ตัวชี้วัดที่สับสนในการบำบัดน้ำเสีย: ไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชั่น

ในการดำเนินการบำบัดน้ำเสียในแต่ละวัน มักได้ยินคำศัพท์สองคำ: ไนตริฟิเคชั่น และ ดีไนตริฟิเคชั่น หลายๆ คนที่ยังใหม่กับการบำบัดน้ำเสียมักจะสับสนระหว่างแนวคิดทั้งสองนี้ แม้จะมีชื่อคล้ายกัน แต่ทั้งคู่หมุนรอบตัวอักษร "硝" แต่จริงๆ แล้วทั้งสองมีบทบาทที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิงในการบำบัดน้ำเสีย

กล่าวง่ายๆ ก็คือ ไนตริฟิเคชั่นมีหน้าที่ในการแปลงแอมโมเนียไนโตรเจนเป็นไนเตรต ในขณะที่ดีไนตริฟิเคชันมีหน้าที่ในการแปลงไนเตรตเป็นก๊าซไนโตรเจน กระบวนการหนึ่งคือกระบวนการออกซิเดชัน และอีกวิธีหนึ่งคือกระบวนการรีดักชัน กระบวนการทั้งสองเป็นเหมือนการแข่งขันวิ่งผลัด และเมื่อเสร็จสิ้นการประสานงานเท่านั้นจึงจะสามารถกำจัดไนโตรเจนในน้ำเสียได้อย่างแท้จริง

เมื่อเข้าใจประเด็นนี้แล้ว ตรรกะเบื้องหลังกระบวนการกำจัดไนโตรเจนต่างๆ เช่น A/O, AAO และช่องออกซิเดชันจะชัดเจนมากขึ้น

ในน้ำเสียชุมชนและน้ำเสียอุตสาหกรรมจำนวนมาก ไนโตรเจนมีอยู่ในรูปของแอมโมเนียไนโตรเจนเป็นหลัก หากแอมโมเนียไนโตรเจนถูกปล่อยลงสู่แหล่งน้ำโดยตรง ก็สามารถนำไปสู่ภาวะยูโทรฟิเคชันได้อย่างง่ายดาย และยังส่งผลเป็นพิษต่อสิ่งมีชีวิตในน้ำ เช่น ปลา อีกด้วย ดังนั้นโรงบำบัดน้ำเสียจึงต้องเปลี่ยนแอมโมเนียไนโตรเจนก่อน

กระบวนการเปลี่ยนแปลงนี้เรียกว่าไนตริฟิเคชั่น

จริงๆ แล้วไนตริฟิเคชันเป็นกระบวนการออกซิเดชันที่ทำโดยจุลินทรีย์ ซึ่งสามารถแบ่งคร่าวๆ ได้เป็นสองขั้นตอน:

ขั้นตอนแรกคือการออกซิเดชันของแอมโมเนียไนโตรเจนให้เป็นไนไตรท์
ขั้นตอนที่ 2: ไนไตรต์จะถูกออกซิไดซ์ต่อไปเป็นไนเตรต

กระบวนการทั้งหมดต้องการออกซิเจนเพียงพอ ดังนั้น ไนตริฟิเคชันจึงมักเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมแบบแอโรบิก เช่น ถังเติมอากาศ หรือถังชีวเคมี MBR

จุลินทรีย์ที่เกี่ยวข้องในกระบวนการนี้เรียกว่าแบคทีเรียไนตริไฟดิ้ง พวกมันแตกต่างจากแบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิคทั่วไปตรงที่พวกมันอยู่ในหมวดหมู่ออโตโทรฟิค ซึ่งส่วนใหญ่ได้มาจากพลังงานจากสารอนินทรีย์ อัตราการเติบโตของพวกมันค่อนข้างช้า และพวกมันยังไวต่อการเปลี่ยนแปลงสิ่งแวดล้อมอีกด้วย

นี่คือสาเหตุที่โรงบำบัดน้ำเสียหลายแห่งมีแนวโน้มที่จะประสบปัญหาความสามารถในการไนตริฟิเคชันลดลงในช่วงฤดูหนาว

แม้ว่าไนตริฟิเคชันจะช่วยแก้ปัญหาแอมโมเนียไนโตรเจนได้ แต่ ณ จุดนี้ไนโตรเจนในน้ำก็ยังไม่หายไปอย่างแท้จริง มันเพียงแต่เปลี่ยนจากรูปแบบหนึ่งไปสู่อีกรูปแบบหนึ่งเท่านั้น หากต้องการ "กำจัด" ไนโตรเจนออกจากน้ำเสียอย่างแท้จริง ขั้นตอนที่สอง - การแยกไนตริฟิเคชัน - จะต้องเสร็จสิ้น

การดีไนตริฟิเคชันเป็นกระบวนการลดขนาด ในสภาพแวดล้อมแบบไม่ใช้ออกซิเจน จุลินทรีย์จะใช้ออกซิเจนในไนเตรต และค่อยๆ ลดออกซิเจนให้เป็นก๊าซไนโตรเจน เส้นทางปฏิกิริยามีดังนี้:

ไนเตรต → ไนไตรต์ → ไนตรัสออกไซด์ → ไนตรัสออกไซด์ → ไนโตรเจน

ก๊าซไนโตรเจนที่เกิดขึ้นในที่สุด (N₂)* จะถูกปล่อยออกสู่อากาศในรูปของก๊าซ ดังนั้นไนโตรเจนในน้ำเสียจึงถูกกำจัดออกไปอย่างแท้จริง จุลินทรีย์ที่ทำให้กระบวนการนี้เสร็จสมบูรณ์เรียกว่าแบคทีเรียดีไนตริไฟอิง ต่างจากแบคทีเรียไนตริไฟนิ่งตรงที่พวกมันอยู่ในแบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิคและต้องการคาร์บอนอินทรีย์เป็นแหล่งพลังงาน

นี่คือสาเหตุที่โรงบำบัดน้ำเสียหลายแห่งจำเป็นต้องเพิ่มแหล่งคาร์บอนในระหว่างการกำจัดไนโตรเจน

หากเราพิจารณากระบวนการทั้งสองนี้ร่วมกัน เราจะพบว่ากระบวนการทั้งสองมีความขัดแย้งกันในหลายๆ ด้าน

1. สภาพออกซิเจนที่แตกต่างกัน

การเกิดไนตริฟิเคชันจะต้องเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมแบบแอโรบิก โดยทั่วไปจะต้องรักษาระดับออกซิเจนที่ละลายในน้ำให้อยู่ที่ประมาณ 2 มก./ลิตร

การแยกไนตริฟิเคชันต้องใช้สภาพแวดล้อมแบบไม่ใช้ออกซิเจนโดยรักษาออกซิเจนละลายไว้ต่ำกว่า 0.5 มก./ลิตร หากมีออกซิเจนมากเกินไป แบคทีเรียที่สลายไนตริไฟนิ่งจะเลือกใช้ออกซิเจนมากกว่าไนเตรต

กล่าวง่ายๆ ก็คือ ไนตริฟิเคชันเจริญเติบโตได้ในออกซิเจน ในขณะที่ดีไนตริฟิเคชั่นถูกยับยั้งโดยออกซิเจน

2.จุลินทรีย์ชนิดต่างๆ

ไนตริฟิเคชั่นสามารถทำได้โดยแบคทีเรียไนตริไฟริ่งเป็นหลัก ซึ่งรวมถึงไนโตรโซโมแนสและไนโตรแบคเตอร์

แบคทีเรียเหล่านี้เป็นของแบคทีเรีย autotrophic ซึ่งเติบโตช้าและต้องการอายุตะกอนที่นานขึ้น

การดีไนตริฟิเคชันดำเนินการโดยแบคทีเรียดีไนตริไฟอิง ซึ่งอยู่ในประเภทแบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิกและมีอัตราการเติบโตค่อนข้างเร็วกว่า

3. ข้อกำหนดแหล่งคาร์บอนที่แตกต่างกัน

แบคทีเรียไนตริไฟริ่งใช้สารอนินทรีย์เป็นพลังงานเป็นหลัก และโดยทั่วไปไม่พึ่งพาแหล่งคาร์บอนอินทรีย์

แบคทีเรียที่ทำลายไนตริไฟติ้งต้องการคาร์บอนอินทรีย์ในฐานะผู้บริจาคอิเล็กตรอน ดังนั้น เมื่ออินทรียวัตถุที่มีอยู่ในน้ำเสียไม่เพียงพอ ก็มักจะจำเป็นต้องเพิ่มแหล่งคาร์บอนภายนอก เช่น โซเดียมอะซิเตต เมทานอล และกลูโคส

ในการดำเนินงานของโรงบำบัดน้ำเสียหลายแห่ง แหล่งคาร์บอนที่ไม่เพียงพอมักเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการกำจัดไนโตรเจน

4. สถานที่เกิดเหตุแตกต่างกัน

ในกระบวนการกำจัดไนโตรเจนทั่วไป ทั้งสองชนิดนี้มักจะถูกจัดเรียงในโซนปฏิกิริยาที่แตกต่างกัน

ตัวอย่างเช่น ในกระบวนการ A/O หรือ AAO:

ถังอะโนซิก - ดีไนตริฟิเคชั่น ถังแอโรบิก - ไนตริฟิเคชั่น

ไนเตรตที่เกิดจากไนตริฟิเคชันจะกลับสู่โซนที่เป็นพิษผ่านการหมุนเวียนภายใน ซึ่งจะถูกเปลี่ยนรูปเพิ่มเติมโดยแบคทีเรียดีไนตริไฟอิง
5. ผลลัพธ์สุดท้ายที่แตกต่างกัน

ผลลัพธ์ของไนตริฟิเคชันคือแอมโมเนียไนโตรเจนลดลงและไนเตรตเพิ่มขึ้น

ผลลัพธ์ของการแยกไนตริฟิเคชั่นคือ: การลดลงของไนเตรตและการผลิตก๊าซไนโตรเจน

กล่าวอีกนัยหนึ่ง ไนโตรเจนสามารถออกจากแหล่งน้ำได้หลังจากกระบวนการดีไนตริฟิเคชันเสร็จสิ้นแล้วเท่านั้น

จากมุมมองแบบองค์รวม ไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชันไม่ใช่สองกระบวนการที่เป็นอิสระ แต่เป็นสองขั้นตอนติดต่อกันในการกำจัดไนโตรเจนทางชีวภาพ

กระบวนการแปลงไนโตรเจนทั้งหมดสามารถเข้าใจได้ง่ายดังนี้:

ไนโตรเจนแอมโมเนีย → ไนไตรต์ไนโตรเจน → ไนเตรตไนโตรเจน → ไนไตรต์ไนโตรเจน → ก๊าซไนโตรเจน

ไนตริฟิเคชันมีหน้าที่ในการแปลงแอมโมเนียไนโตรเจนเป็นไนเตรต ในขณะที่ดีไนตริฟิเคชันมีหน้าที่ในการลดไนเตรตกลับไปเป็นก๊าซไนโตรเจน
ทั้งสองเชื่อมต่อกันเหมือนการแข่งขันวิ่งผลัด

หากมีเพียงไนตริฟิเคชันและไม่มีดีไนตริฟิเคชัน ไนเตรตในน้ำจะยังคงทำให้เกิดยูโทรฟิเคชัน
หากไม่มีไนตริฟิเคชั่น ก็จะขาด "วัตถุดิบ" สำหรับดีไนตริฟิเคชั่น

นี่เป็นสาเหตุที่กระบวนการกำจัดไนโตรเจนส่วนใหญ่รวมเอาทั้งโซนแอโรบิกและโซนที่เป็นพิษ

ในด้านการบำบัดน้ำเสีย แนวคิดหลายประการอาจดูคล้ายกัน แต่ตรรกะที่ซ่อนอยู่นั้นแตกต่างอย่างสิ้นเชิง

ไนตริฟิเคชั่นและดีไนตริฟิเคชันเป็นคู่ทั่วไป

สิ่งหนึ่งเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมแบบแอโรบิก ในขณะที่อีกสิ่งหนึ่งเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมแบบไม่ใช้ออกซิเจน
คนหนึ่งมีหน้าที่รับผิดชอบในการออกซิไดซ์แอมโมเนียไนโตรเจน และอีกคนมีหน้าที่ในการลดไนเตรต
เมื่อทั้งสองอย่างรวมกันเท่านั้นจึงจะเกิดกระบวนการกำจัดไนโตรเจนทางชีวภาพที่สมบูรณ์ได้

เมื่อเข้าใจสิ่งนี้แล้ว เมื่อเราดูกระบวนการกำจัดไนโตรเจนต่างๆ เช่น A/O, AAO และคูออกซิเดชัน เราจะเห็นว่ากระบวนการทั้งหมดได้รับการปรับให้เหมาะสมและรวมกันรอบๆ สองขั้นตอนนี้

ในการวิเคราะห์ขั้นสุดท้าย กระบวนการที่ซับซ้อนหลายอย่างในการบำบัดน้ำเสียกำลังสร้าง "สภาพแวดล้อมการทำงาน" ที่เหมาะสมสำหรับจุลินทรีย์เหล่านี้