1. آلية إزالة النتروجين الفوسفور
تعمل البكتيريا عالية الحموضة على تحلل الجزيئات العضوية الكبيرة إلى أحماض دهنية منخفضة الوزن-جزيئية- تحت الظروف اللاهوائية. يقوم DPB (كائنات البزموت المقطر) بتحلل البولي فوسفات داخل خلاياه في ظل ظروف لا هوائية لتوليد ATP، وامتصاص الأحماض الدهنية عبر النقل النشط وتوليف poly(-hydroxybutyrate) (PHB)، بينما يطلق في نفس الوقت PO43-. بعد تراكم كميات كبيرة من PHB، يدخل DPB في الحالة اللاهوائية، باستخدام NO3- كمستقبل للإلكترون لأكسدة PHB. يستخدم تحلل PHB لتوليد الطاقة وتوفير الطاقة المختزلة (نيكوتيناميد أدنين ثنائي النوكليوتيد (NADH)، ويستخدم NADH + H + كحامل لسلسلة نقل الإلكترون لإزالة البروتونات، وبالتالي تشكيل قوة يحركها البروتون. تنقل هذه القوة التي يحركها البروتون PO43- من خارج الجسم إلى الجسم، حيث يتم تصنيع ATP تحت تأثير ATPases، مما يؤدي إلى بلمرة PO43- الزائدة إلى يتجاوز الـ ATP الذي ينتجه DPB في الظروف اللاهوائية من خلال سلسلة نقل الإلكترون الـ ATP الذي يتم إنتاجه في الظروف اللاهوائية من خلال تحلل البولي فوسفات داخل الجسم، وبالتالي فإن الفوسفور الممتص في الظروف اللاهوائية أكبر من الفوسفور المنطلق في الظروف اللاهوائية.
2. العوامل الرئيسية المؤثرة على نزع النتروجين وإزالة الفوسفور
2.1 نسبة الكربون-إلى-نسبة النيتروجين
وفقًا لنظرية إزالة الفسفور التقليدية، فإن وجود مصادر الكربون في منطقة نقص الأكسجين أو النترات في المنطقة اللاهوائية يؤدي إلى التنافس بين البكتيريا النازعة للنتروجين وDPB على نيتروجين نترات متقبل الإلكترون أو على مصادر الكربون، وبالتالي تقليل الميزة الانتقائية لـ DPB والتأثير على كفاءة إزالة الفوسفور. وهذا يتطلب نسبة كربون مناسبة - إلى - نيتروجين في المادة المؤثرة. ومع ذلك، فإن البحث الذي أجراه Ahn J. وآخرون. يوضح أنه في ظل الظروف اللاهوائية/الهوائية (A/O)، فإن التأقلم طويل الأمد لمصادر الكربون وكمية صغيرة من النترات التي تدخل المنطقة اللاهوائية يعزز إثراء DPB، ويمكن لـ DPB الحفاظ على قدرته على امتصاص الفوسفور غير المؤكسد تحت ظروف A/O. من منظور ميكروبيولوجي، هناك تفسيران: الأول هو أن DPB يستخدم بشكل مباشر مصادر الكربون في المنطقة اللاهوائية من خلال دورة حمض ثلاثي الكربوكسيل (TCA)؛ والآخر هو أن DPB يؤكسد مصادر الكربون خلال الفترة اللاهوائية من خلال دورة TCA للحصول على طاقة مخفضة وطاقة لتراكم أحماض polyhydroxyalkanoic، ويعيش خلال الفترة الهوائية. لم يتم نشر أي تقارير أخرى بخصوص الخصائص الفسيولوجية لـ DPB في هذا الصدد.
2.2 طرق جرعات النترات
هناك طريقتان لإضافة النترات في منطقة نقص الأكسجين: الإضافة اللحظية والإضافة المستمرة. تعد الإضافة المستمرة أكثر فعالية قليلاً وتتجنب أيضًا تراكم النتريت. فيما يتعلق بتأثير وقت الإضافة المستمر على معدل امتصاص الفوسفور، Zou Hua et al. أظهر أن معدل امتصاص الفوسفور كان أعلى عندما كان وقت الإضافة المستمر 2 ساعة عنه عندما كان 3.5 ساعة. ومع ذلك، لا توجد حاليا أي تقارير عن العلاقة المحددة بين معدل الإضافة ومعدل امتصاص الفوسفور. يمكن العثور على المزيد من الوثائق الفنية على شبكة هندسة معالجة مياه الصرف الصحي الصينية.
2.3 إس آر تي
ينمو DPB بشكل أبطأ في ظل ظروف A/A مقارنة بظروف A/O. سيؤدي قصر SRT جدًا إلى التخلص من DPB في المفاعل، في حين أن طول SRT طويل جدًا سيؤدي إلى تقادم الحمأة وتقليل محتوى الفوسفور. أفاد مرزوقي م. أن كفاءة إزالة الفوسفور في نظام إزالة الفسفور بنزع النتروجين SBR كانت أعلى بمقدار 1.8 مرة عندما كان SRT 15 يومًا مقارنة بما كان عليه عندما كان 7.5 يومًا. بالنسبة لعمليات الحمأة الحبيبية المستخدمة لإزالة الفوسفور والنيتروجين، يكون هيكل الحمأة معقدًا بسبب مجتمعها البيولوجي الأكثر ثراءً وتكاملاً. لا تزال كيفية موازنة البكتيريا المتراكمة بين DPB والبولي فوسفات- والبكتيريا الآزوتية خلال عمر الحمأة غير مؤكدة.
2.4 النتريت
حاليًا، هناك رأيان بشأن ما إذا كان النتريت يمنع امتصاص الفوسفور، وتستند هذه الآراء إلى موضوعات بحثية مختلفة. باستخدام الحمأة التي لم تخضع لعملية نزع النتروجين والتأقلم لإزالة الفوسفور كموضوع بحث، تظهر النتائج باستمرار أن تركيزات النتريت التي تتجاوز المستوى الحرج تمنع امتصاص الفسفور. تجارب وانغ يا - يي وآخرون. أظهرت أن امتصاص الفوسفور يتم تثبيطه عندما يتجاوز تركيز النتريت 15 ملغم / لتر، في حين أن التجارب التي أجراها Meinhold J. et al. أشار إلى أن تركيز النتريت الحرج هو 5-8 ملغم / لتر. ومع ذلك، فإن استخدام الحمأة التي خضعت لعملية نزع النتروجين والتأقلم لإزالة الفوسفور كموضوع بحثي يؤدي إلى نتائج مختلفة. أظهرت تجارب Hu JY أنه بالإضافة إلى البكتيريا المتراكمة متعددة الفوسفات -المعروفة على نطاق واسع (PABs) وDPB، توجد أيضًا مجموعة ثالثة من PPBs. يمكن لـ PPBs استخدام النتريت كمستقبل للإلكترون لاستيعاب الفوسفور. علاوة على ذلك، أظهرت التجارب أنه عندما كان تركيز النتريت الأولي أقل من 115 ملغم/لتر، لم يكن هناك تثبيط كبير لامتصاص الفوسفور. من الواضح أن تركيز النتريت في محطات معالجة مياه الصرف الصحي المنزلية أقل بكثير من هذا التركيز الحرج، لذلك لن يؤثر سلبًا على إزالة الفسفور البيولوجي. تؤثر العديد من العوامل الأخرى على إزالة الفوسفور بنزع النتروجين، مثل درجة الحرارة (DPB حساس بشكل خاص لدرجة الحرارة، وخاصة درجات الحرارة المنخفضة) والكاتيونات (Mg2+ وK+). حاليًا، هناك القليل من الأبحاث حول هذه الجوانب، كما أن التفاعلات بين العوامل المختلفة تزيد من صعوبة البحث.
3. مقاربات جديدة لتحقيق إزالة الفوسفور من النتروجين
تشمل عمليات إزالة الفوسفور بنزع النتروجين التقليدية ما يلي: ① عملية اللاهوائية/نقص الأكسجين والنترجة (A2N). هذه العملية عبارة عن -عملية إزالة فوسفور إزالة النتروجين للحمأة حيث تتم زراعة البكتيريا الآزوتية وDPB بشكل منفصل في أنظمة الحمأة المختلفة، مما يؤدي إلى فصل البكتيريا الآزوتية عن DPB تمامًا. تعتبر عملية A2N مناسبة بشكل أفضل للحالات ذات نسب الكربون والنيتروجين المنخفضة. ② عملية ديفانوكس. عندما يكون محتوى الكربون والنيتروجين المؤثر مرتفعًا، يجب إضافة خزان التهوية بعد خزان نقص الأكسجين في عملية A2N، وبالتالي تشكيل عملية DEPHANOX.
③عملية BCFS. هذه العملية هي عملية UCT معدلة. يعتمد مبدأ تصميم عملية UCT على التحسين الهندسي للظروف البيئية التي تتطلبها البكتيريا المتراكمة من متعدد الفوسفات-، بينما يهدف تطوير BCFS إلى خلق ظروف تخصيب لـ DPB من منظور العملية. في الآونة الأخيرة، كان هناك طفرة في البحث عن تطبيق تكنولوجيا إزالة الفوسفور النتروجين. يمكن للوحدات التي تحتاج إلى معالجة مياه الصرف الصحي أيضًا استشارة الشركات التي تتمتع بخبرة مماثلة في معالجة مياه الصرف الصحي على منصة خدمة مشروع Wastewater Treasure.
3.1 طريقة AOA-SBR
تعد العملية اللاهوائية/غير المؤكسدة/الهوائية (A2O) شكلاً شائعًا لإزالة النيتروجين والفوسفور. وهو يعمل بشكل رئيسي من خلال استقلاب البكتيريا المتعددة الفوسفات-المتراكمة، والبكتيريا الآزوتية، والبكتيريا النازعة للنتروجين. ولذلك، فإن تداول السوائل التي تحتوي على النترات والنتريت أمر ضروري في هذه العملية. تسونيدا س. وآخرون. اقترح عملية لاهوائية / هوائية / عديمة الأكسجين (AOA) في SBR (مفاعل كيميائي حيوي ذاتي -)، والذي يستخدم بشكل كامل خاصية DPB (ثنائي فوسفات متعدد الفوسفات) لإزالة النيتروجين والفوسفور في وقت واحد تحت ظروف نقص الأكسجين وبدون مصدر كربون. وهذا يسمح بحدوث عملية نزع النتروجين في قسم نقص الأكسجين دون مصدر كربون، مما يلغي الحاجة إلى التدوير بين الخزانات الهوائية وخزانات الأكسجين، وبالتالي تحقيق إزالة النيتروجين والفوسفور في وقت واحد في SBR واحد. أثبتت التجارب أيضًا أن هذه العملية يمكن أن تحقق تأثيرات ممتازة في إزالة النيتروجين والفوسفور عند معالجة مياه الصرف الصحي الاصطناعية بنسبة كربون -إلى-نسبة نيتروجين أقل من 10، مع متوسط معدلات إزالة النيتروجين والفوسفور تبلغ 83% و92% على التوالي. لا تعمل هذه العملية على إثراء DPB فحسب، بل تجعل DPB أيضًا يلعب دورًا رئيسيًا في إزالة الفوسفور والنيتروجين. تظهر النتائج التجريبية أن DPB يمثل 44% من إجمالي البكتيريا المتراكمة متعدد الفوسفات- في عملية AOA-SBR، وهو أعلى بكثير من العمليات التقليدية A/O-SBR (13%) وعمليات A2O (21%).
تتميز عملية AOA-SBR بخاصيتين رئيسيتين: ① تتم إضافة كمية مناسبة من مصدر الكربون في بداية المرحلة الهوائية لمنع امتصاص الفوسفور الهوائي. في هذه التجربة، كانت الكمية المثلى لمصدر الكربون المضاف خلال المرحلة الهوائية 40 ملغم/لتر.
② في هذه العملية، يمكن أن يعمل النتريت كمستقبل للإلكترون لامتصاص الفوسفور.
3.2 عملية الحمأة الحبيبية
الحمأة الحبيبية لإزالة النيتروجين والفوسفور لا تزال في مرحلة البحث حاليًا. بالمقارنة مع عمليات الحمأة التقليدية، تتمتع الحمأة الحبيبية الهوائية بأداء أفضل في الترسيب، وتركيز أعلى للكتلة الحيوية، ومحتوى رطوبة الحمأة أقل. مع تطبيق الحمأة الحبيبية، يمكن التغلب على المشاكل الموجودة في الحمأة التقليدية (مثل تضخيم الحمأة، والبصمة الكبيرة لهياكل المعالجة، وإطلاق الفسفور الثانوي من أجهزة التنقية). التجارب التي أجراها Dulekgurgen E. وآخرون. أظهر أن الحمأة الحبيبية لها كتلة حيوية مستقرة، مع معدلات إزالة COD والفوسفور والنيتروجين بنسبة 95٪ و99.6٪ و71٪ على التوالي. تتوافق نتائج الأبحاث المحلية مع هذه النتائج، وتمتلك الحمأة الحبيبية الهوائية قدرات إزالة النتروجين وإزالة الفوسفور. نظرًا للبنية الفريدة للحمأة الحبيبية ووجود تدرج انتشار الأكسجين، فإنها توفر بيئة للتعايش بين البكتيريا المتراكمة متعددة الفوسفات- والبكتيريا الآزوتية وDPB. تتراكم كميات كبيرة من DPB والبكتيريا الآزوتية في الحمأة الحبيبية؛ التجارب التي أجراها يانغ Guojing وآخرون. أظهر أن DPB يمثل 73.1% من جميع البكتيريا المتعددة الفوسفات-المتراكمة في الحمأة الحبيبية. زراعة الحمأة الحبيبية أصعب من زراعة الحمأة العادية، والعوامل المؤثرة معقدة نسبيا.
بالإضافة إلى العوامل المؤثرة الشائعة في إزالة النتروجين من الحمأة العادية وإزالة الفوسفور، فإن الحمأة الحبيبية لها عوامل تأثير فريدة خاصة بها: ① إن التفاعل بين تركيز D O وحجم الجسيمات له تأثير كبير على كفاءة إزالة النتروجين والفوسفور. إذا كان حجم الجسيمات صغيرًا جدًا، يكون اختراق الأكسجين قويًا نسبيًا، مما يؤثر على تكوين منطقة نقص الأكسجين، مما يؤدي إلى عدم القدرة على تحقيق إزالة النتروجين وإزالة الفوسفور.
② يعد الحفاظ على نسبة مناسبة من النيتروجين-إلى-الفوسفور أمرًا ضروريًا لتحبيب الحمأة وقدرة إزالة الفوسفور. عندما تزيد نسبة النيتروجين - إلى - الفوسفور من 2.36 إلى 4.0، ينخفض معدل إزالة الفوسفور من 85.0% إلى 54.1%. ③ تجارب أجراها لين واي-M وآخرون. أظهر وجود علاقة وثيقة بين حجم الجسيمات ونسبة كتلة الفوسفور-إلى-الكربون. يمكن أن تؤدي النسبة العالية من الفوسفور- إلى-الكربون إلى جزيئات أصغر ذات بنية أكثر إحكاما، مما يؤدي إلى تقليل SVI وتعزيز تراكم البكتيريا المتعددة الفوسفات-المتراكمة.
3.3 عملية تسلسل الجسر الجوي الداخلي للأغشية الحيوية
تم تصميم عملية الأغشية الحيوية الدفعية لتسلسل الجسر الجوي الداخلي (SBBR) بشكل أساسي لإزالة الفوسفور والنيتروجين بشكل متكامل. الدراسات التي أجراها تشانغ ZY وآخرون. أظهر أن الجسر الجوي الداخلي SBBR حقق معدلات إزالة مستقرة للنيتروجين والفوسفور. كانت معدلات إزالة COD وN وP في ظل كثافة التعبئة المثلى والحمل العضوي 95.3% ± 3.3% و94.6% ±4.1% و73.1% ±8.3% على التوالي. ينقسم المفاعل إلى منطقتين بواسطة قسم-منطقة هوائية ومنطقة ارتداد. توجد البكتيريا الآزوتية والبكتيريا الهوائية المتعددة الفوسفات-المتراكمة بشكل رئيسي في المنطقة الهوائية، بينما توجد DPB في منطقة الارتجاع. خلال الفترة اللاهوائية، يمتص DPB في منطقة الارتجاع والبكتيريا المتراكمة -الفوسفات في المنطقة الهوائية الركيزة العضوية؛ أثناء الفترة الهوائية/نقص الأكسجين، تنتج البكتيريا الآزوتية في المنطقة الهوائية NO3 وNO2- لتوفير متقبلات الإلكترون لامتصاص فوسفور DPB، وبالتالي إزالة النيتروجين والفوسفور. تعتبر إزالة الحمأة عاملاً حاسماً يؤثر على إزالة الفسفور، والتي يمكن تحقيقها عن طريق ضبط كثافة تعبئة الألياف. تتمتع SBBRs التقليدية بكفاءة ضعيفة في إزالة النيتروجين والفوسفور، ويرجع ذلك أساسًا إلى التنافس على الأكسجين والمواد المغذية بين البكتيريا الآزوتية والبكتيريا غير المتجانسة داخل الأغشية الحيوية. بالمقارنة مع SBBRs التقليدية، فإن الجسر الجوي الداخلي SBBR يتجنب هذه المنافسة؛ بالمقارنة مع عمليات الحمأة المنشطة التقليدية، يوفر هذا المفاعل الطاقة والاستثمار.
4. التوقعات
تم تحقيق نتائج أولية في الأبحاث المتعلقة بتكنولوجيا إزالة الفوسفور بنزع النتروجين محليًا ودوليًا، وتقدمت التكنولوجيا من البحث الأساسي إلى التطبيق الهندسي. في الوقت الحالي، لا يزال فهمنا لبنية المجتمع الميكروبي ووظيفته في أنظمة إزالة الفوسفور النتروجينية محدودًا. يختلف هيكل المجتمع الميكروبي بشكل كبير بين الأنظمة المختلفة، كما أن المجتمع الميكروبي داخل نفس النظام معقد للغاية أيضًا. يمكن استخدام تقنيات البيولوجيا الجزيئية لتتبع ديناميكيات المجتمع الميكروبي وتحديد المجموعات الوظيفية، والكشف عن العلاقة بين بنية المجتمع الميكروبي ووظيفته، وبالتالي تمكين التحكم بشكل أفضل في هندسة المعالجة البيولوجية. تتضمن تقنيات البيولوجيا الجزيئية المستخدمة في إزالة الفسفور البيولوجي تفاعل البوليميراز المتسلسل (PCR)، وتعدد أشكال طول الجزء المقيد (RFLP)، وتقنيات مسبار قليل النوكليوتيد. تعتبر الدراسات عمومًا أن البكتيريا المتراكمة متعدد الفوسفات - (PABs) تنتمي إلى مجموعتي رودوسيكلوس وديكلوريموناس من البكتيريا البروتينية -. ساتوشي تي وآخرون. استخدم RFLP لدراسة خصائص البكتيريا المتراكمة للفوسفات متعدد الفوسفات (DPBs)، مما يشير إلى أن DPBs هي Thaurera mechrnichensis وAzoarcus tolulyticus من مجموعة Rhodocyclus. نحن بحاجة إلى التكامل بشكل وثيق بين علم الأحياء الدقيقة وهندسة أنظمة إزالة الفوسفور. من خلال الكشف الميكروبي والدراسات البيئية، يمكننا تحليل وتحديد الكمية والبنية المجتمعية لـ DPBs في النظام، وفهم كيفية تأثير معلمات التشغيل على الخصائص، وتوزيع الكثافة السكانية، والتوزيع المكاني لـ PPBs، والبكتيريا الآزوتية، وDPBs، وبالتالي تحقيق التعزيز الاصطناعي لأنظمة إزالة الفسفور من النتروجين، وتحسين عمليات المعالجة، وتعزيز تطوير وتطبيق التقنيات الجديدة.
