1. Denitrifizierender Phosphorentfernungsmechanismus
Bakterien mit hohem{0}}Säuregehalt zersetzen unter anaeroben Bedingungen große organische Moleküle in nieder-molekulare-Fettsäuren. DPB (Destillierte Wismutbiota) zersetzt Polyphosphate in seinen Zellen unter anaeroben Bedingungen, um ATP zu erzeugen, absorbiert Fettsäuren durch aktiven Transport und synthetisiert Poly(-hydroxybutyrat) (PHB) und setzt gleichzeitig PO43- frei. Nachdem sich große Mengen PHB angesammelt haben, geht DPB in einen anaeroben Zustand über, wobei NO3- als Elektronenakzeptor für die PHB-Oxidation verwendet wird. Es nutzt den Abbau von PHB, um Energie zu erzeugen und Reduktionskraft (Nikotinamidadenindinukleotid (NADH)) bereitzustellen, und nutzt NADH+H+ als Träger der Elektronentransportkette, um Protonen zu entfernen und so eine protonengetriebene Kraft zu bilden. Diese protonengetriebene Kraft transportiert PO43- von außerhalb des Körpers in den Körper, wo es unter der Wirkung von ATPasen ATP synthetisiert und überschüssiges PO43- zu Polyphosphaten polymerisiert. Das von produzierte ATP DPB übersteigt unter anaeroben Bedingungen durch die Elektronentransportkette das ATP, das unter anaeroben Bedingungen durch den Abbau von Polyphosphaten im Körper produziert wird. Daher hat DPB die Funktion, übermäßigen Phosphor aus dem Abwasser aufzunehmen.
2. Hauptfaktoren, die die Denitrifikation und Phosphorentfernung beeinflussen
2.1 Verhältnis von Kohlenstoff-zu-Stickstoff
Gemäß der traditionellen Phosphorentfernungstheorie führt das Vorhandensein von Kohlenstoffquellen in der anoxischen Zone oder von Nitraten in der anaeroben Zone zu einer Konkurrenz zwischen denitrifizierenden Bakterien und DPB um Elektronenakzeptor-Nitratstickstoff oder um Kohlenstoffquellen, wodurch der selektive Vorteil von DPB verringert und die Effizienz der Phosphorentfernung beeinträchtigt wird. Dies erfordert ein geeignetes Verhältnis von Kohlenstoff-zu-Stickstoff im Zufluss. Untersuchungen von Ahn J. et al. zeigt, dass unter anaeroben/aeroben (A/O) Bedingungen die langfristige Akklimatisierung von Kohlenstoffquellen und einer kleinen Menge an Nitraten, die in die anaerobe Zone gelangen, die DPB-Anreicherung fördert und DPB seine anoxische Phosphoraufnahmekapazität unter A/O-Bedingungen aufrechterhalten kann. Aus mikrobiologischer Sicht gibt es zwei Erklärungen: Zum einen nutzt DPB Kohlenstoffquellen in der anaeroben Zone direkt über den Tricarbonsäurezyklus (TCA); Der andere Grund besteht darin, dass DPB Kohlenstoffquellen während der anaeroben Periode durch den TCA-Zyklus oxidiert, um reduzierende Kraft und Energie zur Akkumulation von Polyhydroxyalkansäuren zu erhalten, und während der aeroben Periode überlebt. Zu den diesbezüglichen physiologischen Eigenschaften von DPB wurden keine weiteren Berichte veröffentlicht.
2.2 Nitrat-Dosierungsmethoden
Für die Zugabe von Nitrat in die anoxische Zone gibt es zwei Methoden: die sofortige Zugabe und die kontinuierliche Zugabe. Eine kontinuierliche Zugabe ist etwas effektiver und vermeidet zudem die Anreicherung von Nitrit. Bezüglich der Auswirkung einer kontinuierlichen Zugabezeit auf die Phosphoraufnahmerate haben Zou Hua et al. zeigten, dass die Phosphoraufnahmerate höher war, wenn die kontinuierliche Zugabezeit 2 Stunden betrug, als wenn sie 3,5 Stunden betrug. Allerdings gibt es derzeit keine Berichte über den konkreten Zusammenhang zwischen der Zugaberate und der Phosphoraufnahmerate. Weitere technische Dokumente finden Sie im China Wastewater Treatment Engineering Network.
2.3 SRT
DPB wächst unter A/A-Bedingungen langsamer als unter A/O-Bedingungen. Eine zu kurze SRT führt dazu, dass DPB im Reaktor eliminiert wird, während eine zu lange SRT dazu führt, dass der Schlamm altert und der Phosphorgehalt sinkt. Merzouki M. berichtete, dass die Phosphorentfernungseffizienz des SBR-Systems zur Denitrifizierung von Phosphor bei einer SRT von 15 Tagen 1,8-mal höher war als bei einer SRT von 7,5 Tagen. Bei Granulatschlammverfahren zur Phosphor- und Stickstoffentfernung ist die Schlammstruktur aufgrund der reichhaltigeren und stärker integrierten biologischen Gemeinschaft komplex. Wie DPB, Polyphosphat--akkumulierende Bakterien und nitrifizierende Bakterien im Laufe der Schlammalterung ausgeglichen werden können, bleibt ungewiss.
2.4 Nitrit
Derzeit gibt es zwei Meinungen darüber, ob Nitrit die Phosphoraufnahme hemmt, und diese Meinungen basieren auf unterschiedlichen Forschungsthemen. Unter Verwendung von Schlamm, der keiner Denitrifizierung und Akklimatisierung zur Phosphorentfernung unterzogen wurde, als Forschungsgegenstand zeigen die Ergebnisse durchweg, dass Nitritkonzentrationen, die einen kritischen Wert überschreiten, die Phosphoraufnahme hemmen. Experimente von Wang Ya-yi et al. zeigten, dass die Phosphoraufnahme gehemmt wird, wenn die Nitritkonzentration 15 mg/L übersteigt, während Experimente von Meinhold J. et al. gaben an, dass die kritische Nitritkonzentration 5–8 mg/L beträgt. Die Verwendung von Schlamm, der einer Denitrifizierung und Phosphorentfernungsakklimatisierung unterzogen wurde, als Forschungsgegenstand führt jedoch zu unterschiedlichen Ergebnissen. Die Experimente von Hu JY zeigten, dass es zusätzlich zu den weithin bekannten Polyphosphat-akkumulierenden Bakterien (PABs) und DPB auch eine dritte Gruppe von PPBs gibt. Diese PPBs können Nitrit als Elektronenakzeptor für die Phosphoraufnahme nutzen. Darüber hinaus zeigten die Experimente, dass es bei einer anfänglichen Nitritkonzentration von weniger als 115 mg/L zu keiner signifikanten Hemmung der Phosphoraufnahme kam. Die Nitritkonzentration in häuslichen Kläranlagen liegt offensichtlich weit unter dieser kritischen Konzentration, so dass die biologische Phosphorentfernung dadurch nicht beeinträchtigt wird. Viele andere Faktoren beeinflussen die Phosphorentfernung durch Denitrifikation, wie z. B. die Temperatur (DPB ist besonders temperaturempfindlich, insbesondere bei niedrigen Temperaturen) und Kationen (Mg2+ und K+). Zu diesen Aspekten gibt es derzeit wenig Forschung, und die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Faktoren erhöhen die Schwierigkeit der Forschung.
3. Neue Ansätze zur Entfernung von Phosphor durch Denitrifikation
Zu den traditionellen typischen Prozessen zur Phosphorentfernung durch Denitrifikation gehören: ① Anaerober/anoxischer und Nitrifikationsprozess (A2N). Bei diesem Prozess handelt es sich um einen dualen Prozess zur Phosphorentfernung durch Schlammdenitrifikation, bei dem nitrifizierende Bakterien und DPB getrennt in verschiedenen Schlammsystemen kultiviert werden, wodurch die nitrifizierenden Bakterien vollständig vom DPB getrennt werden. Das A2N-Verfahren eignet sich am besten für Situationen mit niedrigen Kohlenstoff- und Stickstoffverhältnissen. ② Dephanox-Prozess. Wenn der einströmende Kohlenstoff- und Stickstoffgehalt hoch ist, muss im A2N-Prozess nach dem anoxischen Tank ein Belebungsbecken hinzugefügt werden, wodurch der DEPHANOX-Prozess entsteht.
③BCFS-Prozess. Bei diesem Verfahren handelt es sich um ein modifiziertes UCT-Verfahren. Das Konstruktionsprinzip des UCT-Prozesses basiert auf der technischen Verbesserung der Umgebungsbedingungen, die von Polyphosphat-ansammelnden Bakterien benötigt werden, während die Entwicklung von BCFS aus Prozesssicht Anreicherungsbedingungen für DPB schaffen soll. Kürzlich gab es einen Durchbruch in der Forschung zur Anwendung der Phosphorentfernungstechnologie durch Denitrifikation. Einheiten, die eine Abwasserbehandlung benötigen, können sich auf der Projektserviceplattform Wastewater Treasure auch an Unternehmen mit ähnlicher Erfahrung in der Abwasserbehandlung wenden.
3.1 AOA-SBR-Methode
Der anaerobe/anoxische/aerobe (A2O)-Prozess ist eine übliche Form der Stickstoff- und Phosphorentfernung. Es funktioniert hauptsächlich durch den Stoffwechsel von Polyphosphat-akkumulierenden Bakterien, nitrifizierenden Bakterien und denitrifizierenden Bakterien. Daher ist die Zirkulation nitrat- und nitrithaltiger Flüssigkeiten in diesem Prozess unerlässlich. Tsuneda S. et al. schlugen einen anaeroben/aeroben/anoxischen (AOA) Prozess im SBR (Self-Biochemical Reactor) vor, der die Eigenschaften von DPB (Diphosphatpolyphosphat) vollständig nutzt, um gleichzeitig Stickstoff und Phosphor unter anoxischen Bedingungen und ohne Kohlenstoffquelle zu entfernen. Dies ermöglicht die Denitrifikation im anoxischen Abschnitt ohne Kohlenstoffquelle, wodurch die Notwendigkeit einer Zirkulation zwischen aeroben und anoxischen Tanks entfällt und so eine gleichzeitige Entfernung von Stickstoff und Phosphor in einem einzigen SBR erreicht wird. Experimente haben auch gezeigt, dass dieses Verfahren bei der Behandlung von synthetischem Abwasser mit einem Kohlenstoff-zu-Verhältnis unter 10 hervorragende Stickstoff- und Phosphorentfernungseffekte erzielen kann, mit durchschnittlichen Stickstoff- und Phosphorentfernungsraten von 83 % bzw. 92 %. Dieser Prozess reichert nicht nur DPB an, sondern sorgt auch dafür, dass DPB eine wichtige Rolle bei der Entfernung von Phosphor und Stickstoff spielt. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass DPB 44 % der gesamten Polyphosphat-ansammelnden Bakterien im AOA-SBR-Verfahren ausmacht, was deutlich höher ist als bei den herkömmlichen A/O-SBR-Verfahren (13 %) und A2O-Verfahren (21 %).
Der AOA-SBR-Prozess weist zwei Hauptmerkmale auf: ① Eine angemessene Menge an Kohlenstoffquelle wird zu Beginn der aeroben Phase hinzugefügt, um die aerobe Phosphoraufnahme zu hemmen. In diesem Experiment betrug die optimale Menge der während der aeroben Phase zugesetzten Kohlenstoffquelle 40 mg/L.
② Nitrit kann dabei als Elektronenakzeptor für die Phosphoraufnahme fungieren.
3.2 Granulatschlammprozess
Granulatschlamm zur Stickstoff- und Phosphorentfernung befindet sich derzeit noch im Forschungsstadium. Im Vergleich zu herkömmlichen Schlammverfahren weist aerober Granulatschlamm eine bessere Absetzleistung, eine höhere Biomassekonzentration und einen geringeren Schlammfeuchtigkeitsgehalt auf. Durch den Einsatz von körnigem Schlamm können die bei herkömmlichem Schlamm bestehenden Probleme (z. B. Schlammaufblähung, großer Platzbedarf von Behandlungsstrukturen und sekundäre Phosphorfreisetzung aus Klärbecken) überwunden werden. Experimente von Dulekgurgen E. et al. zeigten, dass körniger Schlamm eine stabile Biomasse mit CSB-, Phosphor- und Stickstoffentfernungsraten von 95 %, 99,6 % bzw. 71 % aufweist. Inländische Forschungsergebnisse stimmen mit diesen Erkenntnissen überein, und aerober Granulatschlamm verfügt über Denitrifikations- und Phosphorentfernungsfähigkeiten. Aufgrund der einzigartigen Struktur von körnigem Schlamm und dem Vorhandensein eines Sauerstoffdiffusionsgradienten bietet er eine Umgebung für die Koexistenz von Polyphosphat-ansammelnden Bakterien, nitrifizierenden Bakterien und DPB. Im körnigen Schlamm reichern sich große Mengen an DPB und nitrifizierenden Bakterien an; Experimente von Yang Guojing et al. zeigten, dass DPB 73,1 % aller Polyphosphat-ansammelnden Bakterien in körnigem Schlamm ausmachte. Die Kultivierung von körnigem Schlamm ist schwieriger als die Kultivierung von gewöhnlichem Schlamm und die Einflussfaktoren sind relativ komplex.
Zusätzlich zu den Einflussfaktoren, die bei der gewöhnlichen Schlammdenitrifizierung und Phosphorentfernung üblich sind, weist körniger Schlamm seine eigenen einzigartigen Einflussfaktoren auf: ① Die Wechselwirkung zwischen DO-Konzentration und Partikelgröße hat einen erheblichen Einfluss auf die Effizienz der Denitrifizierung und Phosphorentfernung. Wenn die Partikelgröße zu klein ist, ist die Sauerstoffdurchdringung relativ stark, was die Bildung der anoxischen Zone beeinträchtigt und dazu führt, dass keine Denitrifikation und Phosphorentfernung erreicht werden kann.
② Die Aufrechterhaltung eines angemessenen Verhältnisses von Stickstoff-zu-Phosphor ist für die Schlammgranulierung und die Phosphorentfernungskapazität von entscheidender Bedeutung. Wenn das Verhältnis von Stickstoff-zu-Phosphor von 2,36 auf 4,0 steigt, sinkt die Phosphorentfernungsrate von 85,0 % auf 54,1 %. ③ Experimente von Lin Y-M et al. zeigte einen engen Zusammenhang zwischen der Partikelgröße und dem Massenverhältnis von Phosphor-zu -Kohlenstoff. Ein hohes Massenverhältnis von Phosphor-zu-Kohlenstoff kann zu kleineren Partikeln mit einer kompakteren Struktur führen, wodurch der SVI reduziert und die Ansammlung von Polyphosphat-bakterien gefördert wird.
3.3 Interner Zirkulations-Airlift-Sequenzierungs-Batch-Biofilm-Prozess
Der interne Zirkulations-Airlift-Sequenzierungs-Batch-Biofilm-Prozess (SBBR) ist hauptsächlich für die integrierte Entfernung von Phosphor und Stickstoff konzipiert. Studien von Zhang ZY et al. zeigten, dass der SBBR mit interner Zirkulationsluftbrücke stabile Stickstoff- und Phosphorentfernungsraten erzielte. Die Entfernungsraten von CSB, N und P betrugen bei optimaler Packungsdichte und organischer Belastung 95,3 % ± 3,3 %, 94,6 % ± 4,1 % bzw. 73,1 % ± 8,3 %. Der Reaktor ist durch eine Trennwand in zwei Zonen unterteilt: eine aerobe Zone und eine Rückflusszone. Nitrifizierende Bakterien und aerobe Polyphosphate-akkumulierende Bakterien kommen hauptsächlich in der aeroben Zone vor, während DPB in der Refluxzone zu finden ist. Während der anaeroben Phase absorbieren DPB in der Rückflusszone und Polyphosphat-ansammelnde Bakterien in der aeroben Zone das organische Substrat; Während der aeroben/anoxischen Phase produzieren nitrifizierende Bakterien in der aeroben Zone NO3- und NO2-, um Elektronenakzeptoren für die DPB-Phosphoraufnahme bereitzustellen und so Stickstoff und Phosphor zu entfernen. Die Schlammentfernung ist ein entscheidender Faktor für die Phosphorentfernung, der durch eine Anpassung der Dichte der Faserpackung erreicht werden kann. Herkömmliche SBBRs weisen eine geringe Effizienz bei der Entfernung von Stickstoff und Phosphor auf, was hauptsächlich auf die Konkurrenz um Sauerstoff und Nährstoffe zwischen nitrifizierenden Bakterien und heterotrophen Bakterien innerhalb des Biofilms zurückzuführen ist. Im Vergleich zu herkömmlichen SBBRs vermeidet der SBBR mit interner Zirkulationsluftbrücke diese Konkurrenz; Im Vergleich zu herkömmlichen Belebtschlammverfahren spart dieser Reaktor Energie und Investitionen.
4. Ausblick
Bei der Erforschung der Denitrifikations-Phosphorentfernungstechnologie wurden im In- und Ausland vorläufige Ergebnisse erzielt, und die Technologie hat sich von der Grundlagenforschung zur technischen Anwendung entwickelt. Derzeit ist unser Verständnis der Struktur und Funktion der mikrobiellen Gemeinschaft in denitrifizierenden Phosphorentfernungssystemen noch begrenzt. Die Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft variiert erheblich zwischen verschiedenen Systemen, und auch die mikrobielle Gemeinschaft innerhalb desselben Systems ist sehr komplex. Molekularbiologische Techniken können verwendet werden, um die Dynamik mikrobieller Gemeinschaften zu verfolgen und funktionelle Gruppen zu identifizieren, wodurch die Beziehung zwischen Struktur und Funktion mikrobieller Gemeinschaften aufgedeckt wird und dadurch eine bessere Kontrolle der biologischen Behandlungstechnik ermöglicht wird. Zu den molekularbiologischen Techniken, die bei der biologischen Phosphorentfernung eingesetzt werden, gehören Polymerasekettenreaktion (PCR), Restriktionsfragmentlängenpolymorphismus (RFLP) und Oligonukleotidsondentechniken. Studien gehen im Allgemeinen davon aus, dass Polyphosphat-akkumulierende Bakterien (PABs) zu den Rhodocyclus- und Dechlorimonas-Gruppen der -Proteobakterien gehören. Satoshi T. et al. verwendeten RFLP, um die Eigenschaften von Polyphosphat-akkumulierenden Bakterien (DPBs) zu untersuchen, was darauf hindeutet, dass es sich bei den DPBs um Thaurera mechrnichensis und Azoarcus tolulyticus aus der Rhodocyclus-Gruppe handelt. Wir müssen die Mikrobiologie und die Technik von Denitrifikationssystemen zur Phosphorentfernung eng miteinander verknüpfen. Durch mikrobiellen Nachweis und ökologische Studien können wir die Menge und Gemeinschaftsstruktur von DPBs im System analysieren und bestimmen, verstehen, wie sich Betriebsparameter auf die Eigenschaften, die Verteilung der Populationsdichte und die räumliche Verteilung von PPBs, nitrifizierenden Bakterien und DPBs auswirken, und so eine künstliche Verbesserung der Denitrifikations-Phosphorentfernungssysteme erreichen, Behandlungsprozesse optimieren und die Entwicklung und Anwendung neuer Technologien stärken.