העיקרון של סילוק חנקן וזרחן ביולוגי בשפכים

עודף מזהמי חנקן וזרחן במקווי מים הם הגורם המרכזי לבעיות סביבת המים כמו אאוטרופיקציה, פריחת אצות וגאות אדומים, מה שמוביל לסדרה של בעיות כולל הידרדרות באיכות המים, חוסר איזון של המערכת האקולוגית מימית ואיומים על בטיחות מי השתייה. בהשוואה לתהליכי טיפול כימיים ופיזיקליים, טכנולוגיית סילוק חנקן וזרחן ביולוגית הפכה לתהליך הליבה לטיפול בשפכים מתקדם במפעלי טיהור שפכים קיימים בשל יתרונותיה כגון השפעות טיפול יציבות, עלויות תפעול נמוכות, ללא זיהום משני והתאמה לתרחישי טיפול בשפכים עירוניים ותעשייתיים. עיקרון הליבה של סילוק חנקן וזרחן ביולוגי בשפכים הוא לנצל את הפעילויות המטבוליות של מיקרואורגניזמים פונקציונליים שונים בסביבה אנאירובית, אנוקסית ואירובית מתחלפת לסירוגין כדי להמיר בהדרגה מזהמים כגון חנקן אורגני, חנקן אמוניה וזרחן כולל לתוך שפכים או חומר מוצק המופרשים לתוך שפכים או חומר מוצק. מגוף המים, ובכך להשיג טיהור מים.

חנקן בשפכים קיים בצורות מורכבות, הכוללות בעיקר חנקן אורגני, חנקן אמוניה, חנקן ניטריט וחנקן חנקתי. הסרת חנקן ביולוגי אינה תהליך תגובה בודד, אלא תגובה ביוכימית מיקרוביאלית-שלשת שלבים-אמוניציה, ניטריפיקציה ודניטריפיקציה-, שבסופו של דבר הופכת צורות שונות של חנקן לגז חנקן, מוציאה אותו מגוף המים ומשיגה הסרת חנקן מוחלטת. התהליך כולו מסתמך על הפעילויות המטבוליות של קהילות חיידקים שונות בסביבותיהן הספציפיות.

(I) תגובת אמוניציה (המרה חנקן אורגני)

בתנאים אירוביים או אנאירוביים, מזהמי חנקן אורגניים בשפכים, כגון חלבונים, אוריאה וחומצות אמינו, עוברים הידרוליזה ומחומצנים לחנקן אמוניה אנאורגנית (NH₃-N) באמצעות פירוק וחילוף חומרים של חיידקים מאמוניים. תגובה זו היא התגובה המוקדמת-הבסיסית של הסרת חנקן ביולוגי, מתאימה מאוד לסביבה, ואינה דורשת בקרה קפדנית על פרמטרים כגון חמצן מומס וטמפרטורה, מה שמאפשר לה להתנהל בצורה חלקה בתנאי טיפול בשפכים קונבנציונליים. תהליך התגובה הופך חנקן אורגני מורכב לחנקן אנאורגני פשוט, מספק מצעים לתגובות ניטריפיקציה ודניטריפיקציה עוקבות, והוא השלב הראשון בהסרת חנקן.

(II) ניטריפיקציה (חמצון חנקן אמוניה)

ניטריפיקציה היא תגובת חמצון הנשלטת על ידי מיקרואורגניזמים אוטוטרופיים אירוביים, המורכבת משני שלבים: ניטריפיקציה וניטריפיקציה. דרוש מספיק חמצן לאורך התהליך, והמיקרואורגניזמים מציגים קצב צמיחה איטי, מחזורי דור ארוכים ורגישות גבוהה לטמפרטורת הסביבה, pH וחמצן מומס. השלב הראשון הוא ניטריפיקציה, כאשר חיידקים מחנקים מחמצנים חנקן אמוניה לחנקן ניטריט; השלב השני הוא ניטריפיקציה, כאשר חיידקים מחנקים מחמצנים עוד יותר חנקן ניטריט לחנקן חנקתי יציב.

חיידקים מחנקים הם אוטוטרופיים, כלומר אינם צורכים מזהמים אורגניים בשפכים. במקום זאת, הם משתמשים באנרגיה הכימית הנוצרת מחמצון חנקן אמוניה כמקור אנרגיה כדי לתקן פחמן דו חמצני ולסנתז את החומרים שלהם. תהליך זה הוא שלב חמצון מרכזי בהסרת חנקן, תוך מימוש ההמרה של הפחתת חנקן לחנקן מחמצן ומתן מצעי תגובה לדניטריפיקציה לאחר מכן.

(III) דניטריפיקציה (הסרת חנקן חנקן)

דניטריפיקציה היא תגובת הפחתה הנשלטת על ידי מיקרואורגניזמים הטרוטרופיים אנאירוביים והיא שלב הליבה הסופי בהסרת חנקן ביולוגי. בסביבה אנאירובית החסרה חמצן מולקולרי אך מכילה חנקן חנקתי, חיידקים דניטריפיונים מנצלים מקורות פחמן אורגניים בשפכים כתורמי אלקטרונים כדי להפחית בהדרגה את החנקן החנקתי והחנקן הניטריט המיוצרים בתגובת החנקה, ובסופו של דבר מייצרים גז חנקן (N₂) שמוציא לחלוטין את המים מהניטרוגן שמקורו בשטח המים.

תהליך הדניטריפיקציה חייב להבחין בקפדנות בין סביבה אנאירובית ואנוקסית: סביבה אנאירובית חסרה חמצן מולקולרי אך מכילה חמצן משולב (חנקן חנקן), המאפשרת לתגובת הדניטריפיקציה להתרחש כרגיל; בעוד שסביבה אנאירובית חסרה חמצן משולב, מה שמונע את תגובת הדניטריפיקציה. במקביל, מקור פחמן אורגני הוא תנאי ליבה לדניטריפיקציה; מקורות פחמן לא מספקים מובילים ישירות לירידה משמעותית ביעילות סילוק החנקן. בהנדסה מעשית, תוספת עם מקורות פחמן אקסוגניים משמשת לעתים קרובות כדי להבטיח יעילות הסרת חנקן.

קבוצת החיידקים הפונקציונלית העיקרית להסרת זרחן ביולוגי היא חיידקים המצטברים-פוליפוספטים (PAOs). למיקרואורגניזמים אלו מאפיינים מטבוליים ייחודיים, המאפשרים להם להשלים מחזור "שחרור-זרחן" בסביבות אנאירוביות ואירוביות מתחלפות, ובסופו של דבר להשיג סילוק זרחן מוחלט מגוף המים באמצעות פליטת בוצה עודפת. שלא כמו דניטריפיקציה, סילוק זרחן ביולוגי אינו מייצר תוצרי לוואי גזים. במקום זאת, הוא ממצק פוספטים במים בתוך מיקרואורגניזמים, ומשחרר אותם כבוצה.

(I) שלב שחרור זרחן אנאירובי

בסביבה אנאירובית למהדרין, ללא חמצן מולקולרי וחנקן חנקתי, חיידקי פוליפוספט-הצוברים (PABs) אינם יכולים לנצל חמצן חיצוני לנשימה אירובית, מה שמגביל את מקורות האנרגיה המטבוליים שלהם. במצב זה, PPAs מפרקים את הפוליפוספטים המאוחסנים בתאים שלהם, משחררים אנרגיה לקליטת מקורות פחמן אורגניים-מולקולריים-נמוכים כגון חומצות שומן נדיפות (VFAs) ממי שפכים, והופכים אותם לפוליהידרוקסיאלקנואטים (PHA) לאחסון בתוך התאים. במהלך תהליך זה, פוספטים תוך תאיים משתחררים למי השפכים, מה שגורם לעלייה רגעית בתכולת הזרחן במים-זהו תהליך שחרור הזרחן האנאירובי.

(II) שלב ספיגת עודף זרחן אירובי

כאשר הסביבה עוברת למצב אירובי, PPAs אינם סופגים עוד מקורות פחמן אורגניים אלא מפרקים את ה-PHAs המאוחסנים בשלב האנאירובי, ומשיגים כמות גדולה של אנרגיה באמצעות חמצון ופירוק של חומר אורגני. תוך ניצול אנרגיה זו, חיידקים המצטברים לפוליפוספט (PAC) סופגים בצורה מוגזמת פוספט ממי שפכים, ועולה בהרבה על הכמות המשתחררת בשלב האנאירובי. לאחר מכן, הפוספט העודף מאוחסן בתוך התאים כפוליפוספט, משיג העשרת זרחן והסרה מהמים.

בסופו של דבר, ה-PAC העשירים-זרחן מתיישבים עם הבוצה ומורחקים לחלוטין ממערכת השפכים באמצעות פליטת בוצת פסולת המערכת, ובכך משלימים את כל תהליך פינוי הזרחן הביולוגי. המאפיינים המטבוליים המתחלפים של PACs הם הליבה של סילוק זרחן ביולוגי, והחלפת סביבה אנאירובית -אירובית יציבה היא חיונית להבטחת יעילות סילוק הזרחן.

היעילות של סילוק חנקן וזרחן ביולוגי תלויה לחלוטין בפעילות המיקרוביאלית. המאפיינים המטבוליים של המיקרואורגניזמים קובעים את פרמטרי הבקרה המרכזיים של פעולת התהליך. גורמי ההשפעה העיקריים כוללים שתי קטגוריות: פרמטרים סביבתיים ופרמטרים של איכות מים.

1. חמצן מומס: ניטריפיקציה וספיגת זרחן אירובי דורשים מספיק חמצן מומס; דניטריפיקציה אנוקסית דורשת סביבת-חמצן נמוכה לחלוטין; ושחרור זרחן אנאירובי דורש סביבה אנאירובית לחלוטין. שיבושים בסביבת החמצן יובילו ישירות לכשל בסילוק החנקן והזרחן.

2. תוכן מקור פחמן: גם חיידקים מדניטרים וגם חיידקים צוברים פוליפוספטים- מסתמכים על מקורות פחמן אורגניים למטבוליזם. כאשר יחס הפחמן-ל-חנקן ויחס הפחמן-ל-זרחן של מי שפכים נמוכים מדי, יש להוסיף מקורות פחמן אקסוגניים כגון נתרן אצטט וגלוקוז; אחרת, תתרחש הסרת חנקן לא מלאה ויעילות נמוכה של סילוק זרחן.

3. pH וטמפרטורה: ה-pH האופטימלי לחניכיים של חיידקים הוא 7.5-8.5, בעוד שה-pH האופטימלי עבור חיידקים צוברים פולי-פוספט הוא 6.5-8.0. הטמפרטורה האופטימלית עבור מיקרואורגניזמים היא 20-30 מעלות. טמפרטורות נמוכות יפחיתו משמעותית את פעילות החיידקים ואת יעילות הטיפול.

4. גיל בוצה: לחיידקים המחנקים יש מחזור דור ארוך, הדורש גיל בוצה ארוך יותר כדי להבטיח שרידות חיידקים. לחיידקים המצטברים פוליפוספטים-, לעומת זאת, גיל בוצה קצר יותר; גילאי בוצה ארוכים מדי עלולים להוביל לשחרור זרחן מהבוצה. לכן, התהליך בפועל צריך לאזן את גיל הבוצה כדי להבטיח יעילות סילוק חנקן וזרחן כאחד.

בהתבסס על עקרונות הליבה שלעיל של סילוק חנקן וזרחן, התעשייה פיתחה תהליכים בשלים שונים, שמטרתם ליצור סביבות תגובה אנאירובית, אנוקסית ואירובית מתחלפות. תהליך A²/O הוא תהליך הסרת חנקן וזרחן הקלאסי ביותר בו-זמנית. זה משלים ברצף שחרור זרחן ואחסון פחמן על ידי חיידקים פוליפוספטים -הצוברים באזור האנאירובי, דניטריפיקציה באזור האנוקסי, וניטריפיקציה וספיגה מוגזמת של זרחן על ידי חיידקים פוליפוספטים - הצבורים באזור האיירובי. לבסוף, סילוק חנקן וזרחן בו זמנית מושגת באמצעות שקיעה והזרמת בוצה. בנוסף, תהליכי A²/O, SBR ותעלת חמצון מתוקנים מבוססים כולם על עקרונות ליבה ביוכימיים, אופטימיזציה של מבנה המיכל ורצף ההפעלה כדי להתאים לצרכי טיפול שונים באיכות המים.

המהות של סילוק חנקן וזרחן ביולוגי ממי שפכים היא ניצול המאפיינים המטבוליים המובחנים של מיקרואורגניזמים פונקציונליים וויסות מלאכותי של הסביבה המימית כדי להשיג את הטרנספורמציה של מזהמי חנקן וזרחן וסילוקם מגוף המים. הסרת חנקן מסתמכת על התגובות הדרגתיות של אמוניפיקציה, ניטריפיקציה ודניטריפיקציה להשגת סילוק גזים, בעוד שהסרת זרחן מסתמכת על המטבוליזם המחזורי של חיידקים פוליפוספטים-הצוברים-זרחן אנאירובי וספיגה של זרחן אנאירובי{3} וספיגה אירובית של{3} זרחן. הסרה. הבנה מעמיקה של העקרונות הביוכימיים שלה היא הבסיס הליבה לייעול תהליכי טיפול בשפכים, שיפור יעילות סילוק החנקן והזרחן ופתרון בעיית האאוטרופיקה במקווי מים. זה גם מספק תמיכה תיאורטית חשובה לשימור אנרגיה, הפחתת פליטות ושדרוג של טיפול בשפכים.