Princippet om biologisk nitrogen- og fosforfjernelse i spildevand

Overdreven kvælstof- og fosforforurenende stoffer i vandområder er hovedårsagen til vandmiljøproblemer såsom eutrofiering, algeopblomstring og røde tidevand, hvilket fører til en række problemer, herunder forringelse af vandkvaliteten, ubalance i akvatiske økosystemer og trusler mod drikkevandssikkerheden. Sammenlignet med kemiske og fysiske behandlingsprocesser er biologisk nitrogen- og fosforfjernelsesteknologi blevet kerneprocessen for avanceret spildevandsrensning i nuværende spildevandsrensningsanlæg på grund af dens fordele såsom stabile behandlingseffekter, lave driftsomkostninger, ingen sekundær forurening og tilpasningsevne til kommunale og industrielle spildevandsbehandlingsscenarier. Kerneprincippet for biologisk nitrogen- og fosforfjernelse i spildevand er at udnytte de metaboliske aktiviteter af forskellige funktionelle mikroorganismer i et kontrolleret alternerende anaerobt, iltfattigt og aerobt miljø til gradvist at omdanne forurenende stoffer som organisk nitrogen, ammoniak-nitrogen og total fosfor til spildevand, der udledes i gasform eller fast stof, der udledes i spildevand. fra vandmassen, hvorved der opnås vandrensning.

Kvælstof i spildevand findes i komplekse former, hovedsageligt inklusive organisk nitrogen, ammoniak nitrogen, nitrit nitrogen og nitrat nitrogen. Biologisk nitrogenfjernelse er ikke en enkelt reaktionsproces, men snarere en tre-mikrobiel biokemisk reaktion-ammoniering, nitrifikation og denitrifikation-, der i sidste ende omdanner forskellige former for nitrogen til nitrogengas, fjerner det fra vandmassen og opnår total nitrogenfjernelse. Hele processen er afhængig af de metaboliske aktiviteter af forskellige bakteriesamfund i deres specifikke miljøer.

(I) Ammoniationsreaktion (organisk nitrogenomdannelse)

Under aerobe eller anaerobe forhold hydrolyseres organiske nitrogenforurenende stoffer i spildevand, såsom proteiner, urinstof og aminosyrer, og oxideres til uorganisk ammoniaknitrogen (NH₃-N) gennem nedbrydning og metabolisme af ammonificerende bakterier. Denne reaktion er den grundlæggende-forreaktion af biologisk nitrogenfjernelse, meget tilpasningsdygtig til miljøet og kræver ikke streng kontrol af parametre såsom opløst ilt og temperatur, hvilket gør det muligt at forløbe jævnt under konventionelle spildevandsbehandlingsforhold. Reaktionsprocessen omdanner komplekst organisk nitrogen til simpelt uorganisk nitrogen, hvilket giver substrater til efterfølgende nitrifikations- og denitrifikationsreaktioner, og er det første trin i nitrogenfjernelse.

(II) Nitrifikation (ammoniak nitrogenoxidation)

Nitrifikation er en oxidationsreaktion domineret af aerobe autotrofe mikroorganismer, bestående af to trin: nitrifikation og nitrifikation. Der kræves tilstrækkelig ilt under hele processen, og mikroorganismerne udviser langsomme væksthastigheder, lange generationscyklusser og høj følsomhed over for miljøtemperatur, pH og opløst ilt. Det første trin er nitrifikation, hvor nitrificerende bakterier oxiderer ammoniak nitrogen til nitrit nitrogen; det andet trin er nitrifikation, hvor nitrificerende bakterier yderligere oxiderer nitritkvælstof til stabilt nitratkvælstof.

Nitrificerende bakterier er autotrofe, hvilket betyder, at de ikke forbruger organiske forurenende stoffer i spildevand. I stedet bruger de den kemiske energi, der genereres fra oxidationen af ​​ammoniak-nitrogen, som en energikilde til at fikse kuldioxid og syntetisere deres egne stoffer. Denne proces er et vigtigt oxidationstrin i nitrogenfjernelse, der realiserer omdannelsen af ​​reducerende nitrogen til oxiderende nitrogen og tilvejebringer reaktionssubstrater til efterfølgende denitrifikation.

(III) Denitrifikation (nitratnitrogenfjernelse)

Denitrifikation er en reduktionsreaktion domineret af anaerobe heterotrofe mikroorganismer og er det sidste kernetrin i biologisk nitrogenfjernelse. I et anaerobt miljø, der mangler molekylært oxygen, men som indeholder nitratnitrogen, anvender denitrificerende bakterier organiske kulstofkilder i spildevand som elektrondonorer for gradvist at reducere nitratnitrogen og nitritnitrogen, der produceres i nitrifikationsreaktionen, hvilket i sidste ende genererer nitrogengas (N₂), der fuldstændigt fjerner vandoverfladen fra vandoverfladen, som løber ud fra vandoverfladen.

Denitrifikationsprocessen skal nøje skelne mellem anaerobe og anoxiske miljøer: et anaerobt miljø mangler molekylært oxygen, men indeholder kombineret oxygen (nitratnitrogen), hvilket tillader denitrifikationsreaktionen at forekomme normalt; mens et anaerobt miljø mangler kombineret ilt, hvilket forhindrer denitrifikationsreaktionen. Samtidig er en organisk kulstofkilde en kernebetingelse for denitrifikation; utilstrækkelige kulstofkilder fører direkte til et signifikant fald i effektiviteten af ​​nitrogenfjernelse. Inden for praktisk ingeniørarbejde bruges tilskud med eksogene kulstofkilder ofte for at sikre effektiviteten af ​​nitrogenfjernelse.

Den kernefunktionelle bakteriegruppe til biologisk fosforfjernelse er polyphosphat-akkumulerende bakterier (PAO'er). Disse mikroorganismer besidder unikke metaboliske egenskaber, som gør dem i stand til at fuldføre en "phosphorfrigivelse-phosphoroptagelsescyklus under skiftende anaerobe og aerobe miljøer, hvilket i sidste ende opnår total fosforfjernelse fra vandmassen gennem udledning af overskydende slam. I modsætning til denitrifikation producerer biologisk fosforfjernelse ingen gasformige biprodukter. I stedet størkner det fosfater i vandet i mikroorganismer og frigiver dem som slam.

(I) Anaerob fosforfrigivelsesstadium

I et strengt anaerobt miljø, fri for molekylær oxygen og nitratnitrogen, kan polyphosphat-akkumulerende bakterier (PAB'er) ikke udnytte ekstern oxygen til aerob respiration, hvilket begrænser deres metaboliske energikilder. I denne tilstand nedbryder PPA'er de polyphosphater, der er lagret i deres celler, og frigiver energi til at absorbere organiske kulstofkilder med lav--vægt, såsom flygtige fedtsyrer (VFA'er) fra spildevand, og omdanner dem til polyhydroxyalkanoater (PHA'er) til opbevaring i cellerne. Under denne proces frigives intracellulære fosfater til spildevandet, hvilket forårsager en kortvarig stigning i vandets fosforindhold-dette er den anaerobe fosforfrigivelsesproces.

(II) Aerobt overskydende fosforabsorptionsstadium

Når miljøet skifter til en aerob tilstand, absorberer PPA'er ikke længere organiske kulstofkilder, men nedbryder i stedet de PHA'er, der er lagret i det anaerobe stadium, og opnår en stor mængde energi gennem oxidation og nedbrydning af organisk materiale. Ved at udnytte denne energi absorberer polyphosphat-akkumulerende bakterier (PAC'er) i høj grad fosfat fra spildevand, hvilket langt overstiger den mængde, der frigives under det anaerobe stadium. Det overskydende fosfat opbevares derefter i cellerne som polyfosfat, hvilket opnår fosforberigelse og fjernelse fra vandet.

I sidste ende bundfælder de fosforrige PAC'er med slammet og fjernes fuldstændigt fra spildevandssystemet gennem systemaffaldsslamudledning og fuldender dermed hele den biologiske fosforfjernelsesproces. De skiftende metaboliske egenskaber ved PAC'er er kernen i biologisk fosforfjernelse, og en stabil anaerob -aerob miljøændring er afgørende for at sikre effektiviteten af ​​fosforfjernelsen.

Effektiviteten af ​​biologisk nitrogen- og fosforfjernelse afhænger helt af mikrobiel aktivitet. Mikroorganismernes metaboliske egenskaber bestemmer kernekontrolparametrene for procesoperationen. De væsentligste indflydelsesfaktorer omfatter to kategorier: miljøparametre og vandkvalitetsparametre.

1. Opløst ilt: Nitrifikation og aerob fosforoptagelse kræver tilstrækkeligt opløst ilt; anoxisk denitrifikation kræver et miljø med strengt-iltindhold; og anaerob fosforfrigivelse kræver et absolut anaerobt miljø. Forstyrrelser i iltmiljøet vil direkte føre til svigt af nitrogen- og fosforfjernelsen.

2. Kulstofkildeindhold: Både denitrificerende bakterier og polyphosphat-akkumulerende bakterier er afhængige af organiske kulstofkilder til metabolisme. Når kulstof-til-nitrogenforholdet og kulstof-til-phosphorforhold i spildevand er for lavt, skal eksogene kulstofkilder såsom natriumacetat og glucose tilsættes; ellers vil der forekomme ufuldstændig nitrogenfjernelse og lav fosforfjernelseseffektivitet.

3. pH og temperatur: Den optimale pH for nitrificerende bakterier er 7,5 -8,5, mens den optimale pH for polyphosphat-akkumulerende bakterier er 6,5-8,0. Den optimale temperatur for mikroorganismer er 20-30 grader. Lave temperaturer vil betydeligt reducere bakteriel aktivitet og behandlingseffektivitet.

4. Slamalder: Nitrificerende bakterier har en lang generationscyklus, der kræver en længere slamalder for at sikre bakteriel overlevelse. Polyphosphat-akkumulerende bakterier har på den anden side en kortere slamalder; for lang slamalder kan føre til fosforafgivelse fra slammet. Derfor skal den faktiske proces afbalancere slamalderen for at sikre effektiviteten af ​​både nitrogen- og fosforfjernelse.

Baseret på ovenstående kerneprincipper for nitrogen- og fosforfjernelse har industrien udviklet forskellige modne processer, som alle har til formål at skabe skiftende anaerobe, anoxiske og aerobe reaktionsmiljøer. A²/O-processen er den mest klassiske simultane nitrogen- og fosforfjernelsesproces. Det fuldender sekventielt phosphorfrigivelse og kulstoflagring af polyphosphat-akkumulerende bakterier i den anaerobe zone, denitrifikation i den anoxiske zone og nitrifikation og overdreven fosforoptagelse af polyphosphat-akkumulerende bakterier i aerobic zone. Endelig opnås samtidig fjernelse af kvælstof og fosfor gennem slam sedimentering og udledning. Derudover er modificerede A²/O-, SBR- og oxidationsgrøft-processer alle baseret på biokemiske kerneprincipper, optimering af tankstruktur og driftssekvens for at tilpasse sig forskellige vandkvalitetsbehandlingsbehov.

Essensen af ​​biologisk nitrogen- og fosforfjernelse fra spildevand er at udnytte de differentierede metaboliske egenskaber af funktionelle mikroorganismer og kunstigt regulere vandmiljøet for at opnå omdannelsen af ​​kvælstof- og fosforforurenende stoffer og deres fjernelse fra vandmassen. Nitrogenfjernelse er afhængig af de trinvise reaktioner af ammonifikation, nitrifikation og denitrifikation for at opnå gasformig fjernelse, mens fosforfjernelse er afhængig af den cykliske metabolisme af polyphosphat-akkumulerende bakterier-anaerob fosforfrigivelse og aerob fast phosphoroptagelse og aerob fast phosphoroptagelse- fjernelse. En grundig forståelse af dets biokemiske principper er kernefundamentet for at optimere spildevandsbehandlingsprocesser, forbedre effektiviteten af ​​nitrogen- og fosforfjernelse og løse problemet med eutrofiering i vandområder. Det giver også vigtig teoretisk støtte til energibesparelse, emissionsreduktion og opgradering af spildevandsrensning.