Pratarmė:
Tie, kurie dirbo su biocheminių sistemų paleidimu, galėjo susidurti su tokia problema: pH kritimu anaerobinėse ir aerobinėse talpyklose. Akivaizdu, kad šį pH kritimą pirmiausia lemia žaliavinio vandens kokybė. Tam tikros žaliavame vandenyje esančios medžiagos gamina rūgštines medžiagas arba sunaudoja šarmingumą anaerobinių reakcijų (pvz., hidrolizės ir rūgštėjimo) arba aerobinių reakcijų (pvz., nitrifikacijos) metu, dėl ko sumažėja pH.
Viena vertus, šį pH kritimą galima numatyti. Turint aiškų supratimą apie žaliavinio vandens kokybę, į šį pH kritimą atsižvelgiama nuotekų valymo projekto pradžioje ir paprastai įrengiamas šarmų dozavimas. Kartą dirbau su nuotekų projektu greitkelių aptarnavimo zonoje ir sužinojau, kad šios zonos nuotekose yra labai daug amoniakinio azoto ir bendro azoto. Amoniako azoto nitrifikacijos procese neišvengiamai sunaudojama daug šarmingumo, todėl buvo iš anksto-įdiegtas šarmų dozavimo įtaisas. Tuo metu susidūrėme su situacija, kai laiku nepapildėme cheminių medžiagų, iš esmės baigėsi kaustinės sodos dribsniai. Dėl to pirmą dieną pH nukrito nuo 7,5 iki 6,5, o antrą dieną – nuo 6,5 iki 5,5. Šiuo metu biocheminė sistema iš esmės žlugo, susidarė didelės putos ir viršijo nuotekų standartus.
Kita vertus, pramoninių parkų nuotekų valymo įrenginiuose dažni netikėti pH kritimai. Šių parkų gyventojai nuolat keičiasi, o išleidžiamos nuotekos įvairios. Nuotekų valymo įrenginiai pirminio projektavimo metu neatsižvelgia į būsimus gyventojus. Praėjusiais metais mes susidūrėme su nepaaiškinamu pH kritimu aerobiniame bake. Pirmas žingsnis, žinoma, buvo įtakos kokybės tyrimas. Pastebėjome, kad žalias vanduo lengvai putojo, kai patenka į reguliavimo baką, o tai rodo, kad yra paviršiaus aktyviųjų medžiagų. Be neapdoroto vandens pH tyrimo, taip pat buvo būtinas šarmingumo tyrimas.
Šiame straipsnyje bus sistemingai analizuojamos pH kritimo priežastys anaerobinėse ir aerobinėse talpyklose iš trijų perspektyvų: reakcijos mechanizmo, mikrobų metabolizmo ir aplinkos veiksnių.
I. pH kritimo mechanizmai anaerobinėse talpyklose
1. Organinių rūgščių kaupimasis
Anaerobinis skaidymas susideda iš keturių etapų: hidrolizės, rūgštinimo, acto rūgšties gamybos ir metano gamybos. Rūgštinimo fazės metu fakultatyvinės bakterijos (pvz., Clostridium) skaido makromolekulines organines medžiagas (angliavandenius ir baltymus) į lakiąsias riebalų rūgštis (VFA, tokias kaip acto rūgštis ir propiono rūgštis), alkoholius ir CO₂. Jei sistemos apkrova yra per didelė arba metanogeno aktyvumas yra slopinamas (pvz., dėl temperatūros svyravimų ar toksiškų medžiagų), VFA negalima greitai paversti CH₄ ir CO₂, todėl kaupiasi rūgštiniai tarpiniai produktai ir labai sumažėja pH (galbūt žemiau 5,5).
2. Karbonatinio buferio sistemos sunaikinimas
Originali HCO₃⁻/CO₂ buferio pora nuotekose sunaudojama anaerobinėmis sąlygomis:
CO₂ ištirpsta vandenyje, sudarydamas H2CO₃, kuris disocijuoja į H⁺ ir HCO₻⁻;
Metanogenai naudoja HCO₃⁻ kaip anglies šaltinį, todėl sumažėja buferio talpa.
Kai VFA koncentracija viršija 2000 mg/L, viršijamas sistemos šarmingumo neutralizavimo pajėgumas, todėl smarkiai sumažėja pH.
Sulfido susidarymas;
Sulfatų{0}}turinčiose nuotekose (pvz., vaistų ir popieriaus gamybos nuotekose) sulfatą-redukuojančios bakterijos (SRB) redukuoja SO₄²⁻ į H2S, sunaudoja šarmingumą ir išskirdamos H⁺.
Nors OH⁻ susidaro lokaliai, po to, kai H2S vandenyje susijungia su metalo jonais, tokiais kaip Fe2+, OH⁻ yra nepakankamas, kad kompensuotų VFA rūgštingumą.
II. Aerobinių rezervuarų pH sumažėjimo veiksniai
1. Stiprus rūgštėjimas dėl nitrifikacijos
Amoniako azotą (NH4⁺) oksiduoja iki NO3⁻ nitrozuojančių bakterijų (tokių kaip Nitrosomonas) ir nitrifikuojančių bakterijų (pvz., Nitrobacter). Kiekvienam mg oksiduoto NH₄⁺-N sunaudojama 7,14 mg šarmingumo (matuojant CaCO₃) ir išsiskiria 2 H⁺ vienetai.
Didelio -amonio azoto turinčiose nuotekose (pvz., akvakultūros nuotekose) pH gali sumažėti 1,5–2,0 vienetų nitrifikacijos metu.
2. Heterotrofinių bakterijų rūgščių gamyba
Kai heterotrofinės bakterijos aerobinėse talpyklose skaido likusias organines medžiagas, jei ištirpusio deguonies (DO) nepakanka (<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. CO₂ tirpimo pusiausvyra
Mikrobų kvėpavimo metu susidarantis CO₂ ištirpsta vandenyje ir susidaro H2CO3. Kai aeracijos intensyvumas yra nepakankamas, CO₂ negalima efektyviai pašalinti, todėl skystoje fazėje padidėja H⁺ koncentracija.
III. Sinergetinis poveikis ir kontrolės rekomendacijos
1. Anaerobinės{1}}aerobinės sistemos sujungimo poveikis
VFA anaerobinio rezervuaro nuotekose tiesiogiai patenka į aerobinį rezervuarą, padidindami rūgštinimo apkrovą.
Kai nitrifikuotas tirpalas grąžinamas į anaerobinį rezervuarą, NO3⁻ denitrifikacija sunaudoja organines medžiagas, bet sukuria šarmingumą (pH padidėja 0,3-0,5). Todėl reikia optimizuoti recirkuliacijos koeficientą (paprastai 30-70%).
2. Kontrolės strategija
Anaerobinis bakas: įpilkite NaHCO₃ (100-500 mg/L), kad išlaikytumėte šarmingumą; kontrolinė organinė apkrova (COD < 5000 mg/L); stebėti ORP (-300-100 mV), kad išvengtumėte per didelio rūgštėjimo.
Aerobinis bakas: išlaikyti DO > 2 mg/L; naudoti pakopinį vandens įtekėjimą VFA skiesti; ir įpilkite kalkių (Ca(OH)₂), kad neutralizuotų nitrifikuojančią rūgštį.