף לחיידקים המצטברים פוליפוספטים-המוכרים (PABs) ו-DPB, קיימת גם קבוצה שלישית של PPBs. PPBs אלה יכולים לנצל ניטריט כמקבל אלקטרונים לקליטת זרחן. יתר על כן, הניסויים הראו שכאשר ריכוז הניטריט הראשוני היה נמוך מ-115 מ"ג/ליטר, לא היה עיכוב משמעותי של ספיגת זרחן. ריכוז הניטריט במפעלי טיהור שפכים ביתיים הוא כמובן הרבה מתחת לריכוז קריטי זה, ולכן לא ישפיע לרעה על סילוק הזרחן הביולוגי. גורמים רבים אחרים משפיעים על הסרת זרחן דניטריפיקציה, כגון טמפרטורה (DPB רגיש במיוחד לטמפרטורה, במיוחד טמפרטורות נמוכות) וקטיונים (Mg2+ ו-K+). נכון להיום, יש מעט מחקרים על היבטים אלה, והאינטראקציות בין גורמים שונים מגדילות את הקושי במחקר.

3. גישות חדשות להשגת סילוק זרחן דניטריפיקציה

תהליכי הסרת זרחן דניטריפיקציה טיפוסיים כוללים: ① תהליך אנאירובי/אנוקסי וניטריפיקציה (A2N). תהליך זה הוא תהליך -הסרת זרחן דניטריפיקציה כפולה בו מגדלים בנפרד חיידקים מחנקים ו-DPB במערכות בוצה שונות, תוך הפרדה מוחלטת של החיידקים המחנקים מה-DPB. תהליך A2N מתאים ביותר למצבים עם יחסי פחמן וחנקן נמוכים. ② תהליך דפנוקס. כאשר תכולת הפחמן והחנקן המשפיעים גבוהה, יש להוסיף מיכל אוורור לאחר המיכל האנוקסי בתהליך A2N, וכך ליצור תהליך DEPHANOX.

③ תהליך BCFS. תהליך זה הוא תהליך UCT שונה. עקרון התכנון של תהליך ה-UCT מבוסס על שיפור הנדסי של התנאים הסביבתיים הנדרשים על-ידי חיידקים המצטברים פוליפוספטים-, בעוד שהפיתוח של BCFS נועד ליצור תנאי העשרה עבור DPB מנקודת מבט של תהליך. לאחרונה חלה פריצת דרך במחקר על יישום טכנולוגיית הסרת זרחן דניטריפיקציה. יחידות הזקוקות לטיפול בשפכים יכולות גם להתייעץ עם חברות בעלות ניסיון דומה בטיפול בשפכים בפלטפורמת השירות של פרוייקט אוצר שפכים.

3.1 AOA-שיטת SBR

התהליך האנאירובי/אנוקסי/אירובי (A2O) הוא צורה נפוצה של סילוק חנקן וזרחן. היא פועלת בעיקר באמצעות חילוף החומרים של חיידקים צוברים פוליפוספטים-, חיידקים מחנקים וחיידקים מדניטריפיים. לכן, זרימת נוזלים המכילים ניטרטים וניטריטים חיונית בתהליך זה. Tsuneda S. et al. הציע תהליך אנאירובי/אירובי/אנוקסי (AOA) ב-SBR (Self-Biochemical Reactor), המנצל באופן מלא את המאפיין של DPB (דיפוספט פוליפוספט) כדי להסיר בו זמנית חנקן וזרחן בתנאים אנוקסיים וללא מקור פחמן. זה מאפשר להתרחש דניטריפיקציה בקטע האנוקסי ללא מקור פחמן, ומבטל את הצורך בסירקולציה בין מיכלים אירוביים ואנוקסיים, ובכך להשיג סילוק חנקן וזרחן בו זמנית ב-SBR יחיד. ניסויים גם הוכיחו שתהליך זה יכול להשיג השפעות מצוינות של הסרת חנקן וזרחן בעת ​​טיפול בשפכים סינתטיים עם יחס פחמן-ל-חנקן מתחת ל-10, עם שיעורי הסרת חנקן וזרחן ממוצעים של 83% ו-92%, בהתאמה. תהליך זה לא רק מעשיר את DPB אלא גם גורם ל-DPB לשחק תפקיד מרכזי בסילוק זרחן וחנקן. תוצאות ניסויים מראות ש-DPB מהווה 44% מסך החיידקים הצוברים-פוליפוספטים בתהליך AOA-SBR, שהוא גבוה משמעותית מזה של תהליכי A/O-SBR (13%) ו-A2O (21%).

לתהליך AOA-SBR שני מאפיינים מרכזיים: ① כמות מתאימה של מקור פחמן מתווספת בתחילת השלב האירובי כדי לעכב ספיגת זרחן אירובי. בניסוי זה, הכמות האופטימלית של מקור פחמן שנוספה במהלך השלב האירובי הייתה 40 מ"ג/ליטר.

② בתהליך זה, ניטריט יכול לפעול כמקבל אלקטרונים לקליטת זרחן.

3.2 תהליך בוצה גרגירית

בוצה גרגירית להסרת חנקן וזרחן נמצאת כיום עדיין בשלב המחקר. בהשוואה לתהליכי בוצה רגילים, לבוצה גרגירית אירובית יש ביצועי שקיעה טובים יותר, ריכוז ביומסה גבוה יותר ותכולת לחות נמוכה יותר של בוצה. עם היישום של בוצה גרגירית, ניתן להתגבר על בעיות הקיימות בבוצה קונבנציונלית (כגון נפח בוצה, טביעת רגל גדולה של מבני טיפול ושחרור זרחן משני ממטהר). ניסויים של Dulekgurgen E. et al. הראה שלבוצה גרגירית יש ביומסה יציבה, עם שיעורי סילוק COD, זרחן וחנקן של 95%, 99.6% ו-71%, בהתאמה. תוצאות מחקר מקומיות תואמות את הממצאים הללו, ולבוצה גרגירית אירובית יש יכולות דניטריפיקציה והסרת זרחן. בשל המבנה הייחודי של בוצה גרגירית והנוכחות של שיפוע דיפוזיה של חמצן, היא מספקת סביבה לדו קיום של חיידקים צוברים פוליפוספטים, חיידקים מחנקים ו-DPB. כמויות גדולות של DPB וחיידקים מחנקים מצטברים בבוצה גרגירית; ניסויים של Yang Guojing וחב'. הראה כי DPB מהווה 73.1% מכלל החיידקים המצטברים פוליפוספטים- בבוצה גרגירית. טיפוח בוצה גרגירית קשה יותר מגידול בוצה רגילה, והגורמים המשפיעים מורכבים יחסית.

בנוסף לגורמי ההשפעה הנפוצים לדניטריפיקציה רגילה של בוצה ולסילוק זרחן, לבוצה גרגירית יש גורמי השפעה ייחודיים משלה: ① לאינטראקציה בין ריכוז DO וגודל החלקיקים יש השפעה משמעותית על יעילות הדניטריזציה והסרת זרחן. אם גודל החלקיקים קטן מדי, חדירת החמצן חזקה יחסית, ומשפיעה על היווצרות האזור האנוקסי, מה שמוביל לחוסר יכולת להשיג דניטריפיקציה והסרת זרחן.

② שמירה על יחס חנקן מתאים-ל-זרחן היא חיונית לגרגר בוצה וליכולת סילוק זרחן. כאשר יחס החנקן-ל-זרחן עולה מ-2.36 ל-4.0, שיעור סילוק הזרחן יורד מ-85.0% ל-54.1%. ③ ניסויים מאת Lin Y-M et al. הראה קשר הדוק בין גודל החלקיקים לבין יחס מסת הפחמן-ל-הזרחן. יחס מסת זרחן-ל- גבוה יכול לגרום לחלקיקים קטנים יותר עם מבנה קומפקטי יותר, ובכך להפחית את ה-SVI ולקדם את הצטברות החיידקים הצוברים פולי-פוספטים-.

3.3 תהליך ביופילם אצווה של רצף במחזור אוויר פנימי

תהליך רצף הביופילם (SBBR) מיועד בעיקר להסרה משולבת של זרחן וחנקן. מחקרים של Zhang ZY et al. הראה כי רכבל האוויר במחזור הפנימי SBBR השיג שיעורי סילוק חנקן וזרחן יציבים. שיעורי ההסרה של COD, N ו-P תחת צפיפות אריזה אופטימלית ועומס אורגני היו 95.3%±3.3%, 94.6%±4.1% ו-73.1%±8.3%, בהתאמה. הכור מחולק לשני אזורים על ידי מחיצה-אזור אירובי ואזור ריפלוקס. חיידקים מחנקים וחיידקים פוליפוספטים אירוביים-הצוברים נמצאים בעיקר באזור האירובי, בעוד ש-DPB נמצא באזור הריפלוקס. במהלך התקופה האנאירובית, DPB באזור הריפלוקס וחיידקים המצטברים פוליפוספטים באזור האירובי סופגים את המצע האורגני; במהלך התקופה האירובית/אנוקסית, חיידקים מחנקים באזור האירובי מייצרים NO3 ו-NO2- כדי לספק קולטי אלקטרונים לקליטת זרחן DPB, ובכך מסירים חנקן וזרחן. הסרת בוצה היא גורם מכריע המשפיע על סילוק הזרחן, שניתן להשיג על ידי התאמת צפיפות אריזת הסיבים. SBBRs קונבנציונליים הינם בעלי יעילות נמוכה של סילוק חנקן וזרחן, בעיקר בשל תחרות על חמצן וחומרי מזון בין חיידקים מחנקים וחיידקים הטרוטרופיים בתוך הביופילם. בהשוואה ל-SBBRs קונבנציונליים, רכבל האוויר במחזור הפנימי SBBR נמנע מתחרות זו; בהשוואה לתהליכי בוצה פעילה רגילים, כור זה חוסך אנרגיה והשקעה.

4. אאוטלוק

תוצאות ראשוניות הושגו במחקר של טכנולוגיית הסרת זרחן דניטריפיקציה הן מקומי והן בינלאומי, והטכנולוגיה התקדמה ממחקר בסיסי ליישום הנדסי. נכון לעכשיו, ההבנה שלנו לגבי המבנה והתפקוד של הקהילה המיקרוביאלית במערכות להסרת זרחן דניטריפיקציה עדיין מוגבלת. מבנה הקהילה המיקרוביאלית משתנה באופן משמעותי בין מערכות שונות, וגם הקהילה המיקרוביאלית בתוך אותה מערכת מורכבת מאוד. ניתן להשתמש בטכניקות ביולוגיה מולקולרית כדי לעקוב אחר דינמיקה של קהילה מיקרוביאלית ולזהות קבוצות פונקציונליות, לחשוף את הקשר בין מבנה קהילה מיקרוביאלית ותפקוד, ובכך לאפשר שליטה טובה יותר בהנדסת טיפול ביולוגי. טכניקות ביולוגיה מולקולרית המשמשות להסרת זרחן ביולוגי כוללות תגובת שרשרת פולימראז (PCR), פולימורפיזם של אורך שברי הגבלה (RFLP) וטכניקות בדיקה של אוליגונוקלאוטידים. מחקרים מחשיבים בדרך כלל את החיידקים המצטברים לפוליפוספטים (PABs) מקבוצות ה-Rhodocyclus ו-Dechlorimonas של -Proteobacteria. Satoshi T. et al. השתמשו ב-RFLP כדי לחקור את המאפיינים של חיידקים המצטברים{10}}פוליפוספטים (DPBs), מה שמצביע על כך ש-DPBs הם Thaurera mechrnichensis ו-Azoarcus tolulyticus מקבוצת ה-Rhodocyclus. אנחנו צריכים לשלב באופן הדוק את המיקרוביולוגיה וההנדסה של מערכות להסרת זרחן דניטריפיקציה. באמצעות זיהוי מיקרוביאלי ומחקרים אקולוגיים, נוכל לנתח ולקבוע את הכמות והמבנה הקהילתי של DPBs במערכת, להבין כיצד פרמטרים תפעוליים משפיעים על המאפיינים, התפלגות צפיפות האוכלוסין והתפלגות מרחבית של PPBs, חיידקים מחנקים ו-DPBs, ובכך להשיג שיפור מלאכותי של דניטריפיקציה של זרחן ופיתוח מערכות טיפול חדשות ופיתוח תהליכי טיפול חדשניים. טכנולוגיות.