Principen för borttagning av biologiskt kväve och fosfor i avloppsvatten

Överdriven mängd kväve och fosfor i vattendrag är huvudorsaken till vattenmiljöproblem som övergödning, algblomning och röda tidvatten, vilket leder till en rad problem, inklusive försämring av vattenkvaliteten, obalans i akvatiska ekosystem och hot mot dricksvattensäkerheten. Jämfört med kemiska och fysiska reningsprocesser har biologisk kväve- och fosforavskiljningsteknik blivit kärnprocessen för avancerad avloppsvattenrening i nuvarande avloppsreningsverk på grund av dess fördelar såsom stabila reningseffekter, låga driftskostnader, inga sekundära föroreningar och anpassningsförmåga till kommunala och industriella reningsscenarier. Kärnprincipen för biologiskt kväve- och fosforavlägsnande i avloppsvatten är att utnyttja de metaboliska aktiviteterna hos olika funktionella mikroorganismer i en kontrollerad alternerande anaerob, anoxisk och aerob miljö för att gradvis omvandla föroreningar som organiskt kväve, ammoniakkväve och total fosfor till avloppsvatten eller fast ämne som släpps ut i avloppsvatten. från vattenkroppen och därigenom uppnå vattenrening.

Kväve i avloppsvatten finns i komplexa former, främst inklusive organiskt kväve, ammoniakkväve, nitritkväve och nitratkväve. Biologiskt kväveborttagning är inte en enskild reaktionsprocess, utan snarare en tre-mikrobiell biokemisk reaktion-ammoniering, nitrifikation och denitrifikation-som i slutändan omvandlar olika former av kväve till kvävgas, tar bort det från vattenkroppen och uppnår totalt kväveavlägsnande. Hela processen är beroende av de metaboliska aktiviteterna hos olika bakteriesamhällen i deras specifika miljöer.

(I) Ammoniationsreaktion (omvandling av organisk kväve)

Under aeroba eller anaeroba förhållanden hydrolyseras organiska kväveföroreningar i avloppsvatten, såsom proteiner, urea och aminosyror, och oxideras till oorganiskt ammoniakkväve (NH₃-N) genom nedbrytning och metabolism av ammonifierande bakterier. Denna reaktion är den grundläggande förreaktionen av biologisk kväveavlägsnande, mycket anpassningsbar till miljön och kräver ingen strikt kontroll av parametrar som löst syre och temperatur, vilket gör att den kan fortgå smidigt under konventionella avloppsvattenreningsförhållanden. Reaktionsprocessen omvandlar komplext organiskt kväve till enkelt oorganiskt kväve, vilket ger substrat för efterföljande nitrifikations- och denitrifikationsreaktioner, och är det första steget i kväveavlägsnande.

(II) Nitrifikation (ammoniakkväveoxidation)

Nitrifikation är en oxidationsreaktion som domineras av aeroba autotrofa mikroorganismer, som består av två steg: nitrifikation och nitrifikation. Tillräckligt med syre krävs under hela processen, och mikroorganismerna uppvisar långsamma tillväxthastigheter, långa generationscykler och hög känslighet för miljötemperatur, pH och löst syre. Det första steget är nitrifikation, där nitrifierande bakterier oxiderar ammoniakkväve till nitritkväve; det andra steget är nitrifikation, där nitrifierande bakterier ytterligare oxiderar nitritkväve till stabilt nitratkväve.

Nitrifierande bakterier är autotrofa, vilket innebär att de inte konsumerar organiska föroreningar i avloppsvatten. Istället använder de den kemiska energi som genereras från oxidationen av ammoniakkväve som energikälla för att fixera koldioxid och syntetisera sina egna ämnen. Denna process är ett viktigt oxidationssteg vid avlägsnande av kväve, som realiserar omvandlingen av reducerande kväve till oxiderande kväve och tillhandahåller reaktionssubstrat för efterföljande denitrifikation.

(III) Denitrifikation (borttagning av nitratkväve)

Denitrifikation är en reduktionsreaktion som domineras av anaeroba heterotrofa mikroorganismer och är det sista kärnsteget i biologiskt kväveavlägsnande. I en anaerob miljö som saknar molekylärt syre men som innehåller nitratkväve, använder denitrifierande bakterier organiska kolkällor i avloppsvattnet som elektrondonatorer för att gradvis reducera nitratkvävet och nitritkvävet som produceras i nitrifikationsreaktionen, vilket i slutändan genererar kvävgas (N₂) helt och hållet för att avlägsna vattenytan som släpper ut nitrogenet från vattenytan.

Denitrifikationsprocessen måste strikt skilja mellan anaeroba och anoxiska miljöer: en anaerob miljö saknar molekylärt syre men innehåller kombinerat syre (nitratkväve), vilket gör att denitrifikationsreaktionen kan ske normalt; medan en anaerob miljö saknar kombinerat syre, vilket förhindrar denitrifikationsreaktionen. Samtidigt är en organisk kolkälla ett kärnvillkor för denitrifikation; otillräckliga kolkällor leder direkt till en signifikant minskning av effektiviteten i kväveavskiljningen. Inom praktisk ingenjörskonst används ofta tillägg med exogena kolkällor för att säkerställa effektiviteten i att avlägsna kväve.

Den centrala funktionella bakteriegruppen för biologiskt fosforborttagning är polyfosfat-ackumulerande bakterier (PAO). Dessa mikroorganismer har unika metaboliska egenskaper, vilket gör det möjligt för dem att slutföra en cykel med "fosforfrisättning-fosforupptag" under omväxlande anaeroba och aeroba miljöer, vilket slutligen uppnår totalt fosforavlägsnande från vattenkroppen genom utsläpp av överflödigt slam. Till skillnad från denitrifikation producerar biologisk fosforborttagning inga gasformiga biprodukter. Istället stelnar det fosfater i vattnet i mikroorganismer och frigör dem som slam.

(I) Anaerobt fosforfrisättningsstadium

I en strikt anaerob miljö, fri från molekylärt syre och nitratkväve, kan polyfosfat{0}}ackumulerande bakterier (PAB) inte använda externt syre för aerob andning, vilket begränsar deras metaboliska energikällor. I detta tillstånd bryter PPA ned de polyfosfater som lagras i deras celler, och frigör energi för att absorbera låg-molekylära- organiska kolkällor som flyktiga fettsyror (VFA) från avloppsvatten, och omvandlar dem till polyhydroxialkanoater (PHA) för lagring i cellerna. Under denna process släpps intracellulära fosfater ut i avloppsvattnet, vilket orsakar en tillfällig ökning av vattnets fosforinnehåll-detta är den anaeroba fosforfrisättningsprocessen.

(II) Absorptionsstadiet för aerobt överskott av fosfor

När miljön växlar till ett aerobt tillstånd absorberar PPA inte längre organiska kolkällor utan sönderdelar istället de PHA som lagras i det anaeroba stadiet och erhåller en stor mängd energi genom oxidation och nedbrytning av organiskt material. Genom att använda denna energi, absorberar polyfosfat-ackumulerande bakterier (PAC) för mycket fosfat från avloppsvatten, vilket vida överstiger mängden som frigörs under det anaeroba skedet. Överskottet av fosfat lagras sedan i cellerna som polyfosfat, vilket uppnår fosforanrikning och avlägsnande från vattnet.

I slutändan sedimenterar de fosforrika PAC:erna med slammet och avlägsnas helt från avloppsvattensystemet genom systemavfallsslamavledning, vilket slutför hela processen för borttagning av biologiskt fosfor. De alternerande metaboliska egenskaperna hos PAC är kärnan i biologisk fosforavlägsnande, och en stabil anaerob -aerob miljöomställning är avgörande för att säkerställa fosforavlägsnande effektivitet.

Effektiviteten av biologiskt kväve- och fosforavlägsnande beror helt på mikrobiell aktivitet. Mikroorganismernas metaboliska egenskaper bestämmer kärnkontrollparametrarna för processoperationen. De huvudsakliga påverkande faktorerna inkluderar två kategorier: miljöparametrar och vattenkvalitetsparametrar.

1. Upplöst syre: Nitrifikation och aerobt fosforupptag kräver tillräckligt med löst syre; anoxisk denitrifikation kräver en miljö med strikt låg-syrehalt; och anaerob fosforfrisättning kräver en absolut anaerob miljö. Störningar i syremiljön leder direkt till bristande kväve- och fosforavskiljning.

2. Kolkällasinnehåll: Både denitrifierande bakterier och polyfosfat-ackumulerande bakterier är beroende av organiska kolkällor för metabolism. När förhållandet kol-till-kväve och kol-till-fosforförhållandet i avloppsvattnet är för lågt måste exogena kolkällor som natriumacetat och glukos tillsättas; annars kommer ofullständig kväveavskiljning och låg fosforavskiljningseffektivitet att inträffa.

3. pH och temperatur: Det optimala pH-värdet för nitrifierande bakterier är 7,5-8,5, medan det optimala pH-värdet för polyfosfatackumulerande bakterier är 6,5-8,0. Den optimala temperaturen för mikroorganismer är 20-30 grader. Låga temperaturer kommer avsevärt att minska bakterieaktiviteten och behandlingseffektiviteten.

4. Slamålder: Nitrifierande bakterier har en lång generationscykel, vilket kräver en längre slamålder för att säkerställa bakteriell överlevnad. Polyfosfat-ackumulerande bakterier har å andra sidan en kortare slamålder; alltför långa slamåldrar kan leda till att fosfor frigörs från slammet. Därför måste den faktiska processen balansera slamåldern för att säkerställa effektiviteten i både kväve- och fosforavskiljning.

Baserat på ovanstående kärnprinciper för borttagning av kväve och fosfor har industrin utvecklat olika mogna processer, som alla syftar till att skapa alternerande anaeroba, anoxiska och aeroba reaktionsmiljöer. A²/O-processen är den mest klassiska samtidiga kväve- och fosforavskiljningsprocessen. Den fullbordar sekventiellt fosforfrisättning och kollagring av polyfosfat-ackumulerande bakterier i den anaeroba zonen, denitrifikation i den anoxiska zonen och nitrifikation och överdrivet fosforupptag av polyfosfat-ackumulerande bakterier i aerobiczonen. Slutligen uppnås samtidigt kväve- och fosforavskiljning genom slamsedimentering och utsläpp. Dessutom är modifierade A²/O-, SBR- och oxidationsdikeprocesser alla baserade på kärnbiokemiska principer, optimerar tankstruktur och driftsekvens för att anpassa sig till olika behov av vattenkvalitetsbehandling.

Kärnan i biologiskt kväve- och fosforavlägsnande från avloppsvatten är att utnyttja de differentierade metaboliska egenskaperna hos funktionella mikroorganismer och på konstgjord väg reglera vattenmiljön för att uppnå omvandling av kväve- och fosforföroreningar och deras avlägsnande från vattenförekomsten. Avlägsnande av kväve är beroende av de stegvisa reaktionerna av ammonifiering, nitrifikation och denitrifikation för att uppnå gasformigt avlägsnande, medan fosforavlägsnande är beroende av den cykliska metabolismen av polyfosfat-ackumulerande bakterier-anaerob fosforfrisättning och aerob fast fosforupptagning{{3} och aerob fast fosfor avlägsnande. En grundlig förståelse för dess biokemiska principer är kärnan för att optimera avloppsvattenreningsprocesser, förbättra kväve- och fosforavskiljningseffektiviteten och lösa problemet med övergödning i vattendrag. Det ger också viktigt teoretiskt stöd för energibesparing, utsläppsminskning och uppgradering av avloppsvattenrening.