ปัจจุบัน “ไนโตรเจน” ถือเป็นหัวข้อสำคัญที่ไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้ในอุตสาหกรรมบำบัดน้ำเสีย ผู้ปฏิบัติงานโรงบำบัดน้ำเสียหลายรายให้ความสำคัญกับไนโตรเจนมากที่สุด ซึ่งสูงกว่าซีโอดีและฟอสฟอรัสมาก เนื่องจากมีความยากในการกำจัดสูงที่สุด ในระหว่างกระบวนการดำเนินการ พวกเขาตรวจสอบตัวบ่งชี้ไนโตรเจนเหล่านี้ทุกวัน: แอมโมเนียไนโตรเจน ไนโตรเจนทั้งหมด ไนเตรตไนโตรเจน และไนไตรท์ไนโตรเจน
แต่ถ้าถามจู่ๆ ว่า ไนโตรเจนในน้ำเสียมีกี่ชนิด? ความสัมพันธ์ของพวกเขาคืออะไร?
หลายๆ คนอาจจะผงะไปชั่วขณะหนึ่งจริงๆ คนส่วนใหญ่มีความเข้าใจในเรื่อง "แอมโมเนียไนโตรเจน ไนโตรเจนทั้งหมด" เป็นอย่างดี และไม่มีความชัดเจนเกี่ยวกับความสัมพันธ์ระหว่างไนโตรเจนประเภทอื่นๆ จัดทำรายการตัวบ่งชี้ไนโตรเจนที่เราสามารถสัมผัสได้ในการบำบัดน้ำเสีย ได้แก่ แอมโมเนียไนโตรเจน ไนโตรเจนทั้งหมด ไนโตรเจนอินทรีย์ ไนโตรเจนอนินทรีย์ ไนโตรเจนไนเตรต ไนไตรท์ไนโตรเจน และไนโตรเจนแบบเจลดาห์ล
ด้วยตัวบ่งชี้ไนโตรเจนมากมาย ความสัมพันธ์ระหว่างใครโต้ตอบกับใคร ใครโต้ตอบกับใคร และใครรวมถึงใครนั้นมีความซับซ้อน ที่จริงแล้ว ไนโตรเจนไม่ใช่สารธรรมดาในน้ำเสีย แต่เป็นระบบครอบครัวที่เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา หากการบำบัดน้ำเสียถูกมองว่าเป็นการเดินทาง ไนโตรเจนในน้ำเสียก็กำลังประสบกับ "ชีวิต" ในตัวมันเองเช่นกัน วันนี้ในบทความนี้ เราจะแยกแยะความสัมพันธ์ที่ซับซ้อนที่เกี่ยวข้องกัน
ไนโตรเจนในน้ำเสียสามารถแบ่งออกได้เป็นสองประเภท
จากมุมมองการจำแนกประเภทกว้างๆ ไนโตรเจนในน้ำเสียส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสองประเภท:
ไนโตรเจนอินทรีย์
ไนโตรเจนอนินทรีย์
การทำความเข้าใจไนโตรเจนทั้งสองประเภทนี้เป็นขั้นตอนแรกในการทำความเข้าใจรูปแบบของไนโตรเจนในน้ำเสีย
เรามาพูดถึงไนโตรเจนอินทรีย์กันก่อน พูดง่ายๆ ก็คือไนโตรเจนอินทรีย์คือไนโตรเจนที่ซ่อนอยู่ในอินทรียวัตถุ
ตัวอย่างเช่น
โปรตีน
กรดอะมิโน
ยูเรีย
เอมีนอินทรีย์
สารประกอบเปปไทด์
สารประกอบไนโตร
สารเหล่านี้พบได้ทั่วไปในน้ำเสียชุมชน น้ำเสียจากอาหาร และน้ำเสียจากการเพาะเลี้ยงสัตว์น้ำ
ตัวอย่างเช่น เนื้อชิ้นหนึ่ง ข้าวที่เหลือหนึ่งชาม น้ำล้างผัก และอุจจาระของมนุษย์ ล้วนมีไนโตรเจนอินทรีย์จำนวนมาก
และอีกประเภทหนึ่งคือ ไนโตรเจนอนินทรีย์
ไนโตรเจนอนินทรีย์มีสามรูปแบบหลักในน้ำเสีย:
แอมโมเนียไนโตรเจน
ไนไตรท์ไนโตรเจน
ไนเตรตไนโตรเจน
ไนโตรเจนทั้งสามประเภทนี้เป็นรูปแบบที่สำคัญที่สุดในกระบวนการบำบัดน้ำเสีย หลายครั้งที่ตัวบ่งชี้ที่เราทดสอบนั้นจริงๆ แล้วมีศูนย์กลางอยู่ที่ไนโตรเจนทั้งสามประเภทนี้
ไนโตรเจนอินทรีย์: "รูปแบบดั้งเดิม" ของไนโตรเจน
ในช่วงเริ่มต้นของการเข้าสู่โรงบำบัดน้ำเสีย ไนโตรเจนส่วนใหญ่เป็นไนโตรเจนอินทรีย์จริงๆ
เพราะน้ำเสียภายในบ้านนั้นเต็มไปด้วยสารประกอบอินทรีย์หลายชนิด
สารประกอบไนโตรเจนอินทรีย์เหล่านี้จะไม่ถูกกำจัดออกโดยตรง แต่จะต้องผ่านกระบวนการก่อน: แอมโมนิฟิเคชัน
พูดง่ายๆ ก็คือ จุลินทรีย์จะย่อยสลายสารอินทรีย์
ในระหว่างกระบวนการนี้ สารต่างๆ เช่น โปรตีนและกรดอะมิโน จะค่อยๆ สลายตัว และในที่สุดก็ปล่อยสารที่คุ้นเคยอย่างมากออกมา นั่นก็คือ แอมโมเนียไนโตรเจน ดังนั้นในระบบบำบัดน้ำเสีย จึงเป็นเรื่องปกติที่จะเห็นสถานการณ์ที่แอมโมเนียไนโตรเจนไม่ลดลงแต่เพิ่มขึ้นแทน ผู้ปฏิบัติงานมือใหม่จำนวนมากจะกังวลมากเมื่อเห็นข้อมูลนี้ โดยคิดว่าระบบมีปัญหา จริงๆ แล้ว มันไม่จำเป็นเลย บางครั้งอาจเป็นเพียงเพราะไนโตรเจนอินทรีย์ในระบบกำลังสลายตัวไป
กล่าวอีกนัยหนึ่ง ไนโตรเจนอินทรีย์กำลังเปลี่ยนเป็นไนโตรเจนแอมโมเนีย ,
แอมโมเนียไนโตรเจน (NH ∝ - N): ตัวบ่งชี้ที่คุ้นเคยมากที่สุดสำหรับโรงบำบัดน้ำเสีย
ถ้าไนโตรเจนในน้ำเสียมี "ตัวเอก" ก็ต้องเป็นแอมโมเนียไนโตรเจน เพราะโรงบำบัดน้ำเสียเกือบทั้งหมดจะเน้นที่ตัวบ่งชี้นี้ มีเหตุผลสองประการว่าทำไมแอมโมเนียไนโตรเจนจึงมีความสำคัญ
เหตุผลหนึ่งก็คือว่ามันมีผลกระทบอย่างมากต่อสิ่งแวดล้อม หลังจากลงน้ำแล้ว แอมโมเนียไนโตรเจนจะใช้ออกซิเจนที่ละลายน้ำปริมาณมากและอาจเป็นพิษต่อปลาได้ด้วย
อีกเหตุผลหนึ่งก็คือแอมโมเนียไนโตรเจนเป็นจุดเริ่มต้นของปฏิกิริยาดีไนตริฟิเคชั่น
ในระบบบำบัดทางชีวภาพ แอมโมเนียไนโตรเจนถูกใช้โดยแบคทีเรียชนิดพิเศษที่เรียกว่าแบคทีเรียไนตริไฟอิง
ภายใต้สภาวะแอโรบิก แบคทีเรียไนตริไฟนิ่งจะค่อยๆ ออกซิไดซ์ไนโตรเจนแอมโมเนีย อย่างไรก็ตาม กระบวนการนี้ไม่เสร็จสมบูรณ์ในขั้นตอนเดียว แต่เป็นกระบวนการสอง-ขั้นตอน
ไนไตรต์ไนโตรเจน (NO ₂⁻ - N): "สถานีตัวกลาง" ในกระบวนการดีไนตริฟิเคชั่น
ผลิตภัณฑ์แรกของการเกิดออกซิเดชันของแอมโมเนียไนโตรเจนคือไนไตรต์ไนโตรเจน ซึ่งจริงๆ แล้วไม่เสถียรในโรงบำบัดน้ำเสียหลายแห่ง เพราะเมื่อก่อตัวแล้วมักจะออกซิไดซ์ต่อไปอย่างรวดเร็ว
แต่ในบางกรณีไนไตรต์ไนโตรเจนอาจเพิ่มขึ้นกะทันหัน
ตัวอย่างเช่น
ระบบไนตริฟิเคชั่นได้รับผลกระทบ
ออกซิเจนละลายไม่เพียงพอ
การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิ
อายุตะกอนไม่แน่นอน
ณ จุดนี้ไนไตรต์ไนโตรเจนอาจสะสมอยู่ในระบบ
ไนไตรต์ไนโตรเจนมีลักษณะเฉพาะ: เป็นพิษมากกว่าแอมโมเนียไนโตรเจน
หากความเข้มข้นสูงเกินไปอาจไม่เพียงส่งผลต่อจุลินทรีย์เท่านั้น แต่ยังส่งผลต่อคุณภาพน้ำทิ้งด้วย
ผู้ปฏิบัติงานจำนวนมากรู้สึกกังวลเมื่อเห็นไนไตรท์ไนโตรเจนเพิ่มขึ้น
ไนเตรตไนโตรเจน (NO ∝⁻ - N): ขั้นตอนสุดท้ายของการแยกไนเตรต
ในขั้นตอนที่สองของปฏิกิริยาไนตริฟิเคชั่น ไนไตรท์ไนโตรเจนจะยังคงถูกออกซิไดซ์ต่อไป
การก่อตัวครั้งสุดท้าย: ไนเตรตไนโตรเจน
กระบวนการนี้ยังต้องใช้ออกซิเจนและการมีส่วนร่วมของแบคทีเรียประเภทอื่นด้วย
เมื่อระบบทำงานอย่างเสถียร แอมโมเนียไนโตรเจนส่วนใหญ่จะเปลี่ยนเป็นไนเตรตไนโตรเจนในที่สุด
แต่เรื่องยังไม่จบ หากหยุดตรงนี้ ไนโตรเจนก็จะยังคงอยู่ในน้ำ
ดังนั้นโรงบำบัดน้ำเสียจึงยังต้องการอีกขั้นตอนหนึ่ง นั่นก็คือ การแยกไนตริฟิเคชั่น
ภายใต้สภาวะที่ไม่เป็นพิษ แบคทีเรียที่แยกตัวจะค่อยๆ ลดไนเตรตไนโตรเจน
ในที่สุดก็เกิดก๊าซ: ไนโตรเจน
ไนโตรเจนจะถูกปล่อยออกจากน้ำและกลับสู่อากาศ
เมื่อถึงจุดนี้ ไนโตรเจนจะถูกกำจัดออกไปอย่างแท้จริง
ไนโตรเจนทั้งหมด (TN) จริงๆ แล้วเป็นกลุ่มไนโตรเจนจำนวนมาก
ในระบบตรวจสอบออนไลน์ก่อนการบำบัดน้ำเสีย การตรวจสอบไนโตรเจนทั้งหมดเป็นรายการคงที่ซึ่งไม่สามารถถูกฟ้าผ่าได้ ซึ่งบ่งบอกถึงความสำคัญของสิ่งนี้ หลายๆ คนอาจรู้สึกเป็นนามธรรมเล็กน้อยเมื่อพบตัวบ่งชี้นี้ครั้งแรก จริงๆแล้วมันค่อนข้างง่ายที่จะเข้าใจ ไนโตรเจนทั้งหมดคือผลรวมของไนโตรเจนทุกรูปแบบ:
ไนโตรเจนอินทรีย์
แอมโมเนียไนโตรเจน
ไนไตรท์ไนโตรเจน
ไนเตรตไนโตรเจน
พวกมันรวมกันเป็นปริมาณไนโตรเจนทั้งหมดในน้ำ บางครั้งแอมโมเนียไนโตรเจนในระบบก็ต่ำมากอยู่แล้ว แต่ไนโตรเจนรวมยังสูงอยู่
สาเหตุมักเป็นเพราะไนเตรตไนโตรเจนไม่ได้ถูกกำจัดออกไปอีก นี่คือเหตุผลที่โรงบำบัดน้ำเสียหลายแห่งจำเป็นต้องติดตั้งระบบดีไนตริฟิเคชัน
จากไนโตรเจนอินทรีย์สู่ไนโตรเจน: การเดินทางที่สมบูรณ์แบบ
หากวางแผนกระบวนการเปลี่ยนแปลงไนโตรเจนในน้ำเสียเป็นเส้นทางจะประมาณได้ดังนี้
เส้นทางนี้เป็นสิ่งที่เรามักเรียกว่ากระบวนการดีไนตริฟิเคชั่นทางชีวภาพ
ดูเหมือนเส้นทางที่เรียบง่าย เบื้องหลังคือโครงการที่ซับซ้อนซึ่งจุลินทรีย์จำนวนนับไม่ถ้วนทำงานร่วมกัน
แต่ละขั้นตอนต้องมีสภาพแวดล้อมที่เหมาะสม
ออกซิเจนละลาย
อุณหภูมิ
แหล่งคาร์บอน
อายุตะกอน
ปัจจัยเหล่านี้จะส่งผลต่อ 'การเดินทางของไนโตรเจน' ทั้งหมดนี้
สรุปแล้ว
ในการบำบัดน้ำเสีย "ไนโตรเจน" ไม่ใช่ตัวบ่งชี้ง่ายๆ มันเหมือนกับโซ่ที่เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา
จากไนโตรเจนในอินทรียวัตถุ ไปจนถึงแอมโมเนียไนโตรเจน จากนั้นไนเตรตไนโตรเจน และสุดท้ายก็กลายเป็นก๊าซไนโตรเจนกลับคืนสู่อากาศ
กระบวนการทั้งหมดจริงๆ แล้วเป็นวงจรที่มีจุลินทรีย์ครอบงำ
เมื่อเราเข้าใจไนโตรเจนในรูปแบบต่างๆ เหล่านี้อย่างแท้จริง ก็จะเข้าใจปรากฏการณ์ต่างๆ มากมายในระบบบำบัดน้ำเสียได้ง่ายขึ้น
ตัวอย่างเช่น
เหตุใดแอมโมเนียไนโตรเจนจึงเพิ่มขึ้นกะทันหัน
เหตุใดไนไตรท์จึงสะสม
เหตุใดไนโตรเจนรวมจึงยากที่จะได้มาตรฐานเสมอ
จริงๆ แล้วคำตอบสำหรับปัญหาการปฏิบัติงานหลายอย่างซ่อนอยู่ใน 'การเปลี่ยนแปลงของไนโตรเจน' เหล่านี้