اصل حذف بیولوژیکی نیتروژن و فسفر در فاضلاب

آلاینده‌های نیتروژن و فسفر بیش از حد در بدنه‌های آبی عامل اصلی مشکلات محیطی آبی مانند آبرسانی، شکوفایی جلبک‌ها و جزر و مد قرمز هستند که منجر به یک سری مسائل از جمله بدتر شدن کیفیت آب، عدم تعادل اکوسیستم آبی و تهدید ایمنی آب آشامیدنی می‌شود. در مقایسه با فرآیندهای تصفیه شیمیایی و فیزیکی، فناوری حذف بیولوژیکی نیتروژن و فسفر به دلیل مزایایی مانند اثرات تصفیه پایدار، هزینه های عملیاتی پایین، عدم آلودگی ثانویه و سازگاری با سناریوهای تصفیه فاضلاب شهری و صنعتی به فرآیند اصلی برای تصفیه پیشرفته فاضلاب در تصفیه خانه های فاضلاب فعلی تبدیل شده است. اصل اصلی حذف بیولوژیکی نیتروژن و فسفر در فاضلاب استفاده از فعالیت‌های متابولیکی میکروارگانیسم‌های عملکردی مختلف در یک محیط کنترل‌شده متناوب بی‌هوازی، بی‌هوازی و هوازی برای تبدیل تدریجی آلاینده‌هایی مانند نیتروژن آلی، نیتروژن آمونیاکی، و فسفر کل موجود در پساب است که از پساب‌ها به موادی تبدیل می‌شوند که به صورت گازی تبدیل می‌شوند. بدن آب، در نتیجه دستیابی به تصفیه آب.

نیتروژن در فاضلاب به اشکال پیچیده، عمدتاً شامل نیتروژن آلی، نیتروژن آمونیاکی، نیتروژن نیتریت و نیتروژن نیترات وجود دارد. حذف بیولوژیکی نیتروژن یک فرآیند واکنشی نیست، بلکه یک -واکنش بیوشیمیایی میکروبی سه مرحله‌ای است-آمونیاسیون، نیتریفیکاسیون و نیتروژن زدایی{3}} که در نهایت اشکال مختلف نیتروژن را به گاز نیتروژن تبدیل می‌کند و آن را از بدنه آب خارج می‌کند و به حذف کامل نیتروژن می‌رسد. کل فرآیند متکی بر فعالیت های متابولیکی جوامع مختلف باکتریایی در محیط های خاص آنهاست.

(I) واکنش آمونیاکی (تبدیل نیتروژن آلی)

در شرایط هوازی یا بی‌هوازی، آلاینده‌های نیتروژن آلی موجود در فاضلاب، مانند پروتئین‌ها، اوره و اسیدهای آمینه، هیدرولیز شده و از طریق تجزیه و متابولیسم باکتری‌های آمونیاک‌کننده به نیتروژن آمونیاکی معدنی (NH3{0}}N) اکسید می‌شوند. این واکنش، پیش{2}}واکنش اساسی حذف بیولوژیکی نیتروژن است، بسیار سازگار با محیط است و نیازی به کنترل دقیق پارامترهایی مانند اکسیژن محلول و دما ندارد و به آن اجازه می‌دهد تحت شرایط تصفیه فاضلاب معمولی به آرامی پیش رود. فرآیند واکنش، نیتروژن آلی پیچیده را به نیتروژن معدنی ساده تبدیل می‌کند و بسترهایی را برای واکنش‌های نیتریفیکاسیون و نیتروژن‌زدایی بعدی فراهم می‌کند و اولین گام در حذف نیتروژن است.

(II) نیتریفیکاسیون (اکسیداسیون نیتروژن آمونیاکی)

نیتریفیکاسیون یک واکنش اکسیداسیون است که توسط میکروارگانیسم های اتوتروف هوازی غالب می شود و شامل دو مرحله است: نیتریفیکاسیون و نیتریفیکاسیون. اکسیژن کافی در طول فرآیند مورد نیاز است و میکروارگانیسم‌ها سرعت رشد آهسته، چرخه‌های تولید طولانی و حساسیت بالایی به دمای محیط، pH و اکسیژن محلول از خود نشان می‌دهند. مرحله اول نیتریفیکاسیون است که در آن باکتری های نیتریفیکاسیون نیتروژن آمونیاکی را به نیتروژن نیتریت اکسید می کنند. مرحله دوم نیتریفیکاسیون است، که در آن باکتری های نیتریفیکاسیون نیتروژن نیتریت را بیشتر به نیتروژن نیترات پایدار اکسید می کنند.

باکتری های نیتریفیکاتور اتوتروف هستند، به این معنی که آلاینده های آلی در فاضلاب را مصرف نمی کنند. در عوض، آنها از انرژی شیمیایی حاصل از اکسیداسیون نیتروژن آمونیاکی به عنوان منبع انرژی برای تثبیت دی اکسید کربن و سنتز مواد خود استفاده می کنند. این فرآیند یک مرحله اکسیداسیون کلیدی در حذف نیتروژن است، که تبدیل نیتروژن احیا کننده به نیتروژن اکسید کننده و فراهم کردن بسترهای واکنش برای نیتروژن زدایی بعدی است.

(III) نیترات زدایی (حذف نیتروژن نیترات)

نیترات زدایی یک واکنش کاهشی است که توسط میکروارگانیسم‌های هتروتروف بی‌هوازی غالب می‌شود و آخرین مرحله اصلی در حذف بیولوژیکی نیتروژن است. در یک محیط بی هوازی فاقد اکسیژن مولکولی اما حاوی نیتروژن نیترات، باکتری‌های نیترات زدایی از منابع کربن آلی موجود در فاضلاب به عنوان اهداکننده الکترون استفاده می‌کنند تا به تدریج نیترات نیتروژن و نیتریت نیتروژن تولید شده در واکنش نیتریفیکاسیون را کاهش دهند، در نهایت گاز نیتروژن تولید می‌کنند (N2) که آب نیتروژن به طور کامل از سطح خارج می‌شود.

فرآیند نیترات زدایی باید بین محیط های بی هوازی و بدون اکسیژن تمایز قائل شود. در حالی که یک محیط بی هوازی فاقد اکسیژن ترکیبی است و از واکنش نیترات زدایی جلوگیری می کند. به طور همزمان، یک منبع کربن آلی یک شرط اصلی برای نیترات زدایی است. منابع کربن ناکافی به طور مستقیم منجر به کاهش قابل توجهی در راندمان حذف نیتروژن می شود. در مهندسی عملی، مکمل با منابع کربن برون زا اغلب برای اطمینان از اثربخشی حذف نیتروژن استفاده می شود.

گروه اصلی باکتریایی عملکردی برای حذف بیولوژیکی فسفر، باکتری های تجمع کننده پلی فسفات (PAOs) است. این میکروارگانیسم‌ها دارای ویژگی‌های متابولیک منحصربه‌فردی هستند که آنها را قادر می‌سازد تا چرخه «آزادسازی-جذب فسفر» را در محیط‌های بی‌هوازی و هوازی متناوب تکمیل کنند و در نهایت از طریق تخلیه لجن اضافی، کل فسفر را از بدنه آب حذف کنند. برخلاف نیترات زدایی، حذف بیولوژیکی فسفر هیچ محصول فرعی گازی تولید نمی کند. در عوض، فسفات های موجود در آب را درون میکروارگانیسم ها جامد می کند و آنها را به صورت لجن آزاد می کند.

(I) مرحله آزادسازی فسفر بی هوازی

در یک محیط کاملاً بی‌هوازی، بدون اکسیژن مولکولی و نیتروژن نیترات، باکتری‌های انباشته‌کننده پلی‌فسفات (PABs) نمی‌توانند از اکسیژن خارجی برای تنفس هوازی استفاده کنند و منابع انرژی متابولیکی آنها را محدود می‌کند. در این حالت، PPAها پلی فسفات‌های ذخیره شده در سلول‌های خود را تجزیه می‌کنند و انرژی برای جذب منابع کربن آلی با وزن کم-مولکولی- مانند اسیدهای چرب فرار (VFAs) از فاضلاب آزاد می‌کنند و آنها را به پلی هیدروکسی آلکانوات‌ها (PHA) برای ذخیره در سلول‌ها تبدیل می‌کنند. در طی این فرآیند، فسفات‌های درون سلولی در فاضلاب آزاد می‌شوند و باعث افزایش لحظه‌ای در محتوای فسفر آب می‌شوند-این فرآیند آزادسازی بی‌هوازی فسفر است.

(II) مرحله جذب فسفر اضافی هوازی

هنگامی که محیط به حالت هوازی تغییر می کند، PPA ها دیگر منابع کربن آلی را جذب نمی کنند، بلکه در عوض PHA های ذخیره شده در مرحله بی هوازی را تجزیه می کنند و مقدار زیادی انرژی از طریق اکسیداسیون و تجزیه مواد آلی به دست می آورند. با استفاده از این انرژی، باکتری های انباشته کننده پلی فسفات (PACs) بیش از حد فسفات را از فاضلاب جذب می کنند که بسیار بیشتر از مقدار آزاد شده در مرحله بی هوازی است. سپس فسفات اضافی به عنوان پلی فسفات در سلول‌ها ذخیره می‌شود و باعث غنی‌سازی فسفر و حذف آن از آب می‌شود.

در نهایت، PACهای{0}غنی از فسفر با لجن ته نشین می شوند و از طریق تخلیه لجن زباله سیستم به طور کامل از سیستم فاضلاب حذف می شوند، بنابراین کل فرآیند حذف بیولوژیکی فسفر تکمیل می شود. ویژگی‌های متابولیکی متناوب PACها هسته اصلی حذف بیولوژیکی فسفر هستند و یک تغییر بی‌هوازی{2}}پایدار محیط هوازی برای اطمینان از راندمان حذف فسفر بسیار مهم است.

اثربخشی حذف بیولوژیکی نیتروژن و فسفر کاملاً به فعالیت میکروبی بستگی دارد. ویژگی های متابولیک میکروارگانیسم ها پارامترهای کنترل اصلی عملیات فرآیند را تعیین می کند. عوامل اصلی تأثیرگذار شامل دو دسته پارامترهای محیطی و پارامترهای کیفیت آب می باشد.

1. اکسیژن محلول: نیتریفیکاسیون و جذب فسفر هوازی به اکسیژن محلول کافی نیاز دارد. نیترات زدایی بدون اکسیژن به محیطی کاملاً کم-اکسیژن نیاز دارد. و آزادسازی فسفر بی هوازی نیازمند یک محیط کاملاً بی هوازی است. اختلال در محیط اکسیژن به طور مستقیم منجر به شکست در حذف نیتروژن و فسفر خواهد شد.

2. محتوای منبع کربن: هم باکتری های نیترات زدایی کننده و هم باکتری های انباشته کننده پلی فسفات- برای متابولیسم به منابع کربن آلی وابسته هستند. هنگامی که نسبت کربن به-کربن به-نسبت کربن-به-فسفر فاضلاب بسیار کم است، منابع کربن برون زا مانند استات سدیم و گلوکز باید اضافه شوند. در غیر این صورت حذف ناقص نیتروژن و راندمان حذف فسفر پایین رخ خواهد داد.

3. pH و دما: pH بهینه برای باکتری های نیتریف کننده 7.5-8.5 است، در حالی که pH مطلوب برای باکتری های تجمع کننده پلی فسفات 6.5-8.0 است. دمای مطلوب برای میکروارگانیسم ها 20-30 درجه است. دمای پایین به طور قابل توجهی فعالیت باکتری ها و کارایی درمان را کاهش می دهد.

4. سن لجن: باکتری های نیتریفیک کننده چرخه تولید طولانی دارند و برای اطمینان از بقای باکتری ها به سن لجن طولانی تری نیاز دارند. از سوی دیگر، باکتری های تجمع کننده پلی فسفات، سن لجن کوتاه تری دارند. سن بیش از حد طولانی لجن می تواند منجر به آزاد شدن فسفر از لجن شود. بنابراین، فرآیند واقعی نیاز به متعادل کردن سن لجن دارد تا از راندمان حذف نیتروژن و فسفر اطمینان حاصل شود.

بر اساس اصول اصلی فوق حذف نیتروژن و فسفر، صنعت فرآیندهای بالغ مختلفی را توسعه داده است که هدف همه آنها ایجاد محیط های واکنش متناوب بی هوازی، بدون اکسیژن و هوازی است. فرآیند A²/O کلاسیک ترین فرآیند حذف همزمان نیتروژن و فسفر است. به‌طور متوالی آزادسازی فسفر و ذخیره‌سازی کربن را با تجمع باکتری‌های پلی‌فسفات-در ناحیه بی‌هوازی، نیتریفیکاسیون در ناحیه بدون اکسیژن، و نیتریفیکاسیون و جذب بیش از حد فسفر توسط پلی‌فسفات-در ناحیه هوازی تکمیل می‌کند. در نهایت، حذف همزمان نیتروژن و فسفر از طریق رسوب گذاری و تخلیه لجن حاصل می شود. علاوه بر این، فرآیندهای اصلاح‌شده A²/O، SBR و خندق اکسیداسیون همگی بر اساس اصول اصلی بیوشیمیایی، بهینه‌سازی ساختار مخزن و توالی عملیاتی برای انطباق با نیازهای مختلف تصفیه آب هستند.

ماهیت حذف بیولوژیکی نیتروژن و فسفر از فاضلاب، استفاده از ویژگی‌های متابولیک متمایز میکروارگانیسم‌های عملکردی و تنظیم مصنوعی محیط آبی برای دستیابی به تبدیل آلاینده‌های نیتروژن و فسفر و حذف آنها از بدنه آبی است. حذف نیتروژن به واکنش های مرحله ای آمونیفیکاسیون، نیتریفیکاسیون و نیترات زدایی برای دستیابی به حذف گازی متکی است، در حالی که حذف فسفر متکی بر متابولیسم چرخه ای پلی فسفات-باکتری های انباشته-آزادسازی بی هوازی فسفر و جذب هوازی فسفر و جذب جامد و حذف{3} است. درک کامل اصول بیوشیمیایی آن، پایه اصلی برای بهینه سازی فرآیندهای تصفیه فاضلاب، بهبود راندمان حذف نیتروژن و فسفر، و حل مشکل اوتروفیکاسیون در بدنه های آبی است. همچنین پشتیبانی نظری مهمی برای حفظ انرژی، کاهش انتشار و ارتقاء تصفیه فاضلاب فراهم می کند.