1. Denitrificatie Fosforverwijderingsmechanisme
Bacteriën met een hoog-zuurgehalte ontleden grote organische moleculen in vetzuren met een laag-moleculair-gewicht onder anaërobe omstandigheden. DPB (Distilled Bismuth Biota) ontleedt polyfosfaten in zijn cellen onder anaërobe omstandigheden om ATP te genereren, waarbij vetzuren worden geabsorbeerd via actief transport en poly(-hydroxybutyraat) (PHB) wordt gesynthetiseerd, terwijl tegelijkertijd PO43- vrijkomt. Na het verzamelen van grote hoeveelheden PHB komt DPB in een anaërobe toestand terecht, waarbij NO3- wordt gebruikt als elektronenacceptor voor PHB-oxidatie. Het maakt gebruik van de afbraak van PHB om energie te genereren en reducerend vermogen te leveren (nicotinamide-adenine-dinucleotide (NADH), en gebruikt NADH+H+ als drager van de elektronentransportketen om protonen te verwijderen, waardoor een door protonen aangedreven kracht wordt gevormd. Deze door protonen aangedreven kracht transporteert PO43- van buiten het lichaam naar het lichaam, waar het ATP synthetiseert onder invloed van ATPasen, waardoor overtollig PO43- wordt gepolymeriseerd tot polyfosfaten. Het ATP wordt geproduceerd door DPB onder anaërobe omstandigheden via de elektronentransportketen overtreft de ATP die onder anaërobe omstandigheden wordt geproduceerd door de afbraak van polyfosfaten in het lichaam. Daarom is de fosfor die wordt geabsorbeerd onder anaërobe omstandigheden groter dan de fosfor die vrijkomt onder anaërobe omstandigheden.
2. Belangrijkste factoren die denitrificatie en fosforverwijdering beïnvloeden
2.1 Koolstof-naar-verhouding van stikstof
Volgens de traditionele theorie voor fosforverwijdering leidt de aanwezigheid van koolstofbronnen in de anoxische zone of nitraten in de anaërobe zone tot concurrentie tussen denitrificerende bacteriën en DPB om elektronenacceptornitraatstikstof of om koolstofbronnen, waardoor het selectieve voordeel van DPB wordt verminderd en de efficiëntie van de fosforverwijdering wordt beïnvloed. Dit vereist een geschikte koolstof-tot-stikstofverhouding in het influent. Onderzoek door Ahn J. et al. laat zien dat onder anaërobe/aërobe (A/O) omstandigheden de acclimatisering op lange termijn van koolstofbronnen en een kleine hoeveelheid nitraten die de anaërobe zone binnenkomen de DPB-verrijking bevordert, en dat DPB zijn anoxische fosforopnamecapaciteit onder A/O-omstandigheden kan behouden. Vanuit microbiologisch perspectief zijn er twee verklaringen: de ene is dat DPB rechtstreeks koolstofbronnen in de anaerobe zone gebruikt via de tricarbonzuurcyclus (TCA); de andere is dat DPB koolstofbronnen oxideert tijdens de anaërobe periode via de TCA-cyclus om reducerend vermogen en energie te verkrijgen om polyhydroxyalkaanzuren te accumuleren, en overleeft tijdens de aërobe periode. Er zijn in dit verband geen andere rapporten gepubliceerd over de fysiologische kenmerken van DPB.
2.2 Nitraatdoseringsmethoden
Er zijn twee methoden voor het toevoegen van nitraat in de anoxische zone: instantane toevoeging en continue toevoeging. Continue toevoeging is iets effectiever en vermijdt bovendien de ophoping van nitriet. Wat betreft het effect van de continue toevoegingstijd op de fosforopnamesnelheid, hebben Zou Hua et al. toonde aan dat de fosforopnamesnelheid hoger was wanneer de continue toevoegingstijd 2 uur was dan wanneer deze 3,5 uur was. Er zijn momenteel echter geen rapporten over de specifieke relatie tussen de toevoegingssnelheid en de fosforopnamesnelheid. Meer technische documenten zijn te vinden op het China Wastewater Treatment Engineering Network.
2.3 SRT
DPB groeit langzamer onder A/A-omstandigheden dan onder A/O-omstandigheden. Een te korte SRT zal ervoor zorgen dat DPB in de reactor wordt geëlimineerd, terwijl een te lange SRT ervoor zal zorgen dat het slib veroudert en het fosforgehalte afneemt. Merzouki M. meldde dat de fosforverwijderingsefficiëntie van het SBR-denitrificatie-fosforverwijderingssysteem 1,8 keer hoger was toen de SRT 15 dagen was dan toen deze 7,5 dagen was. Voor korrelslibprocessen die worden gebruikt voor de verwijdering van fosfor en stikstof, is de slibstructuur complex vanwege de rijkere en meer geïntegreerde biologische gemeenschap. Hoe we DPB, polyfosfaat-accumulerende bacteriën en nitrificerende bacteriën door slibveroudering in evenwicht kunnen brengen, blijft onzeker.
2.4 Nitriet
Momenteel zijn er twee meningen over de vraag of nitriet de fosforopname remt, en deze meningen zijn gebaseerd op verschillende onderzoeksonderwerpen. Met slib dat geen denitrificatie en fosforverwijdering als onderzoeksonderwerp heeft ondergaan, laten de resultaten consistent zien dat nitrietconcentraties die een kritisch niveau overschrijden de opname van fosfor remmen. Experimenten door Wang Ya-yi et al. toonden aan dat de opname van fosfor wordt geremd wanneer de nitrietconcentratie 15 mg/l overschrijdt, terwijl experimenten van Meinhold J. et al. gaven aan dat de kritische nitrietconcentratie 5–8 mg/l bedraagt. Het gebruik van slib dat denitrificatie en acclimatisering van fosforverwijdering heeft ondergaan, levert echter andere resultaten op. Uit de experimenten van Hu JY bleek dat er naast de algemeen erkende polyfosfaat-accumulerende bacteriën (PAB's) en DPB's ook een derde groep PPB's bestaat. Deze PPB's kunnen nitriet gebruiken als elektronenacceptor voor de opname van fosfor. Bovendien toonden de experimenten aan dat wanneer de initiële nitrietconcentratie minder dan 115 mg/l was, er geen significante remming van de fosforopname was. De nitrietconcentratie in huishoudelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties ligt uiteraard ver onder deze kritische concentratie en zal dus geen nadelige invloed hebben op de biologische fosforverwijdering. Veel andere factoren beïnvloeden de denitrificatie-fosforverwijdering, zoals temperatuur (DPB is bijzonder gevoelig voor temperatuur, vooral lage temperaturen) en kationen (Mg2+ en K+). Momenteel is er weinig onderzoek naar deze aspecten en de interacties tussen verschillende factoren maken het onderzoek lastiger.
3. Nieuwe benaderingen om denitrificatie van fosforverwijdering te bereiken
Traditionele typische denitrificatie-fosforverwijderingsprocessen omvatten: ① Anaëroob/anoxisch en nitrificatieproces (A2N). Dit proces is een duaal-slib-denitrificatie-fosforverwijderingsproces waarbij nitrificerende bacteriën en DPB afzonderlijk worden gekweekt in verschillende slibsystemen, waardoor de nitrificerende bacteriën volledig worden gescheiden van de DPB. Het A2N-proces is het meest geschikt voor situaties met lage koolstof- en stikstofverhoudingen. ② Dephanox-proces. Wanneer het influentkool- en stikstofgehalte hoog is, moet een beluchtingstank worden toegevoegd na de anoxische tank in het A2N-proces, waardoor het DEPHANOX-proces ontstaat.
③BCFS-proces. Dit proces is een aangepast UCT-proces. Het ontwerpprincipe van het UCT-proces is gebaseerd op de technische verbetering van de omgevingsomstandigheden die nodig zijn voor polyfosfaat-accumulerende bacteriën, terwijl de ontwikkeling van BCFS erop gericht is om vanuit procesperspectief verrijkingsomstandigheden voor DPB te creëren. Onlangs is er een doorbraak geweest in het onderzoek naar de toepassing van denitrificatie-fosforverwijderingstechnologie. Eenheden die afvalwaterzuivering nodig hebben, kunnen ook bedrijven met vergelijkbare ervaring op het gebied van afvalwaterzuivering raadplegen op het Wastewater Treasure-projectserviceplatform.
3.1 AOA-SBR-methode
Het anaërobe/anoxische/aërobe (A2O) proces is een veel voorkomende vorm van stikstof- en fosforverwijdering. Het werkt voornamelijk via het metabolisme van polyfosfaat-accumulerende bacteriën, nitrificerende bacteriën en denitrificerende bacteriën. Daarom is de circulatie van vloeistoffen die nitraten en nitrieten bevatten essentieel in dit proces. Tsuneda S. et al. stelde een anaëroob/aëroob/anoxisch (AOA) proces voor in SBR (Self-Biochemische Reactor), dat volledig gebruik maakt van de eigenschap van DPB (difosfaatpolyfosfaat) om gelijktijdig stikstof en fosfor te verwijderen onder anoxische omstandigheden en zonder een koolstofbron. Hierdoor kan denitrificatie plaatsvinden in het anoxische gedeelte zonder koolstofbron, waardoor de noodzaak voor circulatie tussen aerobe en anoxische tanks wordt geëlimineerd, waardoor gelijktijdige stikstof- en fosforverwijdering in een enkele SBR wordt bereikt. Experimenten hebben ook aangetoond dat dit proces uitstekende stikstof- en fosforverwijderingseffecten kan bereiken bij de behandeling van synthetisch afvalwater met een koolstof{10}}stikstofverhouding van minder dan 10, met gemiddelde stikstof- en fosforverwijderingspercentages van respectievelijk 83% en 92%. Dit proces verrijkt niet alleen DPB, maar zorgt er ook voor dat DPB een belangrijke rol speelt bij de verwijdering van fosfor en stikstof. Uit experimentele resultaten blijkt dat DPB verantwoordelijk is voor 44% van de totale polyfosfaat-accumulerende bacteriën in het AOA-SBR-proces, wat aanzienlijk hoger is dan dat van de conventionele A/O-SBR (13%) en A2O-processen (21%).
Het AOA-SBR-proces heeft twee belangrijke kenmerken: ① Aan het begin van de aërobe fase wordt een geschikte hoeveelheid koolstofbron toegevoegd om de aërobe fosforopname te remmen. In dit experiment was de optimale hoeveelheid koolstofbron die tijdens de aerobe fase werd toegevoegd 40 mg/l.
② Bij dit proces kan nitriet fungeren als elektronenacceptor voor de opname van fosfor.
3.2 Korrelslibproces
Korrelslib voor stikstof- en fosforverwijdering bevindt zich momenteel nog in de onderzoeksfase. Vergeleken met conventionele slibprocessen heeft aëroob korrelslib een beter bezinkingsvermogen, een hogere biomassaconcentratie en een lager slibvochtgehalte. Met de toepassing van korrelslib kunnen problemen die bestaan bij conventioneel slib (zoals het ophopen van slib, de grote footprint van behandelingsstructuren en de secundaire fosforafgifte uit bezinkingsinstallaties) worden overwonnen. Experimenten door Dulekgurgen E. et al. toonde aan dat korrelslib een stabiele biomassa heeft, met verwijderingspercentages van CZV, fosfor en stikstof van respectievelijk 95%, 99,6% en 71%. Binnenlandse onderzoeksresultaten komen overeen met deze bevindingen, en aëroob korrelslib beschikt over denitrificatie- en fosforverwijderingsmogelijkheden. Vanwege de unieke structuur van korrelslib en de aanwezigheid van een zuurstofdiffusiegradiënt, biedt het een omgeving voor het naast elkaar bestaan van polyfosfaat-accumulerende bacteriën, nitrificerende bacteriën en DPB. In het korrelslib hopen zich grote hoeveelheden DPB en nitrificerende bacteriën op; experimenten van Yang Guojing et al. toonde aan dat DPB verantwoordelijk was voor 73,1% van alle polyfosfaat-accumulerende bacteriën in korrelslib. Het telen van korrelslib is lastiger dan het telen van gewoon slib en de beïnvloedende factoren zijn relatief complex.
Naast de beïnvloedende factoren die gebruikelijk zijn bij denitrificatie en fosforverwijdering van gewoon slib, heeft korrelslib zijn eigen unieke beïnvloedende factoren: ① De interactie tussen DO-concentratie en deeltjesgrootte heeft een aanzienlijke invloed op de efficiëntie van de denitrificatie en fosforverwijdering. Als de deeltjesgrootte te klein is, is de zuurstofpenetratie relatief sterk, wat de vorming van de anoxische zone beïnvloedt, wat leidt tot het onvermogen om denitrificatie en fosforverwijdering te bereiken.
② Het handhaven van een geschikte stikstof-tot- fosforverhouding is van cruciaal belang voor de slibgranulatie en de fosforverwijderingscapaciteit. Wanneer de stikstof-tot-fosforverhouding toeneemt van 2,36 naar 4,0, neemt de fosforverwijderingssnelheid af van 85,0% naar 54,1%. ③ Experimenten door Lin Y-M et al. toonde een nauw verband aan tussen de deeltjesgrootte en de massaverhouding tussen fosfor- en- koolstof. Een hoge fosfor-tot-koolstofmassaverhouding kan resulteren in kleinere deeltjes met een compactere structuur, waardoor SVI wordt verminderd en de accumulatie van polyfosfaat-accumulerende bacteriën wordt bevorderd.
3.3 Interne circulatie-luchtbrugsequencing Batchbiofilmproces
Het batch-biofilmproces (SBBR) met interne circulatie-airlift-sequencing is hoofdzakelijk ontworpen voor geïntegreerde verwijdering van fosfor en stikstof. Onderzoek door Zhang ZY et al. toonde aan dat de SBBR met interne circulatie een stabiele verwijderingssnelheid van stikstof en fosfor bereikte. De verwijderingspercentages van CZV, N en P onder optimale pakkingsdichtheid en organische belasting waren respectievelijk 95,3%±3,3%, 94,6%±4,1% en 73,1%±8,3%. De reactor is in twee zones verdeeld door een scheidingswand-een aërobe zone en een refluxzone. Nitrificerende bacteriën en aërobe polyfosfaat-accumulerende bacteriën worden voornamelijk aangetroffen in de aërobe zone, terwijl DPB wordt aangetroffen in de refluxzone. Tijdens de anaërobe periode absorberen DPB in de refluxzone en polyfosfaat-accumulerende bacteriën in de aërobe zone het organische substraat; tijdens de aërobe/anoxische periode produceren nitrificerende bacteriën in de aërobe zone NO3- en NO2- om elektronenacceptoren te leveren voor de opname van DPB-fosfor, waardoor stikstof en fosfor worden verwijderd. Slibverwijdering is een cruciale factor die de fosforverwijdering beïnvloedt, wat kan worden bereikt door de dichtheid van de vezelpakking aan te passen. Conventionele SBBR's hebben een slechte stikstof- en fosforverwijderingsefficiëntie, voornamelijk als gevolg van de concurrentie om zuurstof en voedingsstoffen tussen nitrificerende bacteriën en heterotrofe bacteriën in de biofilm. Vergeleken met conventionele SBBR's vermijdt de SBBR met interne circulatieluchtbrug deze concurrentie; vergeleken met conventionele actiefslibprocessen bespaart deze reactor energie en investeringen.
4. Vooruitzichten
Er zijn voorlopige resultaten geboekt bij het onderzoek naar denitrificatie-fosforverwijderingstechnologie, zowel nationaal als internationaal, en de technologie heeft zich ontwikkeld van fundamenteel onderzoek naar technische toepassing. Momenteel is ons begrip van de structuur en functie van de microbiële gemeenschap in denitrificatie-fosforverwijderingssystemen nog steeds beperkt. De microbiële gemeenschapsstructuur varieert aanzienlijk tussen verschillende systemen, en de microbiële gemeenschap binnen hetzelfde systeem is ook erg complex. Moleculaire biologische technieken kunnen worden gebruikt om de dynamiek van de microbiële gemeenschap te volgen en functionele groepen te identificeren, waardoor de relatie tussen de structuur en functie van de microbiële gemeenschap zichtbaar wordt, waardoor een betere controle van de biologische behandelingstechniek mogelijk wordt. Moleculair-biologische technieken die worden gebruikt bij de biologische fosforverwijdering omvatten polymerasekettingreactie (PCR), restrictiefragmentlengtepolymorfisme (RFLP) en oligonucleotideprobetechnieken. Studies gaan er doorgaans van uit dat polyfosfaat-accumulerende bacteriën (PAB's) afkomstig zijn uit de Rhodocyclus- en Dechlorimonas-groepen van -Proteobacteriën. Satoshi T. et al. gebruikte RFLP om de kenmerken van polyfosfaat-accumulerende bacteriën (DPB's) te bestuderen, wat erop wijst dat DPB's Thaurera mechrnichensis en Azoarcus tolulyticus uit de Rhodocyclus-groep zijn. We moeten de microbiologie en engineering van denitrificatie-fosforverwijderingssystemen nauw integreren. Door middel van microbiële detectie en ecologische studies kunnen we de hoeveelheid en gemeenschapsstructuur van DPB's in het systeem analyseren en bepalen, begrijpen hoe bedrijfsparameters de kenmerken, de verdeling van de bevolkingsdichtheid en de ruimtelijke verdeling van PPB's, nitrificerende bacteriën en DPB's beïnvloeden, waardoor we een kunstmatige verbetering van denitrificatie-fosforverwijderingssystemen bereiken, behandelingsprocessen optimaliseren en de ontwikkeling en toepassing van nieuwe technologieën versterken.