فناوری حذف فسفر نیترات زدایی

1. مکانیسم حذف فسفر نیترات زدایی

باکتری‌های اسید بالا، مولکول‌های آلی بزرگ را در شرایط بی‌هوازی به اسیدهای چرب-مولکولی{2} کم‌وزن تجزیه می‌کنند. DPB (Distilled Bismuth Biota) پلی‌فسفات‌ها را در سلول‌های خود تحت شرایط بی‌هوازی تجزیه می‌کند تا ATP تولید کند، اسیدهای چرب را از طریق حمل‌ونقل فعال جذب کند و پلی ({4}}هیدروکسی بوتیرات) (PHB) را سنتز کند، در حالی که به طور همزمان PO43 آزاد می‌کند. پس از انباشته شدن مقادیر زیادی PHB، DPB با استفاده از NO3{12}} به عنوان گیرنده الکترون برای اکسیداسیون PHB وارد حالت بی هوازی می شود. از تخریب PHB برای تولید انرژی و ارائه قدرت کاهنده (نیکوتین آدنین دی نوکلئوتید (NADH) استفاده می کند و از NADH+H+ به عنوان حامل زنجیره انتقال الکترون برای حذف پروتون ها استفاده می کند و در نتیجه نیروی محرکه پروتون را تشکیل می دهد. این نیروی پروتون محور، PO43- را منتقل می کند، ATP از خارج از بدن به داخل بدن سنتز می شود. پلیمریزاسیون اضافی PO43 به پلی فسفات ها ATP تولید شده توسط DPB در شرایط بی هوازی از طریق زنجیره انتقال الکترون از ATP تولید شده در شرایط بی هوازی از طریق تجزیه پلی فسفات در بدن بیشتر از فسفر آزاد شده از DP است فاضلاب

2. عوامل اصلی موثر بر نیترات زدایی و حذف فسفر

2.1 نسبت کربن-به نیتروژن

بر اساس تئوری سنتی حذف فسفر، وجود منابع کربن در ناحیه بدون اکسیژن یا نیترات ها در منطقه بی هوازی منجر به رقابت بین باکتری های نیترات زدایی و DPB برای نیتروژن نیترات گیرنده الکترون یا برای منابع کربن می شود، بنابراین مزیت انتخابی DPB را کاهش می دهد و راندمان حذف فسفر را تحت تاثیر قرار می دهد. این امر مستلزم نسبت مناسب کربن به نیتروژن در ورودی است. با این حال، تحقیقات Ahn J. و همکاران. نشان می‌دهد که در شرایط بی‌هوازی/هوازی (A/O)، سازگاری طولانی‌مدت منابع کربن و مقدار کمی نیترات وارد منطقه بی‌هوازی، غنی‌سازی DPB را تقویت می‌کند و DPB می‌تواند ظرفیت جذب فسفر بدون اکسیژن خود را در شرایط A/O حفظ کند. از دیدگاه میکروبیولوژیکی، دو توضیح وجود دارد: یکی این که DPB مستقیماً از منابع کربن در ناحیه بی هوازی از طریق چرخه اسید تری کربوکسیلیک (TCA) استفاده می کند. مورد دیگر این است که DPB منابع کربن را در طول دوره بی هوازی از طریق چرخه TCA اکسید می کند تا قدرت و انرژی کاهشی برای تجمع اسیدهای پلی هیدروکسی آلکانوئیک به دست آورد و در طول دوره هوازی زنده بماند. گزارش دیگری در رابطه با خصوصیات فیزیولوژیکی DPB در این زمینه منتشر نشده است.

2.2 روش های دوز نیترات

دو روش برای افزودن نیترات در ناحیه بدون اکسیژن وجود دارد: افزودن آنی و افزودن مداوم. افزودن مداوم کمی موثرتر است و همچنین از تجمع نیتریت جلوگیری می کند. با توجه به تأثیر زمان افزودن مداوم بر سرعت جذب فسفر، Zou Hua و همکاران. نشان داد که سرعت جذب فسفر در زمانی که زمان افزودن پیوسته 2 ساعت بود بیشتر از زمانی که 3.5 ساعت بود بیشتر بود. با این حال، در حال حاضر هیچ گزارشی در مورد رابطه خاص بین نرخ افزودن و نرخ جذب فسفر وجود ندارد. اسناد فنی بیشتر را می توان در شبکه مهندسی تصفیه فاضلاب چین یافت.

2.3 SRT

DPB در شرایط A/A کندتر از شرایط A/O رشد می کند. SRT خیلی کوتاه باعث حذف DPB در راکتور می شود، در حالی که طولانی بودن SRT باعث پیری لجن و کاهش محتوای فسفر می شود. مرزوکی م گزارش داد که راندمان حذف فسفر سیستم حذف فسفر نیترات زدایی SBR زمانی که SRT 15 روز بود 1.8 برابر بیشتر از زمانی که 7.5 روز بود، بود. برای فرآیندهای لجن دانه ای که برای حذف فسفر و نیتروژن استفاده می شود، ساختار لجن به دلیل جامعه بیولوژیکی غنی تر و یکپارچه تر آن پیچیده است. نحوه متعادل کردن DPB، پلی فسفات{8}}جمع آوری باکتری ها، و باکتری های نیتریف کننده از طریق سن لجن نامشخص است.

2.4 نیتریت

در حال حاضر دو نظر در مورد اینکه نیتریت جذب فسفر را مهار می کند یا خیر وجود دارد و این نظرات بر اساس موضوعات مختلف تحقیقاتی است. با استفاده از لجنی که تحت نیتریت زدایی و سازگاری حذف فسفر قرار نگرفته است، نتایج به طور مداوم نشان می دهد که غلظت نیتریت بیش از حد بحرانی، جذب فسفر را مهار می کند. آزمایش‌های وانگ یا-یی و همکاران. نشان داد که جذب فسفر زمانی که غلظت نیتریت از 15 میلی‌گرم در لیتر فراتر رود، مهار می‌شود، در حالی که آزمایش‌های Meinhold J. و همکاران. نشان داد که غلظت بحرانی نیتریت 5-8 میلی گرم در لیتر است. با این حال، استفاده از لجنی که تحت نیترات زدایی و سازگاری حذف فسفر قرار گرفته است به عنوان موضوع تحقیق نتایج متفاوتی را به همراه دارد. آزمایش‌های Hu JY نشان داد که علاوه بر باکتری‌های انباشته‌کننده پلی‌فسفات (PABs) و DPB به‌طور گسترده شناسایی شده، گروه سومی از PPB نیز وجود دارد. این PPB ها می توانند از نیتریت به عنوان گیرنده الکترون برای جذب فسفر استفاده کنند. علاوه بر این، آزمایش‌ها نشان داد که وقتی غلظت اولیه نیتریت کمتر از 115 میلی‌گرم در لیتر بود، مهار قابل‌توجهی از جذب فسفر وجود نداشت. غلظت نیتریت در تصفیه خانه های فاضلاب خانگی به وضوح بسیار کمتر از این غلظت بحرانی است، بنابراین بر حذف بیولوژیکی فسفر تأثیر منفی نخواهد گذاشت. بسیاری از عوامل دیگر بر حذف فسفر نیترات زدایی تأثیر می گذارند، مانند دما (DPB به ویژه به دما، به ویژه دماهای پایین حساس است) و کاتیون ها (Mg2+ و K+). در حال حاضر تحقیقات کمی در مورد این جنبه ها انجام شده است و تعامل بین عوامل مختلف باعث افزایش دشواری تحقیق می شود.

3. رویکردهای جدید برای دستیابی به حذف فسفر نیترات زدایی

فرآیندهای سنتی حذف فسفر نیترات زدایی عبارتند از: ① فرآیند بی هوازی/آنوکسیک و نیتریفیکاسیون (A2N). این فرآیند یک فرآیند حذف فسفر دنیتریفیکاسیون دوگانه-لجن است که در آن باکتری‌های نیتریفیکاتور و DPB به طور جداگانه در سیستم‌های لجن مختلف کشت می‌شوند و باکتری‌های نیتریفیک‌کننده را به طور کامل از DPB جدا می‌کنند. فرآیند A2N برای موقعیت هایی با نسبت کربن و نیتروژن کم مناسب است. ② فرآیند Dephanox. هنگامی که محتوای کربن و نیتروژن ورودی بالا باشد، باید یک مخزن هوادهی بعد از مخزن اکسیژن در فرآیند A2N اضافه شود، بنابراین فرآیند DEPHANOX تشکیل می شود.

③ فرآیند BCFS. این فرآیند یک فرآیند UCT تغییر یافته است. اصل طراحی فرآیند UCT مبتنی بر بهبود مهندسی شرایط محیطی مورد نیاز باکتری‌های انباشته‌کننده پلی‌فسفات-است، در حالی که توسعه BCFS برای ایجاد شرایط غنی‌سازی برای DPB از منظر فرآیند است. اخیراً پیشرفتی در تحقیق در مورد کاربرد فن آوری حذف فسفر نیترات زدایی صورت گرفته است. واحدهایی که نیاز به تصفیه فاضلاب دارند نیز می توانند با شرکت هایی که تجربه مشابهی در زمینه تصفیه فاضلاب دارند در پلت فرم خدمات پروژه گنجینه فاضلاب مشورت کنند.

3.1 روش AOA{1}}SBR

فرآیند بی هوازی / بی اکسیژن / هوازی (A2O) شکل رایج حذف نیتروژن و فسفر است. عمدتاً از طریق متابولیسم پلی فسفات-باکتری‌های تجمع‌دهنده، باکتری‌های نیتریفیک‌کننده و باکتری‌های نیترات زدایی عمل می‌کند. بنابراین گردش مایعات حاوی نیترات و نیتریت در این فرآیند ضروری است. سوندا اس و همکاران یک فرآیند بی‌هوازی/هوازی/آنوکسیک (AOA) در SBR (راکتور بیوشیمیایی خود{7})، که به طور کامل از ویژگی DPB (دی فسفات پلی فسفات) برای حذف همزمان نیتروژن و فسفر در شرایط بدون اکسیژن و بدون منبع کربن استفاده می‌کند. این اجازه می دهد تا نیترات زدایی در بخش آنوکسیک بدون منبع کربن اتفاق بیفتد و نیاز به گردش بین مخازن هوازی و بدون اکسیژن را از بین ببرد و در نتیجه حذف همزمان نیتروژن و فسفر در یک SBR منفرد حاصل شود. آزمایش‌ها همچنین نشان داده‌اند که این فرآیند می‌تواند به اثرات حذف نیتروژن و فسفر عالی در هنگام تصفیه فاضلاب مصنوعی با نسبت کربن به نیتروژن کمتر از 10، با میانگین میزان حذف نیتروژن و فسفر به ترتیب 83 و 92 درصد، دست یابد. این فرآیند نه تنها DPB را غنی می کند، بلکه باعث می شود DPB نقش مهمی در حذف فسفر و نیتروژن داشته باشد. نتایج تجربی نشان می‌دهد که DPB 44 درصد از کل باکتری‌های انباشته‌شده پلی‌فسفات-در فرآیند AOA{19}}SBR را تشکیل می‌دهد، که به طور قابل‌توجهی بالاتر از فرآیندهای A/O{20}}SBR (13%) و A2O (21%) است.

فرآیند AOA-SBR دارای دو ویژگی کلیدی است: ① مقدار مناسبی از منبع کربن در ابتدای فاز هوازی برای مهار جذب هوازی فسفر اضافه می‌شود. در این آزمایش مقدار بهینه منبع کربن اضافه شده در فاز هوازی 40 میلی گرم در لیتر بود.

② در این فرآیند، نیتریت می تواند به عنوان گیرنده الکترون برای جذب فسفر عمل کند.

3.2 فرآیند لجن دانه ای

لجن دانه ای برای حذف نیتروژن و فسفر در حال حاضر هنوز در مرحله تحقیق است. در مقایسه با فرآیندهای لجن معمولی، لجن دانه ای هوازی عملکرد ته نشینی بهتر، غلظت زیست توده بالاتر و میزان رطوبت لجن کمتری دارد. با استفاده از لجن دانه ای، می توان بر مشکلات موجود در لجن معمولی (مانند حجیم شدن لجن، ردپای زیاد سازه های تصفیه و آزادسازی ثانویه فسفر از زلال سازها) غلبه کرد. آزمایش های Dulekgurgen E. et al. نشان داد که لجن دانه‌ای دارای زیست توده پایدار است که میزان حذف COD، فسفر و نیتروژن به ترتیب 95%، 99.6% و 71% است. نتایج تحقیقات داخلی با این یافته ها مطابقت دارد و لجن دانه ای هوازی دارای قابلیت نیترات زدایی و حذف فسفر است. به دلیل ساختار منحصربه‌فرد لجن دانه‌ای و وجود گرادیان انتشار اکسیژن، محیطی را برای همزیستی باکتری‌های تجمع‌کننده پلی‌فسفات، باکتری‌های نیتریف کننده و DPB فراهم می‌کند. مقادیر زیادی DPB و باکتری های نیتریفیک کننده در لجن دانه ای تجمع می یابند. آزمایشات یانگ گوجینگ و همکاران نشان داد که DPB 73.1 درصد از کل باکتری‌های تجمع‌کننده پلی‌فسفات-در لجن دانه‌ای را تشکیل می‌دهد. کشت لجن دانه ای دشوارتر از کشت لجن معمولی است و عوامل مؤثر بر آن نسبتاً پیچیده هستند.

علاوه بر عوامل مؤثر در نیترات زدایی لجن معمولی و حذف فسفر، لجن دانه ای دارای عوامل تأثیرگذار منحصر به فرد خود است: ① تعامل بین غلظت DO و اندازه ذرات تأثیر قابل توجهی بر راندمان نیترات زدایی و حذف فسفر دارد. اگر اندازه ذرات خیلی کوچک باشد، نفوذ اکسیژن نسبتاً قوی است و بر تشکیل ناحیه بدون اکسیژن تأثیر می گذارد و منجر به عدم توانایی در دستیابی به نیترات زدایی و حذف فسفر می شود.

② حفظ نسبت مناسب نیتروژن به فسفر برای دانه بندی لجن و ظرفیت حذف فسفر بسیار مهم است. زمانی که نسبت نیتروژن به ③ آزمایش‌های Lin Y{10}}M و همکاران. رابطه نزدیکی بین اندازه ذرات و نسبت جرمی فسفر به{13}}کربن نشان داد. نسبت جرمی فسفر{15}به{16}}کربن بالا می‌تواند منجر به ذرات کوچک‌تر با ساختار فشرده‌تر شود، بنابراین SVI را کاهش می‌دهد و تجمع باکتری‌های پلی‌فسفات را افزایش می‌دهد.

3.3 فرآیند بیوفیلم دسته ای توالی یابی هوالیفت با گردش داخلی

فرآیند بیوفیلم دسته ای توالی یابی هوابرد گردشی داخلی (SBBR) عمدتاً برای حذف یکپارچه فسفر و نیتروژن طراحی شده است. مطالعات Zhang ZY و همکاران. نشان داد که حمل و نقل هوایی گردش داخلی SBBR به نرخ حذف نیتروژن و فسفر پایدار دست یافت. میزان حذف COD، N و P تحت چگالی بسته بندی بهینه و بار آلی به ترتیب 3.3±95.3%، 4.1±94.6% و 8.3±73.1% بود. راکتور توسط یک پارتیشن{12}}یک ناحیه هوازی و یک ناحیه رفلاکس به دو ناحیه تقسیم می‌شود. باکتری‌های نیتریفیک‌کننده و پلی‌فسفات هوازی{14} در ناحیه هوازی تجمع می‌یابند، در حالی که DPB در ناحیه رفلکس یافت می‌شود. در طول دوره بی هوازی، DPB در ناحیه رفلاکس و پلی فسفات{16}}باکتری های تجمع یافته در ناحیه هوازی، بستر آلی را جذب می کنند. در طول دوره هوازی/آنوکسیک، باکتری‌های نیتریفیکاسیون در ناحیه هوازی NO3- و NO2- تولید می‌کنند تا گیرنده‌های الکترون برای جذب فسفر DPB فراهم کنند، بنابراین نیتروژن و فسفر را حذف می‌کنند. حذف لجن یک عامل حیاتی موثر بر حذف فسفر است که با تنظیم چگالی بسته بندی الیاف می توان به آن دست یافت. SBBRهای معمولی راندمان حذف نیتروژن و فسفر ضعیفی دارند که عمدتاً به دلیل رقابت برای اکسیژن و مواد مغذی بین باکتری‌های نیتریف کننده و باکتری‌های هتروتروف در بیوفیلم است. در مقایسه با SBBR های معمولی، SBBR با گردش داخلی از این رقابت جلوگیری می کند. در مقایسه با فرآیندهای لجن فعال معمولی، این راکتور باعث صرفه جویی در انرژی و سرمایه گذاری می شود.

4. چشم انداز

نتایج اولیه در تحقیقات فناوری حذف فسفر نیترات زدایی هم در داخل و هم در سطح بین المللی به دست آمده است و این فناوری از تحقیقات پایه به کاربرد مهندسی پیشرفت کرده است. در حال حاضر، درک ما از ساختار و عملکرد جامعه میکروبی در سیستم‌های حذف فسفر نیترات زدایی هنوز محدود است. ساختار جامعه میکروبی به طور قابل توجهی بین سیستم های مختلف متفاوت است و جامعه میکروبی در همان سیستم نیز بسیار پیچیده است. تکنیک‌های زیست‌شناسی مولکولی را می‌توان برای ردیابی پویایی جامعه میکروبی و شناسایی گروه‌های عملکردی مورد استفاده قرار داد، که رابطه بین ساختار و عملکرد جامعه میکروبی را آشکار می‌کند، در نتیجه کنترل بهتر مهندسی تصفیه بیولوژیکی را ممکن می‌سازد. تکنیک های زیست شناسی مولکولی مورد استفاده در حذف بیولوژیکی فسفر شامل واکنش زنجیره ای پلیمراز (PCR)، پلی مورفیسم طول قطعه محدود (RFLP) و تکنیک های پروب الیگونوکلئوتیدی است. مطالعات عموماً باکتری های تجمع کننده پلی فسفات (PABs) را از گروه های رودوسیکلوس و دکلریموناس -پروتئوباکتری ها در نظر می گیرند. ساتوشی تی و همکاران از RFLP برای مطالعه ویژگی‌های باکتری‌های تجمع‌دهنده پلی‌فسفات (DPBs) استفاده کرد که نشان می‌دهد DPB‌ها Thauera mechrnichensis و Azoarcus tolulyticus از گروه Rhodocyclus هستند. ما نیاز داریم که میکروبیولوژی و مهندسی سیستم های حذف فسفر نیترات زدایی را از نزدیک ادغام کنیم. از طریق شناسایی میکروبی و مطالعات اکولوژیکی، ما می‌توانیم کمیت و ساختار جامعه DPBها را در سیستم تجزیه و تحلیل و تعیین کنیم، درک کنیم که چگونه پارامترهای عملیاتی بر ویژگی‌ها، توزیع تراکم جمعیت و توزیع فضایی PPBs، باکتری‌های نیتروف کننده و DPBs تاثیر می‌گذارند، در نتیجه به افزایش مصنوعی نیترات زدایی و تقویت فن‌آوری‌های جدید تصفیه فسفر و تقویت سیستم‌های حذف فسفر جدید، و بهینه‌سازی سیستم‌های حذف فسفر، کمک می‌کنند.