Nadmierne zanieczyszczenia azotem i fosforem w jednolitych częściach wód są główną przyczyną problemów środowiska wodnego, takich jak eutrofizacja, zakwity glonów i czerwone przypływy, prowadząc do szeregu problemów, w tym pogorszenia jakości wody, braku równowagi ekosystemu wodnego i zagrożeń dla bezpieczeństwa wody pitnej. W porównaniu do procesów oczyszczania chemicznego i fizycznego, technologia biologicznego usuwania azotu i fosforu stała się podstawowym procesem zaawansowanego oczyszczania ścieków w obecnych oczyszczalniach ścieków ze względu na jej zalety, takie jak stabilne efekty oczyszczania, niskie koszty operacyjne, brak wtórnych zanieczyszczeń oraz możliwość dostosowania do scenariuszy oczyszczania ścieków komunalnych i przemysłowych. Podstawową zasadą biologicznego usuwania azotu i fosforu ze ścieków jest wykorzystanie aktywności metabolicznej różnych mikroorganizmów funkcjonalnych w kontrolowanym, naprzemiennym środowisku beztlenowym, beztlenowym i tlenowym w celu stopniowego przekształcania substancji zanieczyszczających, takich jak azot organiczny, azot amonowy i fosfor całkowity w ściekach, w substancje gazowe, które ulatniają się lub zestalają w osad odprowadzany z zbiornika wodnego, zapewniając w ten sposób oczyszczenie wody.
I. Podstawowe zasady biologicznego usuwania azotu ze ścieków
Azot w ściekach występuje w postaci złożonej, obejmującej głównie azot organiczny, azot amonowy, azot azotynowy i azot azotanowy. Biologiczne usuwanie azotu nie jest pojedynczym procesem reakcji, ale raczej trzy-mikrobiologiczną reakcją biochemiczną-amoniowania, nitryfikacji i denitryfikacji-, która ostatecznie przekształca różne formy azotu w azot gazowy, usuwając go z zbiornika wodnego i osiągając całkowite usunięcie azotu. Cały proces opiera się na aktywności metabolicznej różnych społeczności bakteryjnych w ich specyficznych środowiskach.
(I) Reakcja amoniaku (konwersja azotu organicznego)
W warunkach tlenowych lub beztlenowych organiczne zanieczyszczenia azotem w ściekach, takie jak białka, mocznik i aminokwasy, ulegają hydrolizie i utlenianiu do nieorganicznego azotu amonowego (NH₃-N) w wyniku rozkładu i metabolizmu bakterii amonifikacyjnych. Reakcja ta stanowi podstawową-reakcję wstępną biologicznego usuwania azotu, którą można w dużym stopniu dostosować do środowiska i która nie wymaga ścisłej kontroli parametrów, takich jak rozpuszczony tlen i temperatura, dzięki czemu przebiega sprawnie w konwencjonalnych warunkach oczyszczania ścieków. Proces reakcji przekształca złożony azot organiczny w prosty azot nieorganiczny, dostarczając substratów do kolejnych reakcji nitryfikacji i denitryfikacji i jest pierwszym etapem usuwania azotu.
(II) Nitryfikacja (utlenianie azotu amoniakalnego)
Nitryfikacja to reakcja utleniania, w której dominują tlenowe mikroorganizmy autotroficzne, składająca się z dwóch etapów: nitryfikacji i nitryfikacji. W całym procesie wymagana jest wystarczająca ilość tlenu, a mikroorganizmy wykazują powolne tempo wzrostu, długie cykle wytwarzania i wysoką wrażliwość na temperaturę otoczenia, pH i rozpuszczony tlen. Pierwszym etapem jest nitryfikacja, podczas której bakterie nitryfikacyjne utleniają azot amonowy do azotu azotynowego; drugim etapem jest nitryfikacja, podczas której bakterie nitryfikacyjne dalej utleniają azot azotynowy do stabilnego azotu azotanowego.
Bakterie nitryfikacyjne są autotroficzne, co oznacza, że nie zużywają substancji organicznych znajdujących się w ściekach. Zamiast tego wykorzystują energię chemiczną wytwarzaną w wyniku utleniania azotu amonowego jako źródło energii do wiązania dwutlenku węgla i syntezy własnych substancji. Proces ten jest kluczowym etapem utleniania w usuwaniu azotu, realizującym konwersję azotu redukującego do azotu utleniającego i dostarczającym substratów reakcji do późniejszej denitryfikacji.
(III) Denitryfikacja (usuwanie azotanów azotanowych)
Denitryfikacja jest reakcją redukcji zdominowaną przez beztlenowe mikroorganizmy heterotroficzne i stanowi ostatni, podstawowy etap biologicznego usuwania azotu. W środowisku beztlenowym pozbawionym tlenu cząsteczkowego, ale zawierającym azot azotanowy, bakterie denitryfikacyjne wykorzystują źródła węgla organicznego w ściekach jako donory elektronów w celu stopniowej redukcji azotu azotanowego i azotynu powstałego w reakcji nitryfikacji, ostatecznie wytwarzając azot gazowy (N₂), który ucieka na powierzchnię wody, całkowicie usuwając azot ze ścieków.
W procesie denitryfikacji należy ściśle rozróżnić środowisko beztlenowe i beztlenowe: w środowisku beztlenowym brakuje tlenu cząsteczkowego, ale zawiera on połączony tlen (azot azotanowy), co pozwala na normalny przebieg reakcji denitryfikacji; podczas gdy w środowisku beztlenowym brakuje połączonego tlenu, co zapobiega reakcji denitryfikacji. Jednocześnie źródłem węgla organicznego jest podstawowy warunek denitryfikacji; niewystarczające źródła węgla bezpośrednio prowadzą do znacznego spadku efektywności usuwania azotu. W praktycznej inżynierii często stosuje się suplementację egzogennymi źródłami węgla, aby zapewnić skuteczność usuwania azotu.
II. Podstawowe zasady biologicznego usuwania fosforu ze ścieków
Podstawową grupą funkcjonalną bakterii zajmującą się biologicznym usuwaniem fosforu są bakterie-akumulujące polifosforany (PAO). Te mikroorganizmy posiadają unikalne właściwości metaboliczne, umożliwiające im dokończenie cyklu „uwolnienia-pobierania fosforu” w naprzemiennym środowisku beztlenowym i tlenowym, ostatecznie osiągając całkowite usunięcie fosforu z wody poprzez zrzut nadmiernego osadu. W przeciwieństwie do denitryfikacji, biologiczne usuwanie fosforu nie powoduje powstania gazowych produktów ubocznych. Zamiast tego zestala fosforany w wodzie w mikroorganizmach, uwalniając je w postaci osadu.
(I) Etap beztlenowego uwalniania fosforu
W ściśle beztlenowym środowisku, wolnym od tlenu cząsteczkowego i azotu azotanowego, bakterie akumulujące{{0}polifosforany (PAB) nie mogą wykorzystywać zewnętrznego tlenu do oddychania tlenowego, ograniczając swoje metaboliczne źródła energii. W tym stanie PPA rozkładają polifosforany przechowywane w komórkach, uwalniając energię do absorpcji źródeł węgla organicznego o niskiej-masie-, takich jak lotne kwasy tłuszczowe (VFA), ze ścieków, przekształcając je w polihydroksyalkaniany (PHA) do przechowywania w komórkach. Podczas tego procesu wewnątrzkomórkowe fosforany są uwalniane do ścieków, powodując chwilowy wzrost zawartości fosforu w wodzie-jest to beztlenowy proces uwalniania fosforu.
(II) Etap tlenowej absorpcji nadmiaru fosforu
Kiedy środowisko przechodzi w stan tlenowy, PPA nie absorbują już źródeł węgla organicznego, lecz zamiast tego rozkładają PHA zmagazynowane w fazie beztlenowej, uzyskując dużą ilość energii poprzez utlenianie i rozkład materii organicznej. Wykorzystując tę energię, bakterie-akumulujące polifosforany (PAC) nadmiernie absorbują fosfor ze ścieków, znacznie przekraczając ilość uwalnianą w fazie beztlenowej. Nadmiar fosforanu jest następnie magazynowany w komórkach w postaci polifosforanu, co pozwala na wzbogacenie fosforu i usunięcie go z wody.
Ostatecznie bogate w fosfor-PAC osadzają się w osadzie i są całkowicie usuwane z systemu kanalizacyjnego poprzez odprowadzanie osadu ściekowego, kończąc w ten sposób cały proces biologicznego usuwania fosforu. Zmienne właściwości metaboliczne PAC stanowią podstawę biologicznego usuwania fosforu, a stabilne przełączanie środowiska beztlenowego-tlenowego ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia skuteczności usuwania fosforu.
III. Kluczowe czynniki wpływające na biologiczne usuwanie azotu i fosforu
Skuteczność biologicznego usuwania azotu i fosforu zależy wyłącznie od aktywności drobnoustrojów. Charakterystyka metaboliczna mikroorganizmów determinuje podstawowe parametry kontrolne przebiegu procesu. Główne czynniki wpływające obejmują dwie kategorie: parametry środowiskowe i parametry jakości wody.
1. Rozpuszczony tlen: Nitryfikacja i tlenowe pobieranie fosforu wymagają wystarczającej ilości rozpuszczonego tlenu; denitryfikacja beztlenowa wymaga środowiska o ściśle niskiej-tlenie; a beztlenowe uwalnianie fosforu wymaga środowiska całkowicie beztlenowego. Zakłócenia w środowisku tlenowym bezpośrednio doprowadzą do niepowodzenia usuwania azotu i fosforu.
2. Zawartość źródła węgla: Zarówno bakterie denitryfikacyjne, jak i bakterie akumulujące-polifosforany, w swoim metabolizmie korzystają ze źródeł węgla organicznego. Gdy stosunek węgla-do-azotu i stosunek węgla-do-fosforu w ściekach są zbyt niskie, należy dodać egzogenne źródła węgla, takie jak octan sodu i glukoza; w przeciwnym razie nastąpi niecałkowite usunięcie azotu i niska skuteczność usuwania fosforu.
3. pH i temperatura: Optymalne pH dla bakterii nitryfikacyjnych wynosi 7,5-8,5, natomiast optymalne pH dla bakterii akumulujących polifosforany wynosi 6,5-8,0. Optymalna temperatura dla mikroorganizmów to 20-30 stopni. Niskie temperatury znacznie zmniejszą aktywność bakterii i skuteczność leczenia.
4. Wiek osadu: Bakterie nitryfikacyjne mają długi cykl generacyjny, wymagający dłuższego starzenia osadu, aby zapewnić przeżycie bakterii. Z drugiej strony bakterie-akumulujące polifosforany mają krótszy wiek osadu; zbyt długie starzenie się osadu może prowadzić do uwolnienia się z niego fosforu. Dlatego też rzeczywisty proces musi zrównoważyć wiek osadu, aby zapewnić skuteczność usuwania azotu i fosforu.
IV. Główne zasady stosowania procesów
W oparciu o powyższe podstawowe zasady usuwania azotu i fosforu w przemyśle opracowano różne dojrzałe procesy, z których wszystkie mają na celu stworzenie naprzemiennych środowisk reakcji beztlenowych, beztlenowych i tlenowych. Proces A²/O to najbardziej klasyczny proces jednoczesnego usuwania azotu i fosforu. Kończy sekwencyjnie uwalnianie fosforu i magazynowanie węgla przez bakterie-akumulujące polifosforany w strefie beztlenowej, denitryfikację w strefie beztlenowej oraz nitryfikację i nadmierne pobieranie fosforu przez bakterie-akumulujące polifosforany w strefie tlenowej. Wreszcie, jednoczesne usuwanie azotu i fosforu osiąga się poprzez sedymentację i zrzut osadu. Ponadto zmodyfikowane procesy A²/O, SBR i rowu utleniającego opierają się na podstawowych zasadach biochemicznych, optymalizując strukturę zbiornika i sekwencję działania w celu dostosowania do różnych potrzeb w zakresie uzdatniania jakości wody.
V. Wniosek
Istotą biologicznego usuwania azotu i fosforu ze ścieków jest wykorzystanie zróżnicowanych właściwości metabolicznych mikroorganizmów funkcjonalnych i sztuczna regulacja środowiska wodnego w celu przekształcenia zanieczyszczeń azotowych i fosforowych oraz ich usunięcia z jednolitej części wód. Usuwanie azotu opiera się na etapowych reakcjach amonifikacji, nitryfikacji i denitryfikacji prowadzących do usunięcia gazu, natomiast usuwanie fosforu opiera się na cyklicznym metabolizmie-bakterii gromadzących polifosforany-beztlenowym uwalnianiu fosforu i tlenowym pobieraniu fosforu-w celu uzyskania zestalenia i usunięcia osadu. Dokładne zrozumienie zasad biochemicznych jest podstawą optymalizacji procesów oczyszczania ścieków, poprawy efektywności usuwania azotu i fosforu oraz rozwiązania problemu eutrofizacji zbiorników wodnych. Zapewnia także ważne wsparcie teoretyczne w zakresie oszczędzania energii, redukcji emisji i modernizacji oczyszczania ścieków.
