1. Meccanismo di rimozione del fosforo di denitrificazione
I batteri ad alto-acido decompongono le grandi molecole organiche in acidi grassi a basso-molecolare-peso in condizioni anaerobiche. DPB (Distilled Bismuth Biota) decompone i polifosfati all'interno delle sue cellule in condizioni anaerobiche per generare ATP, assorbendo gli acidi grassi tramite trasporto attivo e sintetizzando poli(-idrossibutirrato) (PHB), rilasciando contemporaneamente PO43-. Dopo aver accumulato grandi quantità di PHB, il DPB entra in uno stato anaerobico, utilizzando NO3- come accettore di elettroni per l'ossidazione del PHB. Utilizza la degradazione del PHB per generare energia e fornire potere riducente (nicotinamide adenina dinucleotide (NADH) e utilizza NADH+H+ come trasportatore della catena di trasporto degli elettroni per rimuovere i protoni, formando così una forza guidata dai protoni. Questa forza guidata dai protoni trasporta PO43- dall'esterno del corpo nel corpo, dove sintetizza ATP sotto l'azione delle ATPasi, polimerizzando l'eccesso di PO43- in polifosfati. L'ATP prodotto dal DPB in condizioni anaerobiche attraverso la catena di trasporto degli elettroni supera l'ATP prodotto in condizioni anaerobiche attraverso la decomposizione dei polifosfati all'interno del corpo. Pertanto, il fosforo assorbito in condizioni anaerobiche è maggiore del fosforo rilasciato in condizioni anaerobiche. Pertanto, il DPB ha la funzione di un eccessivo assorbimento di fosforo dalle acque reflue.
2. Principali fattori che influenzano la denitrificazione e la rimozione del fosforo
2.1 Rapporto carbonio-a-azoto
Secondo la teoria tradizionale della rimozione del fosforo, la presenza di fonti di carbonio nella zona anossica o di nitrati nella zona anaerobica porta alla competizione tra batteri denitrificanti e DPB per l’azoto nitrato accettore di elettroni o per fonti di carbonio, riducendo così il vantaggio selettivo del DPB e influenzando l’efficienza di rimozione del fosforo. Ciò richiede un adeguato rapporto carbonio-a-azoto nell'affluente. Tuttavia, la ricerca di Ahn J. et al. mostra che in condizioni anaerobiche/aerobiche (A/O), l'acclimatazione a lungo-termine delle fonti di carbonio e una piccola quantità di nitrati che entrano nella zona anaerobica promuovono l'arricchimento del DPB e il DPB può mantenere la sua capacità di assorbimento di fosforo anossico in condizioni A/O. Da un punto di vista microbiologico, ci sono due spiegazioni: la prima è che il DPB utilizza direttamente le fonti di carbonio nella zona anaerobica attraverso il ciclo dell'acido tricarbossilico (TCA); l'altro è che il DPB ossida le fonti di carbonio durante il periodo anaerobico attraverso il ciclo TCA per ottenere potere riducente ed energia per accumulare acidi poliidrossialcanoici, e sopravvive durante il periodo aerobico. Non sono stati pubblicati altri rapporti riguardanti le caratteristiche fisiologiche del DPB a questo proposito.
2.2 Metodi di dosaggio dei nitrati
Esistono due metodi per aggiungere nitrati nella zona anossica: aggiunta istantanea e aggiunta continua. L'aggiunta continua è leggermente più efficace ed evita anche l'accumulo di nitriti. Per quanto riguarda l'effetto del tempo di aggiunta continuo sul tasso di assorbimento del fosforo, Zou Hua et al. hanno dimostrato che il tasso di assorbimento del fosforo era più elevato quando il tempo di aggiunta continua era di 2 ore rispetto a quando era di 3,5 ore. Tuttavia, attualmente non esistono rapporti sulla relazione specifica tra il tasso di aggiunta e il tasso di assorbimento del fosforo. Ulteriori documenti tecnici possono essere trovati sulla China Wastewater Treatment Engineering Network.
2.3 SRT
DPB cresce più lentamente in condizioni A/A che in condizioni A/O. Un SRT troppo breve causerà l'eliminazione del DPB nel reattore, mentre un SRT troppo lungo causerà l'invecchiamento dei fanghi e la diminuzione del contenuto di fosforo. Merzouki M. ha riferito che l'efficienza di rimozione del fosforo del sistema di rimozione del fosforo con denitrificazione SBR era 1,8 volte superiore quando l'SRT era di 15 giorni rispetto a quando era di 7,5 giorni. Per i processi a fanghi granulari utilizzati per la rimozione di fosforo e azoto, la struttura del fango è complessa a causa della sua comunità biologica più ricca e integrata. Resta incerto il modo in cui bilanciare il DPB, i batteri che accumulano polifosfati-e i batteri nitrificanti attraverso l'età dei fanghi.
2.4 Nitrito
Attualmente, ci sono due opinioni riguardo al fatto se il nitrito inibisca l'assorbimento del fosforo e queste opinioni si basano su diversi argomenti di ricerca. Utilizzando come soggetto di ricerca fanghi che non sono stati sottoposti a denitrificazione e acclimatazione per la rimozione del fosforo, i risultati mostrano costantemente che le concentrazioni di nitriti che superano un livello critico inibiscono l'assorbimento di fosforo. Esperimenti di Wang Ya-yi et al. hanno mostrato che l'assorbimento del fosforo è inibito quando la concentrazione di nitriti supera i 15 mg/L, mentre gli esperimenti di Meinhold J. et al. ha indicato che la concentrazione critica di nitriti è 5–8 mg/L. Tuttavia, utilizzando fanghi che hanno subito denitrificazione e acclimatazione per la rimozione del fosforo come soggetto di ricerca si ottengono risultati diversi. Gli esperimenti di Hu JY hanno dimostrato che oltre ai batteri accumulatori di polifosfati-(PAB) ampiamente riconosciuti e ai DPB, esiste anche un terzo gruppo di PPB. Questi PPB possono utilizzare il nitrito come accettore di elettroni per l'assorbimento del fosforo. Inoltre, gli esperimenti hanno dimostrato che quando la concentrazione iniziale di nitriti era inferiore a 115 mg/L, non si verificava alcuna inibizione significativa dell’assorbimento di fosforo. La concentrazione di nitriti negli impianti di trattamento delle acque reflue domestiche è ovviamente molto al di sotto di questa concentrazione critica, quindi non influirà negativamente sulla rimozione biologica del fosforo. Molti altri fattori influenzano la rimozione del fosforo durante la denitrificazione, come la temperatura (il DPB è particolarmente sensibile alla temperatura, soprattutto alle basse temperature) e i cationi (Mg2+ e K+). Attualmente la ricerca su questi aspetti è scarsa e le interazioni tra vari fattori aumentano la difficoltà della ricerca.
3. Nuovi approcci per ottenere la rimozione del fosforo mediante denitrificazione
I tradizionali processi tipici di denitrificazione per la rimozione del fosforo includono: ① Processo anaerobico/anossico e nitrificazione (A2N). Questo processo è un doppio-processo di denitrificazione del fosforo dei fanghi in cui i batteri nitrificanti e il DPB vengono coltivati separatamente in diversi sistemi di fanghi, separando completamente i batteri nitrificanti dal DPB. Il processo A2N è più adatto per situazioni con bassi rapporti di carbonio e azoto. ②Processo Dephanox. Quando il contenuto di carbonio e azoto influente è elevato, è necessario aggiungere un serbatoio di aerazione dopo il serbatoio anossico nel processo A2N, formando così il processo DEPHANOX.
③Processo BCFS. Questo processo è un processo UCT modificato. Il principio di progettazione del processo UCT si basa sul miglioramento ingegneristico delle condizioni ambientali richieste dai batteri che accumulano polifosfati-, mentre lo sviluppo del BCFS consiste nel creare condizioni di arricchimento per il DPB dal punto di vista del processo. Recentemente, c'è stata una svolta nella ricerca sull'applicazione della tecnologia di denitrificazione per la rimozione del fosforo. Le unità che necessitano di trattamento delle acque reflue possono anche consultare aziende con esperienza simile nel trattamento delle acque reflue sulla piattaforma di servizi del progetto Wastewater Treasure.
3.1 Metodo AOA-SBR
Il processo anaerobico/anossico/aerobico (A2O) è una forma comune di rimozione di azoto e fosforo. Funziona principalmente attraverso il metabolismo dei batteri che accumulano polifosfato-, dei batteri nitrificanti e dei batteri denitrificanti. Pertanto, in questo processo è essenziale la circolazione di liquidi contenenti nitrati e nitriti. Tsuneda S. et al. ha proposto un processo anaerobico/aerobico/anossico (AOA) in SBR (Self-Biochemical Reactor), che sfrutta appieno la caratteristica del DPB (difosfato polifosfato) per rimuovere simultaneamente azoto e fosforo in condizioni anossiche e senza una fonte di carbonio. Ciò consente alla denitrificazione di avvenire nella sezione anossica senza una fonte di carbonio, eliminando la necessità di circolazione tra i serbatoi aerobici e anossici, ottenendo così la rimozione simultanea di azoto e fosforo in un unico SBR. Gli esperimenti hanno inoltre dimostrato che questo processo può ottenere eccellenti effetti di rimozione di azoto e fosforo quando si trattano acque reflue sintetiche con un rapporto carbonio-a-azoto inferiore a 10, con tassi medi di rimozione di azoto e fosforo rispettivamente dell'83% e del 92%. Questo processo non solo arricchisce il DPB, ma fa sì che il DPB svolga un ruolo importante nella rimozione del fosforo e dell'azoto. I risultati sperimentali mostrano che il DPB rappresenta il 44% del totale dei batteri che accumulano polifosfato-nel processo AOA-SBR, un valore significativamente superiore a quello dei processi A/O-SBR convenzionali (13%) e A2O (21%).
Il processo AOA-SBR ha due caratteristiche chiave: ① Una quantità adeguata di fonte di carbonio viene aggiunta all'inizio della fase aerobica per inibire l'assorbimento aerobico di fosforo. In questo esperimento, la quantità ottimale di fonte di carbonio aggiunta durante la fase aerobica era di 40 mg/L.
② In questo processo, il nitrito può agire come accettore di elettroni per l'assorbimento del fosforo.
3.2 Processo a fanghi granulari
I fanghi granulari per la rimozione di azoto e fosforo sono attualmente ancora in fase di ricerca. Rispetto ai processi convenzionali dei fanghi, i fanghi granulari aerobici hanno prestazioni di sedimentazione migliori, una maggiore concentrazione di biomassa e un contenuto di umidità dei fanghi inferiore. Con l'applicazione di fanghi granulari, è possibile superare i problemi esistenti nei fanghi convenzionali (come l'accumulo dei fanghi, l'ingombro elevato delle strutture di trattamento e il rilascio di fosforo secondario dai chiarificatori). Esperimenti di Dulekgurgen E. et al. hanno dimostrato che i fanghi granulari hanno una biomassa stabile, con tassi di rimozione di COD, fosforo e azoto rispettivamente del 95%, 99,6% e 71%. I risultati della ricerca nazionale sono coerenti con questi risultati e i fanghi granulari aerobici possiedono capacità di denitrificazione e rimozione del fosforo. Grazie alla struttura unica del fango granulare e alla presenza di un gradiente di diffusione dell'ossigeno, esso fornisce un ambiente per la coesistenza di batteri che accumulano polifosfati-, batteri nitrificanti e DPB. Grandi quantità di DPB e batteri nitrificanti si accumulano nei fanghi granulari; esperimenti di Yang Guojing et al. hanno dimostrato che il DPB rappresentava il 73,1% di tutti i batteri che accumulavano polifosfati-nei fanghi granulari. La coltivazione dei fanghi granulari è più difficile della coltivazione dei fanghi ordinari e i fattori che influenzano sono relativamente complessi.
Oltre ai fattori d'influenza comuni alla normale denitrificazione dei fanghi e alla rimozione del fosforo, i fanghi granulari hanno i propri fattori d'influenza unici: ① L'interazione tra la concentrazione di DO e la dimensione delle particelle ha un impatto significativo sull'efficienza della denitrificazione e della rimozione del fosforo. Se la dimensione delle particelle è troppo piccola, la penetrazione dell'ossigeno è relativamente forte, influenzando la formazione della zona anossica, portando all'incapacità di ottenere la denitrificazione e la rimozione del fosforo.
② Il mantenimento di un rapporto appropriato di azoto-e-fosforo è fondamentale per la granulazione dei fanghi e la capacità di rimozione del fosforo. Quando il rapporto azoto-e-fosforo aumenta da 2,36 a 4,0, il tasso di rimozione del fosforo diminuisce dall'85,0% al 54,1%. ③ Esperimenti di Lin Y-M et al. ha mostrato una stretta relazione tra la dimensione delle particelle e il rapporto di massa del fosforo-e-carbonio. Un rapporto di massa elevato di fosforo-e-carbonio può dar luogo a particelle più piccole con una struttura più compatta, riducendo così l'SVI e promuovendo l'accumulo di batteri che accumulano polifosfati.
3.3 Processo di biofilm batch di sequenziamento del trasporto aereo a circolazione interna
Il processo di sequenziamento batch di biofilm (SBBR) a circolazione interna del ponte aereo è progettato principalmente per la rimozione integrata di fosforo e azoto. Studi di Zhang ZY et al. ha dimostrato che il ponte aereo a circolazione interna SBBR ha raggiunto tassi di rimozione stabili di azoto e fosforo. I tassi di rimozione di COD, N e P in condizioni di densità di impaccamento e carico organico ottimali erano rispettivamente del 95,3%±3,3%, 94,6%±4,1% e 73,1%±8,3%. Il reattore è diviso in due zone da un divisorio-una zona aerobica e una zona di reflusso. I batteri nitrificanti e i batteri aerobici che accumulano polifosfato-si trovano principalmente nella zona aerobica, mentre il DPB si trova nella zona di reflusso. Durante il periodo anaerobico, il DPB nella zona di reflusso e i batteri che accumulano polifosfati-nella zona aerobica assorbono il substrato organico; durante il periodo aerobico/anossico, i batteri nitrificanti nella zona aerobica producono NO3- e NO2- per fornire accettori di elettroni per l'assorbimento del fosforo del DPB, rimuovendo così azoto e fosforo. La rimozione dei fanghi è un fattore cruciale che influisce sulla rimozione del fosforo, che può essere ottenuta regolando la densità dell'impaccamento delle fibre. Gli SBBR convenzionali hanno una scarsa efficienza di rimozione di azoto e fosforo, principalmente a causa della competizione per l’ossigeno e i nutrienti tra batteri nitrificanti e batteri eterotrofi all’interno del biofilm. Rispetto agli SBBR convenzionali, il ponte aereo a circolazione interna SBBR evita questa concorrenza; rispetto ai tradizionali processi a fanghi attivi, questo reattore consente di risparmiare energia e investimenti.
4. Prospettive
Sono stati ottenuti risultati preliminari nella ricerca sulla tecnologia di denitrificazione per la rimozione del fosforo sia a livello nazionale che internazionale, e la tecnologia è progredita dalla ricerca di base all'applicazione ingegneristica. Attualmente, la nostra comprensione della struttura e della funzione della comunità microbica nei sistemi di denitrificazione per la rimozione del fosforo è ancora limitata. La struttura della comunità microbica varia in modo significativo tra i diversi sistemi e anche la comunità microbica all’interno dello stesso sistema è molto complessa. Le tecniche di biologia molecolare possono essere utilizzate per tracciare le dinamiche della comunità microbica e identificare i gruppi funzionali, rivelando la relazione tra struttura e funzione della comunità microbica, consentendo così un migliore controllo dell'ingegneria del trattamento biologico. Le tecniche di biologia molecolare utilizzate nella rimozione biologica del fosforo includono la reazione a catena della polimerasi (PCR), il polimorfismo della lunghezza dei frammenti di restrizione (RFLP) e le tecniche di sonda oligonucleotidica. Gli studi generalmente considerano i batteri che accumulano polifosfati-(PAB) come appartenenti ai gruppi Rhodocyclus e Declorimonas dei -Proteobatteri. Satoshi T. et al. ha utilizzato RFLP per studiare le caratteristiche dei batteri accumulatori di polifosfato-(DPB), indicando che i DPB sono Thaurera mechrnichensis e Azoarcus tolulyticus del gruppo Rhodocyclus. Dobbiamo integrare strettamente la microbiologia e l’ingegneria dei sistemi di denitrificazione per la rimozione del fosforo. Attraverso il rilevamento microbico e gli studi ecologici, possiamo analizzare e determinare la quantità e la struttura della comunità dei DPB nel sistema, comprendere come i parametri operativi influenzano le caratteristiche, la distribuzione della densità di popolazione e la distribuzione spaziale dei PPB, dei batteri nitrificanti e dei DPB, ottenendo così un miglioramento artificiale dei sistemi di rimozione del fosforo denitrificato, ottimizzando i processi di trattamento e rafforzando lo sviluppo e l'applicazione di nuove tecnologie.
