התקדמות מחקר על טכנולוגיות דניטריפיקציה אוטוטרופית על בסיס גופרית, על בסיס ברזל ועל בסיס ברזל גופרית

לטכנולוגיית דניטריפיקציה אוטוטרופית יש את היתרונות של אין צורך במקור פחמן חיצוני, ייצור בוצה נמוך ועלות נמוכה. זוהי אחת הטכנולוגיות המבטיחות ביותר לטיפול דניטריפיקציה עמוקה עבור שפכים נמוכים ב-C/N תחת רקע פחמן כפול. הבחירה של תורמי אלקטרונים אנאורגניים היא המפתח לשאלה האם ניתן להשתמש בטכנולוגיה זו באופן נרחב בפועל.

על פי עקרון הדניטריפיקציה, קל לייצור דניטריפיקציה אוטוטרופית על בסיס גופרית חומצה וסולפט, דניטריפיקציה על בסיס ברזל צורכת חומצה ותצבור ניטריט, בעוד דניטריפיקציה אוטוטרופית מצמדת מבוססת ברזל גופרית יכולה לשלב את המאפיינים של השניים, לשמור על יציבות ה-pH התגובה, ולהפחית זיהום משני.

מזהמים המכילים חנקן הם עדיין אחת הבעיות האקולוגיות העיקריות של סביבת המים. כיום קיימות שיטות טיפול רבות לזיהום חנקן במקווי מים, המתחלקות בעיקר לשיטות פיזיקוכימיות ושיטות ביולוגיות. ביניהן, שיטות פיזיקוכימיות כוללות אלקטרודיאליזה, אלקטרוליזה של ממברנות יונים וסטריפינג, אך לשיטות טיפול אלו יש כמה חסרונות, כמו עלויות תפעול גבוהות, תחזוקה קשה וזיהום משני שקל לייצר. דניטריפיקציה ביולוגית היא אמצעי חשוב לדניטריפיקציה של מי שפכים, וביניהם דניטריפיקציה היא חלק חשוב מהדיניטריפיקציה הביולוגית. עם זאת, גידול וחילוף החומרים של חיידקים הטרוטרופיים דניטריפיקציה בשיטות הטרוטרופיות הטרוטרופיות תלויות בפחמן אורגני, ותוספת של מקורות פחמן אורגני לא רק תוביל לעלויות תפעול גבוהות, אלא גם תגרום לזיהום משני. בהקשר של רדיפת טכנולוגיה דלת פחמן כיום, טכנולוגיית דניטריפיקציה אוטוטרופית ללא מקורות פחמן חיצוניים משחקת תפקיד חשוב יותר ויותר בבקרת זיהום מים.

עיקרון והתקדמות המחקר של דניטריפיקציה אוטוטרופית מבוססת גופרית (SAD)

SAD מתייחס לתהליך שבו דניטריפיקציות Thiobacillus (כגון Thiobacillus denitrifications) משתמשת בגופרית מופחתת (S⁰, S^2-, SO₃^2-, S₂O₃^2-וכו') כתורמי אלקטרונים ו-NO^3--N או לא^2--N כמקבלי אלקטרונים בתנאים אנוקסיים או אנאירוביים, ומשיג אנרגיה באמצעות תהליך החמצון של גופרית מופחתת להפחתת NO^3--N עד N₂. היתרונות של תהליך SAD כוללים לא צורך במקור פחמן חיצוני וייצור בוצה נמוך, ויש לו יתרון של עלות נמוכה בטיפול בשפכים אנאורגניים המכילים NO^3--N.

בנוסף, H+ מיוצר במהלך תגובת SAD, וכתוצאה מכך ירידה ב-pH. בטבע, לגופרית מגוון רחב של מקורות וסוגים. תורמי אלקטרונים SAD כוללים גופרית יסודית, גופרית, תיוסולפט ומינרלים המכילים גופרית. התוצרים העיקריים של דניטריפיקציה אוטוטרופית המונעת על ידי תורמי אלקטרונים שונים שונים. מאמר זה דן בהתקדמות המחקר של טכנולוגיית דניטריפיקציה אוטוטרופית המונעת על ידי תורמי אלקטרונים שונים.

עיקרון והתקדמות מחקרית של דניטריפיקציה אוטוטרופית מבוססת ברזל (AIDD)

AIDD הוא תהליך שבו חיידקי AIDD denitrification משתמשים בברזל אפס ערכי (ZVI) או ברזל דו ערכי כתורמי אלקטרונים ו-NO^3--N או לא^2--N כמקבלי אלקטרונים לביצוע דניטריפיקציה בתנאים אנאירוביים. נכון לעכשיו, מנגנון התגובה הביולוגית של דניטריפיקציה על בסיס ברזל עדיין לא ברור. כמה חוקרים הציעו ארבעה מודלים של מנגנון חיזוי, כלומר Fe (II) oxidoreductase, סוג nitrat reductase, bc1-Fe (II) oxidoreductase סוג וסוג איזון אלקטרונים, אך אף אחד מהם לא אושר. במאמר זה, המחבר מתמקד באפקט הדניטריפיקציה כאשר משתמשים בחומרים שונים המכילים ברזל ב-AIDD כתורמי אלקטרונים.

התקדמות המחקר של תהליך צימוד SAD-AIDD

ל-AIDD ול-SAD יש חסרונות ביישומים מעשיים. תהליך SAD צורך בסיסיות, בעוד AIDD מייצר בסיסיות. SAD-AIDD יכול לשלב את המאפיינים של השניים כדי לשמור על יציבות ה-pH התגובה, שמשכה תשומת לב רחבה. תורם האלקטרונים הנפוץ של SAD-AIDD הוא מינרל ברזל גופרתי טבעי, בעל סוגים רבים וקל יחסית להשגה. דניטריפיקציה עם ברזל גופרתי טבעי כתורם אלקטרונים היא אחת הדרכים העיקריות לדניטריפיקציה של מי תהום. סוגי תורמי האלקטרונים העיקריים של תהליך SAD-AIDD הם גופרית ברזל, בוצת ברזל המכילה גופרית וחומרי מילוי מעורבים של ברזל גופרית. מאמר זה מתאר את התקדמות המחקר של תהליך הצימוד בהתבסס על סיווג זה.

כאשר קצב אספקת האלקטרונים איטי, תהיה תחרות מסוימת בין רדוקטאזות שונות.

בהשוואת המחקר של חוקרים מקומיים וזרים על דניטריפיקציה אוטוטרופית מצמדת מבוססת גופרית, ברזל וברזל גופרית לבין ביצועי הדניטריפיקציה של סוגים שונים של תורמי אלקטרונים, ניתן להסיק שטכנולוגיית דניטריפיקציה אוטוטרופית מבוססת ברזל גופרית יכולה באופן תיאורטי להתגבר על החסרונות של תנודות pH גדולות ו-SO גדול₄^2-ייצור מכיוון שהוא יכול לספק מגוון של תורמי אלקטרונים, ויש לו פוטנציאל יישום גדול יותר. עם זאת, עדיין ישנן בעיות רבות שצריכות להיפתר בטכנולוגיות דניטריפיקציה אוטוטרופית משולבת מבוססת גופרית, ברזל וברזל גופרית. בעתיד ניתן לבצע מחקר מעמיק משלושת ההיבטים הבאים לפתרון הבעיות הקיימות בתחום זה:

1) ל-SAD יש הצטברות של SO₄^2-ולא^2-, ותהליך הדניטריפיקציה מייצר חומצה, וכתוצאה מכך ביצועי הדניטריפיקציה מופחתים. לכן, ניתן לחקור עוד יותר את הצימוד של תהליך דניטריפיקציה על בסיס גופרית עם טכנולוגיות אחרות כדי לשפר את הבעיות לעיל בהתאם.

2) תהליך ה- AIDD צורך חומצה, יש בעיות כמו עלייה ב-pH, הצטברות של NO^2-, וחמצון והתקשות קלות של ברזל. ניתן לשלב טכנולוגיה זו עם IC-ME, דניטריפיקציה הטרוטרופית, דניטריפיקציה אוטוטרופית על בסיס מימן או SAD ליצירת מערכת צימוד לשמירה על יציבות ה-pH התגובה, הפחתת התקשות ושיפור יעילות הדניטריפיקציה. בנוסף, יש לחקור בעתיד את האינטראקציות האפשריות בין חיידקים אוטוטרופיים המדניטרים ומזהמים כדי לספק תמיכה תיאורטית ליישום המעשי של טכנולוגיה זו.

3) דניטריפיקציה אוטוטרופית מקושרת על בסיס גופרית-ברזל משלב אוטוטרופיה על בסיס גופרית עם אוטוטרופיה על בסיס ברזל, שיכולה לשמור על יציבות ה-pH התגובה ולהפחית את SO הקולחים₄^2-. עם זאת, יש מעט מחקרים בתחום זה והטכנולוגיה אינה בוגרת מספיק, כך שעדיין יש צורך בחקירה נוספת. בפרט, חיוני לפתח חומרי מילוי בעלי ביצועי דניטריפיקציה גבוהים והסתברות נמוכה לדחיסה.

מקור: "טיפול במים תעשייתי" 2024 גיליון 6

המחבר הראשון: וואנג ג'ינג

מחבר מקביל: האן יאנה

נייר DOI: 10.19965/j.cnki.iwt.2023-0417

ציטוט נייר: Wang Jing, Wang Ning, Han Yanhe, et al. התקדמות המחקר של טכנולוגיית דניטריפיקציה אוטוטרופית על בסיס גופרית, על בסיס ברזל ועל בסיס ברזל גופרית [J]. טיפול במים תעשייתיים, 2024, 44 (6): 22-33.