Przedmowa:
Osoby, które pracowały przy uruchamianiu systemów biochemicznych, mogły napotkać następujący problem: spadek pH w zbiornikach beztlenowych i tlenowych. Oczywiste jest, że spadek pH jest spowodowany przede wszystkim jakością wody surowej. Niektóre substancje zawarte w wodzie surowej wytwarzają substancje kwaśne lub zużywają zasadowość podczas reakcji beztlenowych (takich jak hydroliza i zakwaszanie) lub reakcji tlenowych (takich jak nitryfikacja), co prowadzi do spadku pH.
Z jednej strony ten spadek pH jest przewidywalny. Biorąc pod uwagę dokładne zrozumienie jakości wody surowej, spadek pH jest uwzględniany na wczesnym etapie projektowania oczyszczalni ścieków i zazwyczaj instaluje się dozowanie alkaliów. Kiedyś pracowałem przy projekcie dotyczącym ścieków na terenie obsługiwanym przez autostradę i dowiedziałem się, że ścieki z tego obszaru zawierają bardzo wysoki poziom azotu amonowego i azotu całkowitego. Proces nitryfikacji azotu amoniakalnego nieuchronnie powoduje zużycie znacznej ilości zasadowości, dlatego wstępnie zainstalowano-urządzenie dozujące alkalia. Mieliśmy wtedy sytuację, w której nie uzupełnialiśmy na czas środków chemicznych, w efekcie skończyły się zapasy sody kaustycznej płatkowej. W efekcie pierwszego dnia pH spadło z 7,5 do 6,5, a drugiego dnia z 6,5 do 5,5. W tym momencie system biochemiczny zasadniczo się załamał, wytwarzając znaczną pianę i przekraczając standardy ścieków.
Natomiast w oczyszczalniach ścieków w parkach przemysłowych często zdarzają się nieoczekiwane spadki pH. Mieszkańcy tych parków stale się zmieniają, a odprowadzane przez nie ścieki są zróżnicowane. Oczyszczalnie ścieków już na etapie projektowania nie uwzględniają przyszłych użytkowników. W ubiegłym roku zaobserwowaliśmy niewyjaśniony spadek pH w zbiorniku aerobowym. Pierwszym krokiem było oczywiście zbadanie jakości wpływającej. Zaobserwowaliśmy, że surowa woda łatwo się pieniła po wejściu do zbiornika regulacyjnego, co sugeruje obecność środków powierzchniowo czynnych. Oprócz badania pH wody surowej konieczne było również badanie zasadowości.
W poniższym artykule systematycznie analizowane będą przyczyny spadku pH w zbiornikach beztlenowych i tlenowych z trzech perspektyw: mechanizmu reakcji, metabolizmu drobnoustrojów oraz czynników środowiskowych.
I. Mechanizmy spadku pH w zbiornikach beztlenowych
1. Akumulacja kwasów organicznych
Fermentacja beztlenowa składa się z czterech etapów: hydrolizy, zakwaszania, produkcji kwasu octowego i produkcji metanu. W fazie zakwaszania bakterie fakultatywne (takie jak Clostridium) rozkładają wielkocząsteczkową materię organiczną (węglowodany i białka) na lotne kwasy tłuszczowe (LKT, takie jak kwas octowy i propionowy), alkohole i CO₂. Jeśli obciążenie systemu jest nadmierne lub aktywność metanogenu jest zahamowana (np. przez wahania temperatury lub substancje toksyczne), LKT nie mogą zostać szybko przekształcone w CH₄ i CO₂, co prowadzi do gromadzenia się kwaśnych półproduktów i znacznego spadku pH (prawdopodobnie poniżej 5,5).
2. Zniszczenie układu buforowego węglanowego
Oryginalna para buforów HCO₃⁻/CO₂ w ściekach jest zużywana w warunkach beztlenowych:
CO₂ rozpuszcza się w wodzie, tworząc H₂CO₃, który dysocjuje na H⁺ i HCO₃⁻;
Metanogeny wykorzystują HCO₃⁻ jako źródło węgla, co powoduje zmniejszenie zdolności buforowania.
Gdy stężenie LKT przekracza 2000 mg/l, zdolność neutralizacji zasadowości systemu zostaje przekroczona, co powoduje gwałtowny spadek pH.
Tworzenie się siarczków;
W ściekach-zawierających siarczany (takich jak ścieki farmaceutyczne i papiernicze) bakterie-redukujące siarczany (SRB) redukują SO₄²⁻ do H₂S, zużywając zasadowość i uwalniając H⁺.
Chociaż OH⁻ jest wytwarzany lokalnie, po połączeniu H₂S z jonami metali, takimi jak Fe²⁺ w wodzie, OH⁻ jest niewystarczający, aby zrównoważyć kwasowość LKT.
II. Czynniki powodujące spadek pH w zbiornikach tlenowych
1. Silne zakwaszenie w wyniku nitryfikacji
Azot amonowy (NH₄⁺) jest utleniany do NO₃⁻ przez bakterie nitrozujące (takie jak Nitrosomonas) i bakterie nitryfikacyjne (takie jak Nitrobacter). Na każdy mg utlenionego NH₄⁺-N zużywa się 7,14 mg zasadowości (mierzonej jako CaCO₃) i uwalniają się 2 jednostki H⁺.
W ściekach o wysokiej zawartości-azotu amonowego (takich jak ścieki z akwakultury) podczas nitryfikacji pH może spaść o 1,5–2,0 jednostki.
2. Produkcja kwasu przez bakterie heterotroficzne
Kiedy bakterie heterotroficzne w zbiornikach tlenowych rozkładają pozostałą materię organiczną, jeśli rozpuszczony tlen (DO) jest niewystarczający (<2 mg/L), incomplete oxidation will occur, producing intermediates such as pyruvate and lactate. In addition, some phosphate-accumulating bacteria (such as Accumulibacter) also secrete short-chain fatty acids during the phosphate release phase.
3. Równowaga rozpuszczania CO₂
CO₂ wytwarzany w procesie oddychania drobnoustrojów rozpuszcza się w wodzie, tworząc H₂CO₃. Gdy intensywność napowietrzania jest niewystarczająca, nie można skutecznie usunąć CO₂, co powoduje wzrost stężenia H⁺ w fazie ciekłej.
III. Efekty synergiczne i zalecenia dotyczące kontroli
1. Skutki beztlenowego-sprzęgania układu tlenowego
LKT znajdujące się w ściekach ze zbiornika beztlenowego dostają się bezpośrednio do zbiornika tlenowego, zwiększając obciążenie zakwaszeniem.
Kiedy nitrowany roztwór jest zawracany do zbiornika beztlenowego, denitryfikacja NO₃⁻ zużywa materię organiczną, ale wytwarza zasadowość (pH wzrasta o 0,3-0,5). Dlatego należy zoptymalizować współczynnik recyrkulacji (zwykle 30-70%).
2. Strategia kontroli
Zbiornik beztlenowy: dodać NaHCO₃ (100-500 mg/l), aby utrzymać zasadowość; kontrolować ładunek organiczny (ChZT < 5000 mg/L); monitorować ORP (-300-100 mV), aby uniknąć nadmiernego zakwaszenia.
Zbiornik aerobowy: Utrzymuj DO > 2 mg/L; stosować etapowy dopływ wody w celu rozcieńczenia LKT; i dodać wapno (Ca(OH)₂) w celu zneutralizowania kwasu nitryfikacyjnego.