1. Mecanismo de eliminación de fósforo por desnitrificación
Las bacterias con alto contenido de ácido-descomponen moléculas orgánicas grandes en ácidos grasos de bajo-peso molecular-en condiciones anaeróbicas. DPB (Distilled Bismuth Biota) descompone los polifosfatos dentro de sus células en condiciones anaeróbicas para generar ATP, absorbiendo ácidos grasos mediante transporte activo y sintetizando poli(-hidroxibutirato) (PHB), mientras libera simultáneamente PO43-. Después de acumular grandes cantidades de PHB, el DPB entra en un estado anaeróbico, utilizando NO3- como aceptor de electrones para la oxidación del PHB. Utiliza la degradación del PHB para generar energía y proporcionar poder reductor (nicotinamida adenina dinucleótido (NADH), y utiliza NADH+H+ como portador de la cadena de transporte de electrones para eliminar protones, formando así una fuerza impulsada por protones. Esta fuerza impulsada por protones transporta PO43- desde el exterior del cuerpo hacia el interior del cuerpo, donde sintetiza ATP bajo la acción de ATPasas, polimerizando el exceso de PO43- en polifosfatos. El ATP producido por DPB bajo Las condiciones anaeróbicas a través de la cadena de transporte de electrones exceden el ATP producido en condiciones anaeróbicas a través de la descomposición de polifosfatos dentro del cuerpo. Por lo tanto, el fósforo absorbido en condiciones anaeróbicas es mayor que el fósforo liberado en condiciones anaeróbicas. Por lo tanto, el DPB tiene la función de absorción excesiva de fósforo de las aguas residuales.
2. Principales factores que afectan la desnitrificación y la eliminación de fósforo
2.1 Proporción de carbono-a-nitrógeno
Según la teoría tradicional de eliminación de fósforo, la presencia de fuentes de carbono en la zona anóxica o de nitratos en la zona anaeróbica conduce a una competencia entre las bacterias desnitrificantes y los DPB por el nitrógeno nitrato aceptor de electrones o por las fuentes de carbono, reduciendo así la ventaja selectiva de los DPB y afectando la eficiencia de eliminación de fósforo. Esto requiere una proporción adecuada de carbono-a-nitrógeno en el afluente. Sin embargo, la investigación de Ahn J. et al. muestra que en condiciones anaeróbicas/aeróbicas (A/O), la aclimatación a largo plazo-de las fuentes de carbono y una pequeña cantidad de nitratos que ingresan a la zona anaeróbica promueve el enriquecimiento del DPB, y el DPB puede mantener su capacidad de absorción de fósforo anóxico en condiciones A/O. Desde una perspectiva microbiológica, hay dos explicaciones: una es que el DPB utiliza directamente fuentes de carbono en la zona anaeróbica a través del ciclo del ácido tricarboxílico (TCA); la otra es que el DPB oxida fuentes de carbono durante el período anaeróbico a través del ciclo del TCA para obtener poder reductor y energía para acumular ácidos polihidroxialcanoicos y sobrevive durante el período aeróbico. No se han publicado otros informes sobre las características fisiológicas del DPB a este respecto.
2.2 Métodos de dosificación de nitrato
Existen dos métodos para agregar nitrato en la zona anóxica: adición instantánea y adición continua. La adición continua es ligeramente más efectiva y además evita la acumulación de nitrito. En cuanto al efecto del tiempo de adición continua sobre la tasa de absorción de fósforo, Zou Hua et al. demostró que la tasa de absorción de fósforo era mayor cuando el tiempo de adición continua era de 2 horas que cuando era de 3,5 horas. Sin embargo, actualmente no existen informes sobre la relación específica entre la tasa de adición y la tasa de absorción de fósforo. Se pueden encontrar más documentos técnicos en la Red de ingeniería de tratamiento de aguas residuales de China.
2.3 TRE
DPB crece más lentamente en condiciones A/A que en condiciones A/O. Un SRT demasiado corto provocará que se elimine el DPB en el reactor, mientras que un SRT demasiado largo provocará el envejecimiento del lodo y una disminución del contenido de fósforo. Merzouki M. informó que la eficiencia de eliminación de fósforo del sistema de eliminación de fósforo de desnitrificación SBR fue 1,8 veces mayor cuando el SRT fue de 15 días que cuando fue de 7,5 días. Para los procesos de lodos granulares utilizados para la eliminación de fósforo y nitrógeno, la estructura del lodo es compleja debido a su comunidad biológica más rica e integrada. Sigue siendo incierto cómo equilibrar el DPB, las bacterias que acumulan polifosfato-y las bacterias nitrificantes durante la edad del lodo.
2.4 Nitrito
Actualmente, existen dos opiniones sobre si el nitrito inhibe la absorción de fósforo, y estas opiniones se basan en diferentes temas de investigación. Utilizando lodos que no han sido sometidos a desnitrificación y aclimatación para la eliminación de fósforo como tema de investigación, los resultados muestran consistentemente que las concentraciones de nitrito que exceden un nivel crítico inhiben la absorción de fósforo. Experimentos de Wang Ya-yi et al. demostraron que la absorción de fósforo se inhibe cuando la concentración de nitrito excede los 15 mg/L, mientras que los experimentos de Meinhold J. et al. indicó que la concentración crítica de nitrito es de 5 a 8 mg/L. Sin embargo, el uso de lodos que han sido sometidos a desnitrificación y aclimatación para la eliminación de fósforo como tema de investigación produce resultados diferentes. Los experimentos de Hu JY demostraron que, además de las ampliamente reconocidas bacterias acumuladoras de polifosfato-(PAB) y DPB, también existe un tercer grupo de PPB. Estos PPB pueden utilizar nitrito como aceptor de electrones para la absorción de fósforo. Además, los experimentos demostraron que cuando la concentración inicial de nitrito era inferior a 115 mg/L, no había una inhibición significativa de la absorción de fósforo. La concentración de nitritos en las plantas de tratamiento de aguas residuales domésticas está obviamente muy por debajo de esta concentración crítica, por lo que no afectará negativamente a la eliminación biológica de fósforo. Muchos otros factores influyen en la eliminación de fósforo por desnitrificación, como la temperatura (el DPB es particularmente sensible a la temperatura, especialmente a las bajas temperaturas) y los cationes (Mg2+ y K+). Actualmente, hay poca investigación sobre estos aspectos y las interacciones entre varios factores aumentan la dificultad de la investigación.
3. Nuevos enfoques para lograr la eliminación del fósforo por desnitrificación
Los procesos tradicionales típicos de eliminación de fósforo por desnitrificación incluyen: ① Proceso anaeróbico/anóxico y nitrificación (A2N). Este proceso es un proceso de eliminación de fósforo de desnitrificación de lodos dual-donde las bacterias nitrificantes y el DPB se cultivan por separado en diferentes sistemas de lodos, separando completamente las bacterias nitrificantes del DPB. El proceso A2N es más adecuado para situaciones con bajas proporciones de carbono y nitrógeno. ② Proceso Dephanox. Cuando el contenido de carbono y nitrógeno del afluente es alto, es necesario agregar un tanque de aireación después del tanque anóxico en el proceso A2N, formando así el proceso DEPHANOX.
③Proceso BCFS. Este proceso es un proceso UCT modificado. El principio de diseño del proceso UCT se basa en la mejora de ingeniería de las condiciones ambientales requeridas por las bacterias acumuladoras de polifosfato-, mientras que el desarrollo de BCFS tiene como objetivo crear condiciones de enriquecimiento para DPB desde una perspectiva de proceso. Recientemente, se ha producido un gran avance en la investigación sobre la aplicación de la tecnología de eliminación de fósforo por desnitrificación. Las unidades que necesitan tratamiento de aguas residuales también pueden consultar empresas con experiencia similar en tratamiento de aguas residuales en la plataforma de servicios del proyecto Wastewater Treasure.
3.1 Método AOA-SBR
El proceso anaeróbico/anóxico/aeróbico (A2O) es una forma común de eliminación de nitrógeno y fósforo. Opera principalmente a través del metabolismo de las bacterias acumuladoras de polifosfato-, las bacterias nitrificantes y las bacterias desnitrificantes. Por tanto, la circulación de líquidos que contienen nitratos y nitritos es fundamental en este proceso. Tsuneda S. et al. propusieron un proceso anaeróbico/aeróbico/anóxico (AOA) en SBR (Self-Reactor Bioquímico), que utiliza plenamente la característica del DPB (difosfato polifosfato) para eliminar simultáneamente nitrógeno y fósforo en condiciones anóxicas y sin una fuente de carbono. Esto permite que la desnitrificación ocurra en la sección anóxica sin una fuente de carbono, eliminando la necesidad de circulación entre los tanques aeróbicos y anóxicos, logrando así la eliminación simultánea de nitrógeno y fósforo en un solo SBR. Los experimentos también han demostrado que este proceso puede lograr excelentes efectos de eliminación de nitrógeno y fósforo cuando se tratan aguas residuales sintéticas con una proporción de carbono-a-nitrógeno inferior a 10, con tasas promedio de eliminación de nitrógeno y fósforo del 83 % y el 92 %, respectivamente. Este proceso no sólo enriquece el DPB sino que también hace que el DPB desempeñe un papel importante en la eliminación de fósforo y nitrógeno. Los resultados experimentales muestran que el DPB representa el 44% del total de bacterias acumuladas de polifosfato-en el proceso AOA-SBR, que es significativamente mayor que el de los procesos convencionales A/O-SBR (13%) y A2O (21%).
El proceso AOA-SBR tiene dos características clave: ① Se agrega una cantidad adecuada de fuente de carbono al comienzo de la fase aeróbica para inhibir la absorción de fósforo aeróbico. En este experimento, la cantidad óptima de fuente de carbono agregada durante la fase aeróbica fue 40 mg/L.
② En este proceso, el nitrito puede actuar como aceptor de electrones para la absorción de fósforo.
3.2 Proceso de lodos granulares
Actualmente, los lodos granulares para la eliminación de nitrógeno y fósforo se encuentran todavía en fase de investigación. En comparación con los procesos de lodos convencionales, los lodos granulares aeróbicos tienen un mejor rendimiento de sedimentación, una mayor concentración de biomasa y un menor contenido de humedad del lodo. Con la aplicación de lodos granulares, se pueden superar los problemas existentes en los lodos convencionales (como la acumulación de lodos, la gran huella de las estructuras de tratamiento y la liberación secundaria de fósforo de los clarificadores). Experimentos de Dulekurgen E. et al. demostraron que el lodo granular tiene una biomasa estable, con tasas de eliminación de DQO, fósforo y nitrógeno del 95%, 99,6% y 71%, respectivamente. Los resultados de la investigación nacional son consistentes con estos hallazgos y el lodo granular aeróbico posee capacidades de desnitrificación y eliminación de fósforo. Debido a la estructura única del lodo granular y la presencia de un gradiente de difusión de oxígeno, proporciona un entorno para la coexistencia de bacterias acumuladoras de polifosfato-, bacterias nitrificantes y DPB. En el lodo granular se acumulan grandes cantidades de DPB y bacterias nitrificantes; experimentos de Yang Guojing et al. demostró que el DPB representaba el 73,1 % de todas las bacterias que acumulaban polifosfato-en el lodo granular. Cultivar lodos granulares es más difícil que cultivar lodos ordinarios y los factores que influyen son relativamente complejos.
Además de los factores de influencia comunes a la desnitrificación de lodos ordinarios y la eliminación de fósforo, los lodos granulares tienen sus propios factores de influencia únicos: ① La interacción entre la concentración de OD y el tamaño de las partículas tiene un impacto significativo en la eficiencia de la desnitrificación y la eliminación de fósforo. Si el tamaño de partícula es demasiado pequeño, la penetración de oxígeno es relativamente fuerte, lo que afecta la formación de la zona anóxica, lo que lleva a la incapacidad de lograr la desnitrificación y la eliminación de fósforo.
② Mantener una proporción adecuada de nitrógeno-a-fósforo es crucial para la granulación de lodos y la capacidad de eliminación de fósforo. Cuando la proporción de nitrógeno-a-fósforo aumenta de 2,36 a 4,0, la tasa de eliminación de fósforo disminuye de 85,0% a 54,1%. ③ Experimentos de Lin Y-M et al. mostró una estrecha relación entre el tamaño de las partículas y la proporción de masa de fósforo-a-carbono. Una proporción alta de fósforo-a-carbono puede dar como resultado partículas más pequeñas con una estructura más compacta, lo que reduce el SVI y promueve la acumulación de bacterias acumuladoras de polifosfato-.
3.3 Proceso de biopelícula por lotes de secuenciación de puente aéreo de circulación interna
El proceso de biopelícula por lotes de secuenciación de puente aéreo de circulación interna (SBBR) está diseñado principalmente para la eliminación integrada de fósforo y nitrógeno. Los estudios de Zhang ZY et al. demostró que el puente aéreo de circulación interna SBBR logró tasas estables de eliminación de nitrógeno y fósforo. Las tasas de eliminación de DQO, N y P bajo densidad de empaque y carga orgánica óptimas fueron 95,3% ± 3,3%, 94,6% ± 4,1% y 73,1% ± 8,3%, respectivamente. El reactor está dividido en dos zonas mediante un tabique-una zona aeróbica y una zona de reflujo. Las bacterias nitrificantes y las bacterias acumuladoras de polifosfato-aeróbicas se encuentran principalmente en la zona aeróbica, mientras que la DPB se encuentra en la zona de reflujo. Durante el período anaeróbico, el DPB en la zona de reflujo y las bacterias que acumulan polifosfato-en la zona aeróbica absorben el sustrato orgánico; Durante el período aeróbico/anóxico, las bacterias nitrificantes en la zona aeróbica producen NO3- y NO2- para proporcionar aceptores de electrones para la absorción de fósforo del DPB, eliminando así nitrógeno y fósforo. La eliminación de lodos es un factor crucial que afecta la eliminación de fósforo, lo que se puede lograr ajustando la densidad del relleno de fibra. Los SBBR convencionales tienen una eficiencia deficiente en la eliminación de nitrógeno y fósforo, principalmente debido a la competencia por oxígeno y nutrientes entre las bacterias nitrificantes y las bacterias heterótrofas dentro de la biopelícula. En comparación con los SBBR convencionales, el puente aéreo de circulación interna SBBR evita esta competencia; En comparación con los procesos convencionales de lodos activados, este reactor ahorra energía e inversión.
4. Perspectiva
Se han logrado resultados preliminares en la investigación de la tecnología de eliminación de fósforo por desnitrificación tanto a nivel nacional como internacional, y la tecnología ha progresado desde la investigación básica hasta la aplicación de ingeniería. Actualmente, nuestra comprensión de la estructura y función de la comunidad microbiana en los sistemas de eliminación de fósforo por desnitrificación aún es limitada. La estructura de la comunidad microbiana varía significativamente entre diferentes sistemas y la comunidad microbiana dentro del mismo sistema también es muy compleja. Las técnicas de biología molecular se pueden utilizar para rastrear la dinámica de la comunidad microbiana e identificar grupos funcionales, revelando la relación entre la estructura y función de la comunidad microbiana, permitiendo así un mejor control de la ingeniería de tratamiento biológico. Las técnicas de biología molecular utilizadas en la eliminación biológica de fósforo incluyen la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), el polimorfismo de la longitud de los fragmentos de restricción (RFLP) y técnicas de sondas de oligonucleótidos. Los estudios generalmente consideran que las bacterias acumuladoras de polifosfato-(PAB) pertenecen a los grupos Rhodocyclus y Dechlorimonas de -proteobacterias. Satoshi T. y col. utilizaron RFLP para estudiar las características de las bacterias acumuladoras de polifosfato-(DPB), lo que indica que las DPB son Thaurera mechrnichensis y Azoarcus tolulyticus del grupo Rhodocyclus. Necesitamos integrar estrechamente la microbiología y la ingeniería de los sistemas de eliminación de fósforo por desnitrificación. A través de la detección microbiana y estudios ecológicos, podemos analizar y determinar la cantidad y estructura comunitaria de DPB en el sistema, comprender cómo los parámetros operativos afectan las características, la distribución de la densidad poblacional y la distribución espacial de PPB, bacterias nitrificantes y DPB, logrando así una mejora artificial de los sistemas de eliminación de fósforo por desnitrificación, optimizando los procesos de tratamiento y fortaleciendo el desarrollo y aplicación de nuevas tecnologías.
