Nadměrné znečišťující látky dusíkem a fosforem ve vodních útvarech jsou hlavní příčinou problémů vodního prostředí, jako je eutrofizace, výkvět řas a červený příliv, což vede k řadě problémů, včetně zhoršení kvality vody, nerovnováhy vodních ekosystémů a ohrožení bezpečnosti pitné vody. Ve srovnání s chemickými a fyzikálními procesy čištění se technologie biologického odstraňování dusíku a fosforu stala základním procesem pro pokročilé čištění odpadních vod v současných čistírnách odpadních vod díky svým výhodám, jako jsou stabilní efekty čištění, nízké provozní náklady, žádné sekundární znečištění a adaptabilita na scénáře čištění komunálních a průmyslových odpadních vod. Základním principem biologického odstraňování dusíku a fosforu v odpadních vodách je využití metabolických aktivit různých funkčních mikroorganismů v řízeném střídavém anaerobním, anoxickém a aerobním prostředí k postupné přeměně znečišťujících látek, jako je organický dusík, amoniakální dusík a celkový fosfor v odpadních vodách na plynné látky, které unikají nebo tuhnou do kalu, který je vypouštěn z vodního útvaru, čímž se dosahuje čištění vody.
I. Základní principy biologického odstraňování dusíku z odpadních vod
Dusík v odpadních vodách existuje v komplexních formách, včetně organického dusíku, amoniakálního dusíku, dusitanového dusíku a dusičnanového dusíku. Biologické odstraňování dusíku není jediný reakční proces, ale spíše tříkroková mikrobiální biochemická reakce-amonizace, nitrifikace a denitrifikace-, která nakonec přemění různé formy dusíku na plynný dusík, odstraní ho z vodního útvaru a dosáhne úplného odstranění dusíku. Celý proces se opírá o metabolické aktivity různých bakteriálních komunit v jejich specifických prostředích.
(I) Reakce amoniaku (přeměna organického dusíku)
Za aerobních nebo anaerobních podmínek jsou organické dusíkaté polutanty v odpadních vodách, jako jsou proteiny, močovina a aminokyseliny, hydrolyzovány a oxidovány na anorganický amoniakální dusík (NH3{0}}N) rozkladem a metabolismem amonifikačních bakterií. Tato reakce je základní před-reakcí biologického odstraňování dusíku, vysoce přizpůsobivá prostředí a nevyžaduje přísnou kontrolu parametrů, jako je rozpuštěný kyslík a teplota, což umožňuje hladký průběh za konvenčních podmínek čištění odpadních vod. Reakční proces převádí složitý organický dusík na jednoduchý anorganický dusík, který poskytuje substráty pro následné nitrifikační a denitrifikační reakce, a je prvním krokem při odstraňování dusíku.
(II) Nitrifikace (oxidace amoniaku a dusíku)
Nitrifikace je oxidační reakce ovládaná aerobními autotrofními mikroorganismy, která se skládá ze dvou stupňů: nitrifikace a nitrifikace. Během procesu je vyžadován dostatek kyslíku a mikroorganismy vykazují pomalou rychlost růstu, dlouhé generační cykly a vysokou citlivost na okolní teplotu, pH a rozpuštěný kyslík. Prvním stupněm je nitrifikace, kdy nitrifikační bakterie oxidují amoniakální dusík na dusitanový dusík; druhým stupněm je nitrifikace, kdy nitrifikační bakterie dále oxidují dusitanový dusík na stabilní nitrátový dusík.
Nitrifikační bakterie jsou autotrofní, což znamená, že nespotřebovávají organické polutanty v odpadních vodách. Místo toho využívají chemickou energii generovanou oxidací amoniakálního dusíku jako zdroj energie k fixaci oxidu uhličitého a syntéze vlastních látek. Tento proces je klíčovým oxidačním krokem při odstraňování dusíku, realizuje přeměnu redukujícího dusíku na oxidující dusík a poskytuje reakční substráty pro následnou denitrifikaci.
(III) Denitrifikace (odstranění dusičnanu a dusíku)
Denitrifikace je redukční reakce, které dominují anaerobní heterotrofní mikroorganismy a je posledním základním krokem biologického odstraňování dusíku. V anaerobním prostředí postrádajícím molekulární kyslík, ale obsahující dusičnanový dusík, denitrifikační bakterie využívají zdroje organického uhlíku v odpadních vodách jako donory elektronů k postupnému snižování dusičnanového dusíku a dusitanového dusíku produkovaného při nitrifikační reakci, což nakonec vytváří plynný dusík (N₂), který uniká na vodní hladinu a zcela odstraňuje dusík z odpadní vody.
Proces denitrifikace musí přísně rozlišovat mezi anaerobním a anoxickým prostředím: anaerobní prostředí postrádá molekulární kyslík, ale obsahuje kombinovaný kyslík (dusičnanový dusík), což umožňuje normální průběh denitrifikační reakce; zatímco anaerobní prostředí postrádá kombinovaný kyslík, což brání denitrifikační reakci. Zdroj organického uhlíku je zároveň základní podmínkou pro denitrifikaci; nedostatečné zdroje uhlíku přímo vedou k výraznému snížení účinnosti odstraňování dusíku. V praktickém inženýrství se často používá doplňování exogenních zdrojů uhlíku k zajištění účinnosti odstraňování dusíku.
II. Základní principy biologického odstraňování fosforu z odpadních vod
Základní funkční bakteriální skupinou pro biologické odstraňování fosforu jsou polyfosfát{0}}akumulující bakterie (PAO). Tyto mikroorganismy mají jedinečné metabolické vlastnosti, které jim umožňují dokončit cyklus „uvolňování-vychytávání fosforu“ ve střídavém anaerobním a aerobním prostředí, čímž se nakonec dosáhne úplného odstranění fosforu z vodního útvaru vypouštěním přebytečného kalu. Na rozdíl od denitrifikace neprodukuje biologické odstraňování fosforu žádné plynné vedlejší produkty. Místo toho ztuhne fosfáty ve vodě uvnitř mikroorganismů a uvolňuje je jako kal.
(I) Fáze anaerobního uvolňování fosforu
V přísně anaerobním prostředí bez molekulárního kyslíku a dusičnanového dusíku nemohou bakterie akumulující polyfosfát- (PAB) využívat vnější kyslík k aerobnímu dýchání, čímž omezují své metabolické zdroje energie. V tomto stavu PPA rozkládají polyfosfáty uložené v jejich buňkách, uvolňují energii k absorbování nízko{2}}molekulárních- zdrojů organického uhlíku, jako jsou těkavé mastné kyseliny (VFA) z odpadní vody, a přeměňují je na polyhydroxyalkanoáty (PHA) pro skladování v buňkách. Během tohoto procesu se do odpadní vody uvolňují intracelulární fosfáty, což způsobuje chvilkové zvýšení obsahu fosforu ve vodě-toto je proces uvolňování anaerobního fosforu.
(II) Stádium aerobní absorpce přebytečného fosforu
Když se prostředí přepne do aerobního stavu, PPA již neabsorbují zdroje organického uhlíku, ale místo toho rozkládají PHA uložené v anaerobní fázi, přičemž oxidací a rozkladem organické hmoty získávají velké množství energie. Bakterie akumulující polyfosforečnany (PAC) využívající tuto energii nadměrně absorbují fosforečnany z odpadních vod, což daleko překračuje množství uvolněné během anaerobní fáze. Přebytečný fosforečnan je pak uložen v buňkách jako polyfosforečnan, čímž se dosáhne obohacení fosforem a odstranění z vody.
Nakonec se PAC-bohaté na fosfor usadí s kalem a jsou zcela odstraněny ze systému odpadních vod vypouštěním systémového odpadního kalu, čímž je dokončen celý proces biologického odstraňování fosforu. Střídavé metabolické charakteristiky PAC jsou jádrem biologického odstraňování fosforu a stabilní anaerobní-aerobní přepínání prostředí je zásadní pro zajištění účinnosti odstraňování fosforu.
III. Klíčové faktory ovlivňující biologické odstraňování dusíku a fosforu
Účinnost biologického odstraňování dusíku a fosforu zcela závisí na mikrobiální aktivitě. Metabolické charakteristiky mikroorganismů určují základní kontrolní parametry procesu. Mezi hlavní ovlivňující faktory patří dvě kategorie: environmentální parametry a parametry kvality vody.
1. Rozpuštěný kyslík: Nitrifikace a aerobní příjem fosforu vyžaduje dostatek rozpuštěného kyslíku; anoxická denitrifikace vyžaduje přísně -kyslíkové prostředí; a anaerobní uvolňování fosforu vyžaduje absolutně anaerobní prostředí. Poruchy v kyslíkovém prostředí povedou přímo k selhání odstraňování dusíku a fosforu.
2. Obsah zdroje uhlíku: Denitrifikační bakterie i bakterie akumulující polyfosforečnany- se při metabolismu spoléhají na zdroje organického uhlíku. Když je poměr uhlíku-k-dusíku a uhlík-k-fosforu v odpadní vodě příliš nízký, je třeba přidat exogenní zdroje uhlíku, jako je octan sodný a glukóza; jinak dojde k neúplnému odstranění dusíku a nízké účinnosti odstraňování fosforu.
3. pH a teplota: Optimální pH pro nitrifikační bakterie je 7,5-8,5, zatímco optimální pH pro bakterie akumulující polyfosfáty je 6,5-8,0. Optimální teplota pro mikroorganismy je 20-30 stupňů. Nízké teploty výrazně sníží bakteriální aktivitu a účinnost ošetření.
4. Stáří kalu: Nitrifikační bakterie mají dlouhý generační cyklus, který vyžaduje delší stáří kalu, aby se zajistilo přežití bakterií. Bakterie akumulující polyfosforečnany-na druhé straně mají kratší stáří kalu; příliš dlouhé stáří kalu může vést k uvolňování fosforu z kalu. Skutečný proces proto potřebuje vyvážit stáří kalu, aby byla zajištěna účinnost odstraňování dusíku i fosforu.
IV. Principy aplikace hlavního proudu
Na základě výše uvedených základních principů odstraňování dusíku a fosforu vyvinul průmysl různé vyspělé procesy, z nichž všechny mají za cíl vytvořit střídající se anaerobní, anoxická a aerobní reakční prostředí. Proces A²/O je nejklasičtějším simultánním procesem odstraňování dusíku a fosforu. Postupně dokončuje uvolňování fosforu a ukládání uhlíku bakteriemi akumulujícími polyfosfát- v anaerobní zóně, denitrifikaci v anoxické zóně a nitrifikaci a nadměrné vychytávání fosforu bakteriemi akumulujícími polyfosfát- v aerobní zóně. Nakonec je dosaženo současného odstraňování dusíku a fosforu sedimentací a vypouštěním kalu. Modifikované procesy A²/O, SBR a oxidační příkop jsou navíc všechny založeny na základních biochemických principech, které optimalizují strukturu nádrže a provozní sekvenci, aby se přizpůsobily různým potřebám úpravy kvality vody.
V. Závěr
Podstatou biologického odstraňování dusíku a fosforu z odpadních vod je využití diferencovaných metabolických charakteristik funkčních mikroorganismů a umělá regulace vodního prostředí k dosažení přeměny dusíkatých a fosforových polutantů a jejich odstranění z vodního útvaru. Odstraňování dusíku závisí na postupných reakcích amonifikace, nitrifikace a denitrifikace, aby se dosáhlo odstranění plynů, zatímco odstraňování fosforu závisí na cyklickém metabolismu polyfosfátových-bakterií akumulujících-anaerobní uvolňování fosforu a aerobní absorpci fosforu{3}} k dosažení ztuhnutí a odstranění kalu. Důkladné pochopení jeho biochemických principů je základním základem pro optimalizaci procesů čištění odpadních vod, zlepšení účinnosti odstraňování dusíku a fosforu a řešení problému eutrofizace ve vodních útvarech. Poskytuje také důležitou teoretickou podporu pro úsporu energie, snižování emisí a modernizaci čištění odpadních vod.