Prinsippet for biologisk nitrogen- og fosforfjerning i avløpsvann

For mye nitrogen og fosfor i vannforekomster er hovedårsaken til vannmiljøproblemer som eutrofiering, algeoppblomstring og røde tidevann, noe som fører til en rekke problemer, inkludert forringelse av vannkvaliteten, ubalanse i akvatiske økosystemer og trusler mot sikkerheten i drikkevannet. Sammenlignet med kjemiske og fysiske behandlingsprosesser, har biologisk nitrogen- og fosforfjerningsteknologi blitt kjerneprosessen for avansert avløpsvannbehandling i dagens avløpsrenseanlegg på grunn av fordelene som stabile renseeffekter, lave driftskostnader, ingen sekundær forurensning og tilpasningsevne til kommunale og industrielle avløpsvannbehandlingsscenarier. Kjerneprinsippet for biologisk nitrogen- og fosforfjerning i avløpsvann er å utnytte de metabolske aktivitetene til forskjellige funksjonelle mikroorganismer i et kontrollert alternerende anaerobt, anoksisk og aerobt miljø for gradvis å omdanne forurensende stoffer som organisk nitrogen, ammoniakknitrogen og totalt fosfor i avløpsvannet til slam eller fast stoff som slippes ut i avløpsvann. fra vannforekomsten, for derved å oppnå vannrensing.

Nitrogen i avløpsvann finnes i komplekse former, hovedsakelig inkludert organisk nitrogen, ammoniakknitrogen, nitrittnitrogen og nitratnitrogen. Biologisk nitrogenfjerning er ikke en enkelt reaksjonsprosess, men snarere en tre-trinns mikrobiell biokjemisk reaksjon-ammoniering, nitrifikasjon og denitrifikasjon-som til slutt konverterer ulike former for nitrogen til nitrogengass, fjerner den fra vannforekomsten og oppnår total nitrogenfjerning. Hele prosessen er avhengig av de metabolske aktivitetene til forskjellige bakteriesamfunn i deres spesifikke miljøer.

(I) Ammoniasjonsreaksjon (omdannelse av organisk nitrogen)

Under aerobe eller anaerobe forhold blir organiske nitrogenforurensninger i avløpsvann, som proteiner, urea og aminosyrer, hydrolysert og oksidert til uorganisk ammoniakknitrogen (NH₃-N) gjennom nedbryting og metabolisme av ammonifiserende bakterier. Denne reaksjonen er den grunnleggende for-reaksjonen for biologisk nitrogenfjerning, svært tilpasningsdyktig til miljøet, og krever ikke streng kontroll av parametere som oppløst oksygen og temperatur, slik at den kan fortsette jevnt under konvensjonelle behandlingsforhold for avløpsvann. Reaksjonsprosessen konverterer komplekst organisk nitrogen til enkelt uorganisk nitrogen, og gir substrater for påfølgende nitrifikasjons- og denitrifikasjonsreaksjoner, og er det første trinnet i nitrogenfjerning.

(II) Nitrifikasjon (ammoniakknitrogenoksidasjon)

Nitrifikasjon er en oksidasjonsreaksjon dominert av aerobe autotrofe mikroorganismer, bestående av to stadier: nitrifikasjon og nitrifikasjon. Tilstrekkelig oksygen er nødvendig gjennom hele prosessen, og mikroorganismene viser langsomme veksthastigheter, lange generasjonssykluser og høy følsomhet for miljøtemperatur, pH og oppløst oksygen. Det første trinnet er nitrifikasjon, hvor nitrifiserende bakterier oksiderer ammoniakknitrogen til nitrittnitrogen; det andre trinnet er nitrifikasjon, der nitrifiserende bakterier oksiderer nitrittnitrogen videre til stabilt nitratnitrogen.

Nitrifiserende bakterier er autotrofe, noe som betyr at de ikke bruker organiske forurensninger i avløpsvann. I stedet bruker de den kjemiske energien som genereres fra oksidasjon av ammoniakknitrogen som en energikilde for å fikse karbondioksid og syntetisere sine egne stoffer. Denne prosessen er et sentralt oksidasjonstrinn i nitrogenfjerning, og realiserer konverteringen av reduserende nitrogen til oksiderende nitrogen og gir reaksjonssubstrater for påfølgende denitrifikasjon.

(III) Denitrifikasjon (fjerning av nitratnitrogen)

Denitrifikasjon er en reduksjonsreaksjon dominert av anaerobe heterotrofe mikroorganismer og er det siste kjernetrinnet i biologisk nitrogenfjerning. I et anaerobt miljø som mangler molekylært oksygen, men som inneholder nitratnitrogen, bruker denitrifiserende bakterier organiske karbonkilder i avløpsvannet som elektrondonorer for gradvis å redusere nitratnitrogenet og nitrittnitrogenet som produseres i nitrifikasjonsreaksjonen, og til slutt genererer nitrogengass (N₂) fullstendig fjernet til vannoverflaten som forsvinner fra vannoverflaten.

Denitrifikasjonsprosessen må strengt skille mellom anaerobe og anoksiske miljøer: et anaerobt miljø mangler molekylært oksygen, men inneholder kombinert oksygen (nitratnitrogen), slik at denitrifikasjonsreaksjonen kan skje normalt; mens et anaerobt miljø mangler kombinert oksygen, forhindrer denitrifikasjonsreaksjonen. Samtidig er en organisk karbonkilde en kjernebetingelse for denitrifikasjon; utilstrekkelige karbonkilder fører direkte til en betydelig reduksjon i nitrogenfjerningseffektiviteten. I praktisk prosjektering brukes ofte tilskudd med eksogene karbonkilder for å sikre effektiviteten av nitrogenfjerning.

Den kjernefunksjonelle bakteriegruppen for biologisk fosforfjerning er polyfosfat-akkumulerende bakterier (PAO). Disse mikroorganismene har unike metabolske egenskaper, som gjør dem i stand til å fullføre en «fosforfrigjøring-fosforopptak»-syklus under alternerende anaerobe og aerobe miljøer, og til slutt oppnå total fosforfjerning fra vannforekomsten gjennom utslipp av overflødig slam. I motsetning til denitrifikasjon, produserer biologisk fosforfjerning ingen gassformige biprodukter. I stedet størkner den fosfater i vannet i mikroorganismer, og frigjør dem som slam.

(I) Anaerob fosforfrigjøringsstadium

I et strengt anaerobt miljø, fritt for molekylært oksygen og nitratnitrogen, kan ikke polyfosfatakkumulerende-bakterier (PAB) utnytte eksternt oksygen til aerob respirasjon, noe som begrenser deres metabolske energikilder. I denne tilstanden bryter PPA ned polyfosfatene som er lagret i cellene deres, og frigjør energi for å absorbere organiske karbonkilder med lav--vekt, som flyktige fettsyrer (VFA) fra avløpsvann, og omdanner dem til polyhydroksyalkanoater (PHA) for lagring i cellene. Under denne prosessen frigjøres intracellulære fosfater til avløpsvannet, noe som forårsaker en kortvarig økning i vannets fosforinnhold-dette er den anaerobe fosforfrigjøringsprosessen.

(II) Absorpsjonsstadium for aerobt overflødig fosfor

Når miljøet går over til en aerob tilstand, absorberer ikke lenger PPA organiske karbonkilder, men bryter i stedet ned PHAene som er lagret i det anaerobe stadiet, og oppnår en stor mengde energi gjennom oksidasjon og nedbrytning av organisk materiale. Ved å utnytte denne energien absorberer polyfosfatakkumulerende-bakterier (PAC) for mye fosfat fra avløpsvannet, langt over mengden som frigjøres under det anaerobe stadiet. Overskuddet av fosfat blir deretter lagret i cellene som polyfosfat, og oppnår fosforanrikning og fjerning fra vannet.

Til syvende og sist vil fosfor-rike PAC sedimentere med slammet og fjernes fullstendig fra avløpsvannsystemet gjennom systemavfallsslamutslipp, og dermed fullføre hele den biologiske fosforfjerningsprosessen. De vekslende metabolske egenskapene til PAC-er er kjernen i biologisk fosforfjerning, og et stabilt anaerobt-aerobt miljøskifte er avgjørende for å sikre effektiviteten av fosforfjerning.

Effektiviteten av biologisk nitrogen- og fosforfjerning avhenger helt av mikrobiell aktivitet. De metabolske egenskapene til mikroorganismene bestemmer kjernekontrollparametrene for prosessoperasjonen. De viktigste påvirkningsfaktorene inkluderer to kategorier: miljøparametere og vannkvalitetsparametere.

1. Oppløst oksygen: Nitrifikasjon og aerobt fosforopptak krever tilstrekkelig med oppløst oksygen; anoksisk denitrifisering krever et miljø med strengt lite-oksygen; og anaerob fosforfrigjøring krever et absolutt anaerobt miljø. Forstyrrelser i oksygenmiljøet vil direkte føre til svikt i nitrogen- og fosforfjerning.

2. Karbonkildeinnhold: Både denitrifiserende bakterier og polyfosfatakkumulerende-bakterier er avhengige av organiske karbonkilder for metabolisme. Når karbon-til-nitrogenforholdet og karbon-til-fosforforholdet i avløpsvannet er for lavt, må eksogene karbonkilder som natriumacetat og glukose tilsettes; ellers vil ufullstendig nitrogenfjerning og lav fosforfjerningseffektivitet oppstå.

3. pH og temperatur: Den optimale pH for nitrifiserende bakterier er 7,5-8,5, mens den optimale pH for polyfosfatakkumulerende bakterier er 6,5-8,0. Den optimale temperaturen for mikroorganismer er 20-30 grader. Lave temperaturer vil redusere bakterieaktivitet og behandlingseffektivitet betydelig.

4. Slamalder: Nitrifiserende bakterier har en lang generasjonssyklus, som krever en lengre slamalder for å sikre bakteriell overlevelse. Polyfosfat-akkumulerende bakterier har derimot en kortere slamalder; for lang slamalder kan føre til fosforutslipp fra slammet. Derfor må selve prosessen balansere slamalderen for å sikre effektiv fjerning av både nitrogen og fosfor.

Basert på de ovennevnte kjerneprinsippene for fjerning av nitrogen og fosfor, har industrien utviklet ulike modne prosesser, som alle tar sikte på å skape alternerende anaerobe, anoksiske og aerobe reaksjonsmiljøer. A²/O-prosessen er den mest klassiske simultane prosessen for fjerning av nitrogen og fosfor. Den fullfører sekvensielt fosforfrigjøring og karbonlagring av polyfosfat-akkumulerende bakterier i den anaerobe sonen, denitrifikasjon i den anoksiske sonen, og nitrifikasjon og overdreven fosforopptak av polyfosfat-akkumulerende bakterier i aerobe sonen. Til slutt oppnås samtidig nitrogen- og fosforfjerning gjennom slamsedimentering og utslipp. I tillegg er modifiserte A²/O-, SBR- og oksidasjonsgrøft-prosesser alle basert på kjernebiokjemiske prinsipper, optimalisering av tankstruktur og driftssekvens for å tilpasse seg ulike behov for vannkvalitetsbehandling.

Essensen av biologisk nitrogen- og fosforfjerning fra avløpsvann er å utnytte de differensierte metabolske egenskapene til funksjonelle mikroorganismer og kunstig regulere vannmiljøet for å oppnå transformasjon av nitrogen- og fosforforurensninger og deres fjerning fra vannforekomsten. Nitrogenfjerning er avhengig av de trinnvise reaksjonene av ammonifisering, nitrifikasjon og denitrifikasjon for å oppnå gassfjerning, mens fjerning av fosfor er avhengig av den sykliske metabolismen av polyfosfat-akkumulerer bakterier-anaerob fosforfrigjøring og aerobisk fosforopptak og aerobisk fast fosfatopptak og sl3} fjerning. En grundig forståelse av dets biokjemiske prinsipper er kjernegrunnlaget for å optimere avløpsvannbehandlingsprosesser, forbedre effektiviteten av nitrogen- og fosforfjerning og løse problemet med eutrofiering i vannforekomster. Det gir også viktig teoretisk støtte for energisparing, utslippsreduksjon og oppgradering av avløpsvannbehandling.