Meginreglan um að fjarlægja líffræðilegt köfnunarefni og fosfór í frárennsli

Óhófleg köfnunarefnis- og fosfórmengunarefni í vatnshlotum eru kjarnaorsök vandamála í umhverfi vatns eins og ofauðgun, þörungablóma og rauðfjöru, sem leiðir til fjölda vandamála, þar á meðal versnandi vatnsgæði, ójafnvægi í vistkerfum í vatni og ógnum við öryggi drykkjarvatns. Í samanburði við efnafræðilega og eðlisfræðilega meðhöndlunarferla hefur líffræðileg tækni til að fjarlægja köfnunarefni og fosfór orðið kjarnaferlið fyrir háþróaða skólphreinsun í núverandi skólphreinsistöðvum vegna kosta þess eins og stöðugrar meðferðaráhrifa, lágs rekstrarkostnaðar, engin afleidd mengun og aðlögunarhæfni að sviðsmyndum með afrennsli í sveitarfélögum og iðnaði. Meginreglan um að fjarlægja líffræðilega nitur og fosfór í frárennslisvatni er að nýta efnaskiptavirkni mismunandi virkra örvera í stýrðu loftfirrtu, súrefnislausu og loftháðu umhverfi til skiptis til að umbreyta smám saman mengunarefnum eins og lífrænu köfnunarefni, ammoníak köfnunarefni og heildarfosfór í frárennslisvatn eða föst efni sem losnar í frárennslisvatn. úr vatnshlotinu og ná þar með vatnshreinsun.

Köfnunarefni í frárennsli er til í flóknu formi, aðallega þar með talið lífrænt köfnunarefni, ammoníak köfnunarefni, nítrít köfnunarefni og nítrat köfnunarefni. Líffræðilegt köfnunarefnisfjarlæging er ekki eitt hvarfferli, heldur þriggja-þrepa lífefnafræðileg viðbrögð-ammoníum, nítrunar og denitrification-sem breytir að lokum ýmiss konar köfnunarefni í köfnunarefnisgas, fjarlægir það úr vatnshlotinu og nær heildar niturfjarlægingu. Allt ferlið byggir á efnaskiptavirkni mismunandi bakteríusamfélaga í sérstöku umhverfi þeirra.

(I) Ammoníakviðbrögð (lífræn köfnunarefnisbreyting)

Við loftháðar eða loftfirrðar aðstæður eru lífræn köfnunarefnismengun í skólpvatni, eins og prótein, þvagefni og amínósýrur, vatnsrofnar og oxaðar í ólífrænt ammoníak köfnunarefni (NH₃-N) með niðurbroti og umbrotum ammoníkandi baktería. Þetta hvarf er grundvallarforhvarf -líffræðilegrar köfnunarefnisfjarlægingar, mjög aðlögunarhæft að umhverfinu og krefst ekki strangrar eftirlits með breytum eins og uppleystu súrefni og hitastigi, sem gerir það kleift að ganga vel fyrir sig við hefðbundnar skólphreinsunaraðstæður. Viðbragðsferlið breytir flóknu lífrænu köfnunarefni í einfalt ólífrænt köfnunarefni, sem gefur hvarfefni fyrir síðari nítrunar- og denitrification viðbrögð, og er fyrsta skrefið í að fjarlægja köfnunarefni.

(II) Nitrification (ammoníak köfnunarefnisoxun)

Nitrification er oxunarviðbrögð sem einkennist af loftháðum sjálfvirkum örverum, sem samanstendur af tveimur þrepum: nitrification og nitrification. Nægilegt súrefni er nauðsynlegt í öllu ferlinu og örverurnar sýna hægan vaxtarhraða, langa kynslóðalotu og mikið næmi fyrir umhverfishita, pH og uppleystu súrefni. Fyrsta stigið er nitrification, þar sem nítrandi bakteríur oxa ammoníak köfnunarefni í nítrít köfnunarefni; Annað stigið er nítrification, þar sem nítrandi bakteríur oxa enn frekar nítrít köfnunarefni í stöðugt nítrat köfnunarefni.

Nitrandi bakteríur eru sjálfvirkar, sem þýðir að þær neyta ekki lífrænna mengunarefna í frárennslisvatni. Þess í stað nota þeir efnaorkuna sem myndast við oxun ammoníak köfnunarefnis sem orkugjafa til að binda koltvísýring og búa til eigin efni. Þetta ferli er lykiloxunarskref í fjarlægingu köfnunarefnis, gerir sér grein fyrir umbreytingu afoxandi köfnunarefnis í oxandi köfnunarefni og útvegar hvarfefni fyrir hvarfefni fyrir síðari denitrification.

(III) Denitrification (nítrat köfnunarefnisfjarlæging)

Denitrification er minnkunarviðbrögð sem einkennist af loftfirrðum heterotrophic örverum og er síðasta kjarnaskrefið í líffræðilegri nitureyðingu. Í loftfirrtu umhverfi sem skortir sameindasúrefni en inniheldur nítratköfnunarefni, nýta nítrunarbakteríur lífræna kolefnisgjafa í skólpi sem rafeindagjafar til að draga smám saman úr nítratköfnunarefninu og nítrítköfnunarefninu sem myndast í nítrunarhvarfinu og mynda að lokum köfnunarefnisgas (N₂) sem fjarlægir algjörlega í vatnsyfirborðið, sem var nítrón, úr vatnsyfirborðinu.

The denitrification ferlið verður stranglega að greina á milli loftfirrt og anoxic umhverfi: loftfirrt umhverfi skortir sameinda súrefni en inniheldur sameinað súrefni (nítrat köfnunarefni), sem gerir denitrification hvarfið að eiga sér stað eðlilega; á meðan loftfirrt umhverfi skortir samsett súrefni, sem kemur í veg fyrir denitrification viðbrögðin. Jafnframt er lífræn kolefnisgjafi kjarnaskilyrði fyrir denitrification; ófullnægjandi kolefnisgjafar leiða beint til verulegrar minnkunar á skilvirkni niturs. Í verklegri verkfræði er oft notuð viðbót við utanaðkomandi kolefnisgjafa til að tryggja skilvirkni köfnunarefnisfjarlægingar.

Kjarni virka bakteríuhópurinn fyrir líffræðilega fosfórfjarlægingu eru fjölfosfat-uppsöfnunarbakteríur (PAO). Þessar örverur búa yfir einstökum efnaskiptaeiginleikum, sem gera þeim kleift að ljúka „fosfórlosun-fosfórupptöku“ hringrás undir loftfirrtu og loftháðu umhverfi til skiptis, og ná að lokum algjörri fosfórfjarlægingu úr vatnshlotinu með losun umfram seyru. Ólíkt denitrification framleiðir líffræðilegur fosfórfjarlæging engar gaskenndar aukaafurðir. Þess í stað storknar það fosföt í vatninu innan örvera og losar þau sem seyru.

(I) Loftfirrt fosfórlosunarstig

Í stranglega loftfirrtu umhverfi, laust við sameindasúrefni og nítratköfnunarefni, geta fjölfosfat-söfnunarbakteríur (PAB) ekki nýtt ytra súrefni til loftháðrar öndunar, sem takmarkar efnaskiptaorkugjafa þeirra. Í þessu ástandi brjóta PPA niður fjölfosfötin sem eru geymd í frumum þeirra, gefa frá sér orku til að gleypa lág-sameinda-uppsprettur lífrænna kolefnis eins og rokgjarnar fitusýrur (VFAs) úr frárennslisvatni og breyta þeim í pólýhýdroxýalkanóöt (PHA) til geymslu í frumunum. Í þessu ferli losna innanfrumufosföt út í frárennslisvatnið sem veldur aukningu á fosfórinnihaldi vatnsins um stundarsakir -þetta er loftfirrt fosfórlosunarferlið.

(II) Loftháð umframfosfór frásogsstig

Þegar umhverfið skiptir yfir í loftháð ástand gleypa PPA ekki lengur lífræna kolefnisgjafa heldur brjóta niður PHA sem geymd eru á loftfirrtu stigi og fá mikið magn af orku með oxun og niðurbroti lífrænna efna. Með því að nýta þessa orku gleypa fjölfosfat-bakteríur (PAC) of mikið fosfat úr skólpvatni, langt umfram það magn sem losnar á loftfirrtu stigi. Umframfosfatið er síðan geymt í frumunum sem fjölfosfat, sem nær fram fosfórauðgun og fjarlægingu úr vatninu.

Að lokum setjast -fosfórríku PAC-efnin saman við seyrun og eru að fullu fjarlægð úr frárennsliskerfinu í gegnum losun kerfisúrgangseyru og lýkur þannig öllu líffræðilegu fosfórfjarlægingarferlinu. Víxlefnafræðilegir eiginleikar PAC eru kjarninn í líffræðilegri fosfórfjarlægingu og stöðugt loftfirrt -loftháð umhverfi skiptir sköpum til að tryggja skilvirkni fosfórfjarlægingar.

Árangur líffræðilegs köfnunarefnis og fosfórs fer algjörlega eftir virkni örvera. Efnaskiptaeiginleikar örveranna ákvarða kjarnastýringarbreytur vinnsluferlisins. Helstu áhrifaþættir eru tveir flokkar: umhverfisbreytur og vatnsgæðabreytur.

1. Uppleyst súrefni: Nitrification og loftháð fosfórupptaka krefst nægilegs uppleysts súrefnis; súrefnislaus denitrification krefst stranglega lítið-súrefnisumhverfis; og loftfirrt fosfórlosun krefst algerlega loftfirrts umhverfi. Truflanir í súrefnisumhverfinu munu beinlínis leiða til bilunar á nitur- og fosfóreyðingu.

2. Innihald kolefnisuppsprettu: Bæði bakteríur sem innihalda denitrifying og fjölfosfat-söfnunarbakteríur treysta á lífrænar kolefnisuppsprettur fyrir umbrot. Þegar hlutfall kolefnis-til-köfnunarefnis og kolefnis-til-fosfórhlutfalls í skólpvatni er of lágt þarf að bæta við utanaðkomandi kolefnisgjöfum eins og natríumasetati og glúkósa; annars mun ófullnægjandi köfnunarefnisfjarlæging og lítil fosfóreyðing skilvirkni eiga sér stað.

3. pH og hitastig: Ákjósanlegt pH fyrir nítrunargerlar er 7,5-8,5, en ákjósanlegasta pH fyrir bakteríur sem safna fjölfosfat er 6,5-8,0. Ákjósanlegur hiti fyrir örverur er 20-30 gráður. Lágt hitastig mun draga verulega úr virkni baktería og skilvirkni meðferðar.

4. Seyrualdur: Nitrandi bakteríur hafa langa kynslóðarlotu, sem krefst lengri seyrualdurs til að tryggja lifun baktería. Pólýfosfat-söfnunarbakteríur hafa aftur á móti styttri seyrualdur; of langur seyrualdur getur leitt til fosfórlosunar úr seyru. Þess vegna þarf raunverulegt ferli að koma jafnvægi á seyrualdurinn til að tryggja skilvirkni bæði köfnunarefnis og fosfórs.

Byggt á ofangreindum meginreglum um fjarlægingu köfnunarefnis og fosfórs hefur iðnaðurinn þróað ýmsa þroskaða ferla, sem öll miða að því að skapa loftfirrt, anoxískt og loftháð hvarfumhverfi til skiptis. A²/O ferlið er klassískasta samtímis köfnunarefnis- og fosfórfjarlægingarferlið. Það lýkur í röð fosfórlosunar og kolefnisgeymslu með fjölfosfat-söfnunarbakteríum á loftfirrta svæðinu, denitrification á anoxíska svæðinu og nitrification og óhóflegri fosfórupptöku með fjölfosfat-uppsöfnunarbakteríum í loftfirrtu svæði. Loks næst samtímis brottflutningur niturs og fosfórs með seti og losun seyru. Að auki eru breyttir A²/O, SBR og oxunarskurðarferlar allir byggðir á kjarna lífefnafræðilegum meginreglum, hámarka uppbyggingu tanks og rekstrarröð til að laga sig að mismunandi vatnsgæðameðferðarþörfum.

Kjarni líffræðilegs köfnunarefnis og fosfórs úr skólpsvatni er að nýta mismunandi efnaskiptaeiginleika virkra örvera og stjórna vatnsumhverfinu tilbúnar til að ná umbreytingu köfnunarefnis og fosfórs mengunarefna og fjarlægja þeirra úr vatnshlotinu. Fjarlæging köfnunarefnis byggir á þrepskiptri viðbrögðum ammonification, nitrification og denitrification til að ná loftkenndri flutningi, en fosfórfjarlæging byggir á hringrásarbundnu umbroti fjölfosfats-uppsöfnunar baktería-loftfirrs fosfórs losunar og loftfirrðrar fosfórsupptöku{3fósupptöku{3} fosfós flutningur. Ítarlegur skilningur á lífefnafræðilegum meginreglum þess er grunnurinn að því að hámarka hreinsunarferla skólps, bæta skilvirkni köfnunarefnis og fosfórs og leysa vandamálið við ofauðgun í vatnshlotum. Það veitir einnig mikilvægan fræðilegan stuðning við orkusparnað, minnkun losunar og uppfærslu á skólphreinsun.