ทำความเข้าใจความเป็นด่างในบทความเดียว

บทนำ: ความเป็นด่างเป็นตัวบ่งชี้สำคัญของความสามารถในการกักเก็บน้ำของแหล่งน้ำ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อกิจกรรมและประสิทธิภาพการบำบัดของจุลินทรีย์ในระบบบำบัดน้ำเสีย บทความนี้สรุปปฏิกิริยาทางชีวเคมีหลักที่เกี่ยวข้องกับการสร้างและการใช้ความเป็นด่างอย่างเป็นระบบ โดยครอบคลุมเจ็ดขั้นตอนสำคัญ ได้แก่ การลดซัลเฟต การดูดซึมฟอสฟอรัส การแยกไนตริฟิเคชั่น การย่อยสลายสารอินทรีย์ การทำให้เป็นกรดของไฮโดรไลซิส การปล่อยฟอสฟอรัสแบบไม่ใช้ออกซิเจน และการเกิดไนตริฟิเคชั่น สิ่งนี้ช่วยให้ผู้เชี่ยวชาญด้านสิ่งแวดล้อมเข้าใจกฎภายในที่ควบคุมการเปลี่ยนแปลงความเป็นด่างอย่างลึกซึ้ง โดยให้พื้นฐานทางวิทยาศาสตร์สำหรับการปฏิบัติงานประจำวันและการควบคุมกระบวนการ

ความเป็นด่างหมายถึงความสามารถของน้ำในการทำให้กรดเป็นกลาง ซึ่งมักจะแสดงเป็นแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO₃) โดยมีหน่วยเป็น มก./ลิตร โดยสะท้อนถึงปริมาณรวมของสารทั้งหมดในน้ำที่สามารถทำให้กรดแก่เป็นกลางได้ โดยส่วนใหญ่รวมถึงสารอัลคาไลน์ เช่น ไบคาร์บอเนต (HCO₃⁻) คาร์บอเนต (CO₃²⁻) และไฮดรอกไซด์ (OH⁻) ในการบำบัดน้ำเสีย ความเป็นด่างเป็นพารามิเตอร์คุณภาพน้ำที่ขาดไม่ได้ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อการทำงานปกติของระบบบำบัดทางชีวภาพ

กระบวนการบำบัดน้ำเสียส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับกิจกรรมการเผาผลาญของจุลินทรีย์ ซึ่งมีข้อกำหนดที่ค่อนข้างเข้มงวดเกี่ยวกับค่า pH ของสภาพแวดล้อม โดยทั่วไป แบคทีเรียไนตริไฟเออร์เจริญเติบโตได้ในช่วง pH 7.2–8.0 ในขณะที่แบคทีเรียที่สะสมโพลีฟอสเฟต-จะมีค่า pH ของการปลดปล่อยฟอสฟอรัสที่เหมาะสมที่สุดประมาณ 7.0 เมื่อความเป็นด่างของระบบเพียงพอ ค่า pH จะยังคงค่อนข้างคงที่ ทำให้เกิดสภาพแวดล้อมการเจริญเติบโตที่ดีสำหรับจุลินทรีย์ ในทางกลับกัน ความเป็นด่างที่ไม่เพียงพออาจทำให้ค่า pH ลดลงอย่างรวดเร็ว ส่งผลให้กิจกรรมของจุลินทรีย์ลดลงและแม้กระทั่งระบบล่มสลาย

แนวคิดหลัก: ความเป็นด่างโดยพื้นฐานแล้วถือเป็น "กรด-บัฟเฟอร์เบส" ในน้ำ คิดว่าความเป็นด่างเป็นแหล่งกักเก็บ-เมื่อสารที่เป็นกรด "ไหลเข้ามา" สภาพความเป็นด่างสามารถ "ดูดซับ" และทำให้เป็นกลางได้ ดังนั้นจึงรักษาความคงตัวของค่า pH ได้ เมื่ออ่างเก็บน้ำนี้แห้ง ค่า pH จะผันผวนอย่างรวดเร็วเหมือนแม่น้ำที่ไม่มีเขื่อน

ดังนั้น การทำความเข้าใจรูปแบบของการเปลี่ยนแปลงความเป็นด่างในระหว่างการบำบัดน้ำเสีย-นั่นคือ ปฏิกิริยาใดที่ทำให้เกิดความเป็นด่างและปฏิกิริยาใดที่ใช้ปฏิกิริยานั้น- จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งในการรับรองประสิทธิภาพการบำบัด การเพิ่มประสิทธิภาพปริมาณรีเอเจนต์ และลดต้นทุนการดำเนินงาน

ขึ้นอยู่กับทิศทางของอิทธิพลของปฏิกิริยาทางชีวเคมีที่มีต่อความเป็นด่าง การเปลี่ยนแปลงความเป็นด่างในระหว่างการบำบัดน้ำเสียสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก: ปฏิกิริยาที่ทำให้เกิดความเป็นด่าง ( pH ที่เพิ่มขึ้น) และปฏิกิริยาที่ใช้ความเป็นด่าง ( pH ลดลง) การจำแนกประเภทนี้ช่วยให้เราระบุแนวโน้มไดนามิกของการเปลี่ยนแปลงความเป็นด่างในระบบระหว่างการทำงานจริงได้อย่างรวดเร็ว และใช้มาตรการควบคุมที่เกี่ยวข้องตามลำดับ

การสร้างความเป็นด่าง (เพิ่ม pH):

1. การลดซัลเฟต

2. การดูดซึมฟอสฟอรัส

3. ดีไนตริฟิเคชั่น (ความเป็นด่าง 3.57 มก./ลิตร/มก. NO₃⁻-N)

4. การย่อยสลายอินทรียวัตถุ

การใช้ความเป็นด่าง (ลด pH):

1. การทำให้เป็นกรดไฮโดรไลซิส

2. การปล่อยฟอสฟอรัสแบบไม่ใช้ออกซิเจน

3. การทำไนตริฟิเคชั่น (ความเป็นด่าง 7.14 มก./ลิตร/มก. NH₃-N)

ดังที่แสดงในตารางด้านบน มีปฏิกิริยาสี่ประเภทที่ทำให้เกิดความเป็นด่าง และสามประเภทที่ใช้ความเป็นด่าง ปฏิกิริยาแต่ละประเภทจะอธิบายรายละเอียดด้านล่าง

3.1 การลดซัลเฟต
การลดซัลเฟตหมายถึงกระบวนการภายใต้สภาวะไร้ออกซิเจน โดยที่ซัลเฟต-รีดิวซ์แบคทีเรีย (SRB) ใช้ซัลเฟต (SO₄²⁻) เป็นตัวรับอิเล็กตรอนในการออกซิไดซ์และสลายสารอินทรีย์ ในขณะเดียวกันก็ลดซัลเฟตไปเป็นไฮโดรเจนซัลไฟด์ (H₂S) สมการปฏิกิริยาแบบคลาสสิกสามารถทำให้ง่ายขึ้นได้ดังนี้:

แผนผังของปฏิกิริยารีดักชันซัลเฟต

SO₄²⁻ + สารอินทรีย์ → H₂S + HCO₃⁻ + ผลิตภัณฑ์อื่นๆ

ในปฏิกิริยานี้ ตามทฤษฎีแล้ว สำหรับซัลเฟตไอออนทุกๆ 1 โมลที่ลดลง จะเกิดไบคาร์บอเนตไอออน (HCO₃⁻) ขึ้นมา 2 โมล ไบคาร์บอเนตเป็นหนึ่งในปัจจัยหลักของความเป็นด่าง ดังนั้นปฏิกิริยารีดักชันซัลเฟตจะเพิ่มความเป็นด่างของระบบอย่างมีนัยสำคัญ จากมุมมองระดับมหภาค กระบวนการลดซัลเฟตจะทำให้ค่า pH ของน้ำมีแนวโน้มสูงขึ้น

อย่างไรก็ตาม สิ่งสำคัญที่ควรทราบคือแม้ว่าการลดซัลเฟตจะทำให้เกิดความเป็นด่าง แต่ผลพลอยได้คือไฮโดรเจนซัลไฟด์ มีความเป็นพิษสูงและมีกลิ่นเหม็น ในเครื่องย่อยแบบไม่ใช้ออกซิเจนหรือหน่วยบำบัดแบบไม่ใช้ออกซิเจน การลดซัลเฟตมากเกินไปไม่เพียงแต่นำไปสู่ปัญหากลิ่นเท่านั้น แต่ยังอาจยับยั้งจุลินทรีย์ที่เป็นประโยชน์ เช่น มีทาโนเจน ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพการบำบัดโดยรวม ดังนั้นในการทำงานจริง ความเข้มข้นของซัลเฟตในตัวสิ่งส่งผ่านจึงจำเป็นต้องได้รับการตรวจสอบและควบคุม

3.2 การดูดซึมฟอสฟอรัส

การดูดซึมฟอสฟอรัสเป็นกระบวนการหลักในการกำจัดฟอสฟอรัสทางชีวภาพ ภายใต้สภาวะที่มีออกซิเจนหรือเป็นพิษ โพลีฟอสเฟต-สิ่งมีชีวิตที่สะสม (PAO) จะดูดซับฟอสเฟตจากน้ำมากเกินไป จากนั้นสังเคราะห์ให้เป็นโพลีฟอสเฟตและเก็บไว้ในเซลล์ของพวกมัน ในขณะเดียวกัน พวกเขาใช้โพลีไฮดรอกซีอัลคาโนเอต (PHA) ที่สะสมอยู่ภายในเซลล์เป็นแหล่งคาร์บอนและพลังงานสำหรับการเจริญเติบโตและการสืบพันธุ์

ในระหว่างการดูดซึมฟอสฟอรัส เซลล์ PAO จำเป็นต้องรักษาสมดุลประจุภายในและภายนอก เมื่อโพลีฟอสเฟต-แบคทีเรียสะสม (PAB) ดูดซับฟอสเฟตที่มีประจุลบ (HPO₄²⁻ หรือ H₂PO₄⁻) จำนวนมาก พวกมันจะปล่อยสารประจุบวก เช่น ไบคาร์บอเนต (HCO₃⁻) หรือโพแทสเซียม ไอออน (K⁺) เข้าไปในช่องว่างภายนอกเซลล์เพื่อรักษาความเป็นกรดนิวคลีอิก กระบวนการทางสรีรวิทยานี้นำไปสู่การเพิ่มขึ้นของความเป็นด่างของระบบโดยตรง

กลไกการเปลี่ยนแปลงความเป็นด่างในปฏิกิริยาการดูดซึมฟอสฟอรัส

เมื่อ PAB ดูดซับฟอสฟอรัส HCO₃⁻ ประมาณ 1 โมลจะถูกปล่อยออกสู่พื้นที่นอกเซลล์สำหรับฟอสฟอรัสทุกๆ 1 โมลที่ดูดซึม (ในรูปของ HPO₄²⁻) ซึ่งหมายความว่าในระยะแอโรบิกของกระบวนการกำจัดฟอสฟอรัสทางชีวภาพ ค่าความเป็นด่างจะเพิ่มขึ้น และค่า pH จะเพิ่มขึ้นตามลำดับ นี่เป็นหนึ่งในสาเหตุที่ค่า pH ในระยะแอโรบิกของกระบวนการ A²/O มักจะสูงกว่าค่าในเฟสไร้ออกซิเจนเล็กน้อย

แม้ว่าปริมาณของความเป็นด่างที่เกิดจากการดูดซึมฟอสฟอรัสไม่สำคัญเท่ากับปริมาณของดีไนตริฟิเคชั่น แต่การมีส่วนร่วมของความเป็นด่างในกระบวนการที่การกำจัดฟอสฟอรัสทางชีวภาพเป็นวัตถุประสงค์หลักยังคงมีความสำคัญในทางปฏิบัติอย่างมาก การทำความเข้าใจคุณลักษณะการเปลี่ยนแปลงความเป็นด่างของปฏิกิริยาการดูดซึมฟอสฟอรัสอย่างแม่นยำจะช่วยปรับพารามิเตอร์กระบวนการให้เหมาะสมสำหรับการทำงานแบบไม่ใช้ออกซิเจนและแบบแอโรบิกสลับกัน

3.3 การดีไนตริฟิเคชั่น
การแยกไนตริฟิเคชั่นเป็นขั้นตอนสำคัญในการกำจัดไนโตรเจนระหว่างการบำบัดน้ำเสีย ภายใต้สภาวะที่ไม่เป็นพิษ แบคทีเรียดีไนตริไฟอิงจะใช้ไนเตรต (NO₃⁻) หรือไนไตรต์ (NO₂⁻) เป็นตัวรับอิเล็กตรอนและอินทรียวัตถุในฐานะผู้บริจาคอิเล็กตรอน (แหล่งคาร์บอน) เพื่อค่อยๆ ลดไนเตรตเป็นก๊าซไนโตรเจน (N₂) ซึ่งท้ายที่สุดจะหลุดออกจากน้ำ

สมการแผนผังสำหรับปฏิกิริยาดีไนตริฟิเคชัน

2NO₃⁻ + 5[CH₂O] + 2H⁺ → N₂↑ + 5CO₂ + 6H₂O

การแยกไนตริฟิเคชันเป็น "กำลังหลัก" ในการสร้างความเป็นด่างระหว่างการบำบัดน้ำเสีย ตามทฤษฎีแล้ว การลดไนเตรตไนโตรเจน (NO₃⁻-N) ลง 1 มิลลิกรัมจะทำให้เกิดความเป็นด่างประมาณ [จำนวนที่หายไป] (คำนวณเป็น CaCO₃) ค่านี้เป็นค่าอ้างอิงที่สำคัญในการออกแบบกระบวนการและการปฏิบัติงานรายวัน

ดังที่เห็นได้จากสมการปฏิกิริยา การแยกไนตริฟิเคชันจะใช้ไฮโดรเจนไอออน (H⁺) ในน้ำ ซึ่งเทียบเท่ากับการเติมสารอัลคาไลน์ลงในระบบ ดังนั้น การแยกไนตริฟิเคชันไม่เพียงแต่กำจัดไนโตรเจนทั้งหมดได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ยังช่วยเติมความเป็นด่างของระบบด้วย ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการรักษาสภาพแวดล้อมที่เป็นด่างซึ่งจำเป็นสำหรับปฏิกิริยาไนตริฟิเคชันในภายหลัง

ในทางวิศวกรรมเชิงปฏิบัติ การใช้ความเป็นด่างที่เกิดจากก่อน-ดีไนตริฟิเคชันอย่างเต็มที่ (ระยะ A ของกระบวนการ A/O) เพื่อชดเชยความเป็นด่างที่ใช้โดยปฏิกิริยาไนตริฟิเคชันที่ตามมาถือเป็นกลยุทธ์การดำเนินงานที่ประหยัดและมีประสิทธิภาพ โรงบำบัดน้ำเสียหลายแห่งบรรลุความเป็นด่างในตนเอง-โดยการจัดสรรอัตราส่วนปริมาตรของโซนที่เป็นพิษและแอโรบิกอย่างมีเหตุผล ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนของแหล่งคาร์บอนภายนอกและรีเอเจนต์ที่เป็นด่าง

เคล็ดลับทางวิศวกรรม: เมื่ออัตราส่วนคาร์บอนที่มีอิทธิพล-ต่อ-ไนโตรเจน (C/N) ต่ำ แหล่งคาร์บอนอินทรีย์ที่จำเป็นสำหรับการแยกไนตริฟิเคชั่นจะไม่เพียงพอ และการผลิตความเป็นด่างก็จะลดลงตามไปด้วย ในกรณีนี้ จำเป็นต้องพิจารณาเพิ่มแหล่งคาร์บอนภายนอก (เช่น เมทานอล โซเดียมอะซิเตต ฯลฯ) เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพในการดีไนตริฟิเคชันและการเติมความเป็นด่าง

3.4 การย่อยสลายสารอินทรีย์

การย่อยสลายอินทรียวัตถุเป็นกระบวนการทางชีวเคมีขั้นพื้นฐานที่สุดในการบำบัดน้ำเสีย ไม่ว่าจะเป็นเมแทบอลิซึมของแบคทีเรียแบบเฮเทอโรโทรฟิคภายใต้สภาวะแบบแอโรบิกหรือ-ที่ก่อให้เกิดการหมักภายใต้สภาวะไร้ออกซิเจน การสลายตัวของสารอินทรีย์ (แสดงเป็น COD หรือ BOD) จะส่งผลต่อความเป็นด่างและ pH ของระบบในระดับหนึ่ง

ภายใต้สภาวะแอโรบิก สารอินทรีย์จะถูกออกซิไดซ์และสลายตัวเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ (CO₂) CO₂ละลายในน้ำเพื่อสร้างกรดคาร์บอนิก (H₂CO₃) ซึ่งตามทฤษฎีแล้วค่า pH จะลดลง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากกระบวนการเติมอากาศจะดึง CO₂ จำนวนมากไปที่ผิวน้ำ ผลกระทบของ pH สุทธิในระยะแอโรบิกจึงขึ้นอยู่กับความสมดุลแบบไดนามิกระหว่างอัตราการผลิต CO₂ และอัตราการลอกออก ภายใต้การเติมอากาศที่เพียงพอ pH อาจเพิ่มขึ้นเล็กน้อยด้วยซ้ำ

ในระหว่างการย่อยแบบไม่ใช้ออกซิเจน สารอินทรีย์จะถูกย่อยสลายเป็นกรดไขมันระเหย (VFA) ก่อนโดยแบคทีเรียที่เป็นกรดไฮโดรไลติก ขั้นตอนนี้ทำให้ค่า pH ลดลง อย่างไรก็ตาม แบคทีเรียที่มีก๊าซมีเทนจะเปลี่ยน VFA ให้เป็นมีเทน (CH₄) และ CO₂ ในเวลาต่อมา ส่งผลให้ค่า pH เพิ่มขึ้นอีกครั้ง ผลสุทธิของกระบวนการย่อยแบบไม่ใช้ออกซิเจนทั้งหมดมักจะแสดงออกมาในรูปของความเป็นด่างที่เพิ่มขึ้น ซึ่งเป็นสาเหตุที่ว่าทำไมน้ำซุปสำหรับการย่อยแบบไม่ใช้ออกซิเจนจึงมีความเป็นด่างและความสามารถในการบัฟเฟอร์สูง

ผลกระทบของการย่อยสลายอินทรียวัตถุต่อความเป็นด่างเป็นผลมาจากปัจจัยหลายประการ และผลกระทบสุทธิของมันขึ้นอยู่กับผลกระทบรวมของปัจจัยต่างๆ เช่น ประเภทของกระบวนการบำบัด สภาพการทำงาน และโครงสร้างชุมชนของจุลินทรีย์

4.1 การทำให้เป็นกรดไฮโดรไลซิส
การทำให้เป็นกรดไฮโดรไลซิสเป็นขั้นตอนแรกของการบำบัดทางชีวภาพแบบไม่ใช้ออกซิเจน ในขั้นตอนนี้ สารอินทรีย์โมเลกุลขนาดใหญ่ที่ซับซ้อน (เช่น โปรตีน คาร์โบไฮเดรต และไขมัน) จะถูกไฮโดรไลซ์เป็นโมเลกุลอินทรีย์ที่ละลายน้ำได้ขนาดเล็กลงโดยเอนไซม์นอกเซลล์ จากนั้นจึงแปลงเป็นผลิตภัณฑ์ที่เป็นกรด เช่น กรดไขมันระเหย (VFA) แอลกอฮอล์ และ CO₂ โดยการทำให้แบคทีเรียเป็นกรด

เนื่องจากการสะสมของ VFA จะปล่อยไฮโดรเจนไอออน (H⁺) จำนวนมาก กระบวนการไฮโดรไลซิสเป็นกรดจึงใช้ความเป็นด่างในระบบอย่างมีนัยสำคัญ ส่งผลให้ค่า pH ลดลง หากไม่มีการควบคุมที่เหมาะสม ค่า pH อาจลดลงต่ำกว่า 5.0 ยับยั้งการทำงานของแบคทีเรียที่มีก๊าซมีเทนอย่างรุนแรงตามมา และถึงขั้นนำไปสู่ความล้มเหลวของระบบบำบัดแบบไม่ใช้ออกซิเจนทั้งหมด

ลักษณะของการใช้ความเป็นด่างในการทำให้เป็นกรดไฮโดรไลซิส

อัตราการใช้ความเป็นด่างในระหว่างขั้นตอนการทำให้เป็นกรดของไฮโดรไลซิสมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับความเข้มข้นของอินทรียวัตถุและกิจกรรมของแบคทีเรียที่ทำให้เป็นกรดแบบไฮโดรไลติก ยิ่งความเข้มข้นของ COD ที่มีอิทธิพลสูง อัตราความเป็นกรดก็จะเร็วขึ้นและการใช้ความเป็นด่างก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ในการบำบัดน้ำเสียอินทรีย์ที่มีความเข้มข้นสูง- โดยปกติจำเป็นต้องเติมความเป็นด่าง (เช่น โดยการเติม NaHCO₃ หรือปูนขาว) เพื่อรักษาสภาพแวดล้อม pH ที่เหมาะสมภายในเครื่องปฏิกรณ์

ในกระบวนการบำบัดแบบไม่ใช้ออกซิเจน เช่น ABR (เครื่องปฏิกรณ์แบบ Baffled Reactor แบบไม่ใช้ออกซิเจน) และ UASB (แบบครอบคลุมตะกอนไร้อากาศแบบ Upflow) การทำให้เป็นกรดของไฮโดรไลซิสมักเกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์เดียวกันกับกระบวนการสร้างเมทาโนเจเนซิส การจ่ายความเป็นด่างที่เพียงพอเป็นหนึ่งในปัจจัยสำคัญที่รับประกันการทำงานที่ประสานกันของกระบวนการทั้งสองนี้ เมื่อความเป็นด่างของระบบต่ำกว่า 1000 มก./ลิตร (ในรูปของ CaCO₃) จะต้องติดตามแนวโน้มของ pH อย่างใกล้ชิด

4.2 การปล่อยฟอสฟอรัสแบบไม่ใช้ออกซิเจน

การปลดปล่อยฟอสฟอรัสแบบไม่ใช้ออกซิเจนเป็นขั้นตอนที่ขาดไม่ได้ในกระบวนการกำจัดฟอสฟอรัสทางชีวภาพ ภายใต้สภาวะไร้ออกซิเจนอย่างเคร่งครัด (ไม่มีไนเตรตไนโตรเจน ไม่มีออกซิเจนละลาย) แบคทีเรียที่สะสมโพลีฟอสเฟต- (PAB) จะสลายโพลีฟอสเฟตที่เก็บไว้ภายในเซลล์ และปล่อยฟอสเฟตลงไปในน้ำ ในขณะเดียวกัน พวกมันใช้อินทรียวัตถุ-โมเลกุล-ที่ดูดซับต่ำเพื่อสังเคราะห์โพลีไฮดรอกซีอัลคาโนเอต (PHA) และกักเก็บพวกมันไว้ภายในเซลล์ โดยให้พลังงานสำรองสำหรับการดูดซึมฟอสฟอรัสที่มากเกินไปในภายหลังภายใต้สภาวะแอโรบิก

ในระหว่างการปล่อยฟอสฟอรัส PPA จะใช้ไบคาร์บอเนต (HCO₃⁻) ในปริมาณที่เท่ากันเพื่อรักษาสมดุลประจุระหว่างภายในและภายนอกเซลล์ในขณะที่ปล่อยฟอสเฟตออกจากภายในเซลล์ กระบวนการนี้นำไปสู่การลดลงของความเป็นด่างของระบบและค่า pH ที่ลดลงโดยตรง

ข้อควรพิจารณาในการดำเนินงานที่สำคัญ: ประสิทธิผลของการปล่อยฟอสฟอรัสแบบไม่ใช้ออกซิเจนจะกำหนดประสิทธิภาพของการดูดซึมฟอสฟอรัสแบบแอโรบิกในภายหลังโดยตรง หากมีไนเตรตไนโตรเจนอยู่ในระยะไร้ออกซิเจน (แบคทีเรียที่กำจัดไนตริไฟแนนซ์ควรใช้แหล่งคาร์บอนอินทรีย์เป็นหลัก) มันจะยับยั้งกิจกรรมการปล่อยฟอสฟอรัสของ PPA ส่งผลให้ประสิทธิภาพในการกำจัดฟอสฟอรัสลดลง ในขณะเดียวกัน หากค่าความเป็นด่างที่ใช้ระหว่างการปล่อยฟอสฟอรัสไม่ได้รับการเติมให้ทันเวลา ค่า pH อาจลดลงต่ำกว่าช่วงที่เหมาะสมสำหรับกิจกรรมการสะสมโพลีฟอสเฟต (PAC) ซึ่งส่งผลต่อประสิทธิภาพการกำจัดฟอสฟอรัสเพิ่มเติม

ในการออกแบบและการทำงานของกระบวนการ A²/O หรือ A²/O ที่ดัดแปลง โดยทั่วไปเวลากักเก็บไฮดรอลิก (HRT) ของระยะไร้ออกซิเจนจะถูกควบคุมระหว่าง 1.5 ถึง 2.5 ชั่วโมง แม้ว่าเวลากักเก็บที่นานเกินไปจะเป็นประโยชน์ต่อการปล่อยฟอสฟอรัสที่เพียงพอ แต่ก็สามารถนำไปสู่การใช้ VFA มากเกินไปและการสูญเสียความเป็นด่างที่มากเกินไป ซึ่งจำเป็นต้อง-ปิดการทำงานจริง

4.3 ไนตริฟิเคชั่น

ไนตริฟิเคชันเป็นขั้นตอนแรกในกระบวนการกำจัดไนโตรเจนในการบำบัดน้ำเสีย และยังเป็นปฏิกิริยาที่ใช้ความเป็นด่างมากที่สุดอีกด้วย ภายใต้สภาวะแอโรบิก ไนไตรท์-แบคทีเรียออกซิไดซ์ (AOB) ออกซิไดซ์แอมโมเนียไนโตรเจน (NH₄⁺) ก่อนเป็นไนไตรท์ (NO₂⁻) จากนั้นไนเตรต-แบคทีเรียออกซิไดซ์ (NOB) ออกซิไดซ์ไนไตรท์ต่อไปเป็นไนเตรต (NO₃⁻) ปฏิกิริยาทั้งสองนี้ต้องการความเป็นด่างจำนวนมาก

กระบวนการไนตริฟิเคชันสอง-ขั้นตอน:

ขั้นตอนที่ 1 (ไนโตรเซชัน): NH₄⁺ + 1.5O₂ → NO₂⁻ + 2H⁺ + H₂O

ขั้นตอนที่ 2 (ไนโตรเซชัน): NO₂⁻ + 0.5O₂ → NO₃⁻

ปฏิกิริยาโดยรวม: NH₄⁺ + 2O₂ → NO₃⁻ + 2H⁺ + H₂O

จากสมการปฏิกิริยาโดยรวม เห็นได้ชัดว่าทุกๆ 1 มิลลิกรัมของแอมโมเนียไนโตรเจน (NH₃-N) ที่ถูกออกซิไดซ์ จะเกิดไฮโดรเจนไอออน (H⁺) 2 โมล ซึ่งเทียบเท่ากับการใช้ความเป็นด่างประมาณ 1/3 (คำนวณเป็น CaCO₃) ค่านี้เป็นสองเท่าของความเป็นด่างที่เกิดจากดีไนตริฟิเคชัน (3.57 มก./ลิตร) อย่างแน่นอน ซึ่งหมายความว่าหากไม่มีดีไนตริฟิเคชันล่วงหน้า-เพื่อเติมความเป็นด่าง ไนตริฟิเคชันจะทำให้ปริมาณสำรองความเป็นด่างในระบบหมดลงอย่างรวดเร็ว

ลักษณะการใช้ความเป็นด่าง-ของไนตริฟิเคชั่นทำให้เกิดข้อกังวลหลักในการดำเนินงานและการจัดการโรงบำบัดน้ำเสียหลายแห่ง เมื่อความเป็นด่างที่มีอิทธิพลไม่เพียงพอที่จะรองรับไนตริฟิเคชัน สิ่งต่อไปนี้อาจเกิดขึ้นได้:

• ค่า pH ลดลงต่ำกว่า 7.0 ช่วยลดการทำงานของแบคทีเรียไนตริไฟนิ่งและอัตราการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนได้อย่างมาก

• เพิ่มความเสี่ยงของการสะสมไนไตรท์ ส่งผลให้ความเข้มข้นของไนโตรเจนไนไตรต์ที่ปล่อยออกมาสูงขึ้น

• การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของแอมโมเนียอิสระ (FA) และไนไตรท์อิสระ (FNA) ทำให้เกิดความเป็นพิษต่อชุมชนจุลินทรีย์

• ประสิทธิภาพการตกตะกอนของตะกอนไม่ดี ส่งผลให้ SS ของเสียสูงขึ้น

เพื่อให้มั่นใจว่าไนตริฟิเคชั่นประสบความสำเร็จ โดยทั่วไปค่าความเป็นด่างที่ตกค้างในระบบจะต้องไม่ต่ำกว่า 70–100 มก./ลิตร (ในรูปของ CaCO₃) ในทางปฏิบัติ มาตรการชดเชยความเป็นด่างทั่วไปประกอบด้วย: การใช้ความเป็นด่างที่เกิดจากพรี-การดีไนตริฟิเคชั่น การเติมโซเดียมไบคาร์บอเนต (NaHCO₃) การเติมโซเดียมไฮดรอกไซด์ (NaOH) หรือการเติมปูนขาว (Ca(OH)₂) ในบรรดาวิธีการเหล่านี้ การเติม NaHCO₃ เป็นวิธีที่ใช้กันมากที่สุดเนื่องจากมีความเป็นด่างอ่อนๆ และไม่ทำให้เกิดแคตไอออนมากเกินไป

ข้อพิจารณาทางเศรษฐกิจ: ตัวอย่างเช่น โรงบำบัดน้ำเสียที่มีความสามารถในการบำบัด 100,000 ตันต่อวัน และความเข้มข้นของแอมโมเนียไนโตรเจนที่ 30 มก./ลิตร เป็นตัวอย่าง การทำให้ไนตริฟิเคชั่นสมบูรณ์ต้องใช้ความเป็นด่างประมาณ 21.4 ตันต่อวัน (คำนวณเป็น CaCO₃) หากใช้ NaHCO₃ เพื่อเสริมความเป็นด่าง ต้นทุนรีเอเจนต์รายวันอาจสูงถึงหลายหมื่นหยวน ดังนั้น การใช้ฟังก์ชันการชดเชยความเป็นด่างของพรี-การดีไนตริฟิเคชั่นอย่างเต็มที่จึงเป็นกลยุทธ์สำคัญในการลดต้นทุนการดำเนินงาน

จากการวิเคราะห์ข้างต้น การเปลี่ยนแปลงความเป็นด่างในระบบบำบัดน้ำเสียถือเป็นเกมแบบไดนามิกระหว่างปฏิกิริยาที่ทำให้เกิดความเป็นด่างและปฏิกิริยาที่ใช้ความเป็นด่าง ความเป็นด่างของระบบ

การเปลี่ยนแปลงสุทธิสามารถแสดงได้ด้วยสูตรอย่างง่ายต่อไปนี้:

สมการสมดุลอัลคาลินิตี้

Δความเป็นด่าง=Σ(ความเป็นด่างที่เกิดขึ้น) - Σ(ความเป็นด่างที่ใช้ไป) + ความเป็นด่างที่เพิ่มจากภายนอก - การสูญเสียความเป็นด่าง

ในกระบวนการ A²/O ทั่วไป "ผู้บริโภค" หลักของความเป็นด่างคือไนตริฟิเคชั่น (-ความเป็นด่าง 7.14 มก./ลิตร/มก. NH₃-N) ในขณะที่ "ผู้ผลิต" หลักคือดีไนตริฟิเคชั่น (+3.57 ความเป็นด่างของมิลลิกรัม/ลิตร/มก. NO₃⁻-N) เนื่องจากการดีไนตริฟิเคชันทำให้เกิดความเป็นด่างเพียงครึ่งหนึ่งที่ใช้โดยไนตริฟิเคชัน แม้ว่าไนโตรเจนทั้งหมด 100% จะกลับคืนสู่สุราไนตริฟิเคชันเพื่อดีไนตริฟิเคชั่น การขาดดุลความเป็นด่างบางส่วนจะยังคงอยู่ในระบบ การขาดดุลนี้มักจะได้รับการชดเชยด้วยความเป็นด่างที่ส่งผ่านจากสิ่งที่ไหลเข้าและโดยรีเอเจนต์ความเป็นด่างที่เติมจากภายนอก

การทำความเข้าใจความสัมพันธ์ของความสมดุลนี้มีความสำคัญโดยตรงต่อการคำนวณความเป็นด่างในระหว่างการออกแบบกระบวนการและการปรับรีเอเจนต์ให้เหมาะสมระหว่างการทำงาน คำแนะนำที่เป็นประโยชน์สำหรับการจัดการความเป็นด่างมีดังนี้

ประเด็นสำคัญของการจัดการ

การตรวจสอบเป็นประจำ: การตรวจสอบรายวันของอิทธิพล แต่ละขั้นตอนของกระบวนการ และความเป็นด่างของน้ำทิ้งและค่า pH และการวางแผนกราฟแนวโน้มความเป็นด่าง

การออกแบบอัตราส่วนกรดไหลย้อนที่ปรับให้เหมาะสม: ปรับอัตราส่วนกรดไหลย้อนของสุราไนตริฟิเคชั่นให้เหมาะสมโดยพิจารณาจากความเป็นด่างที่มีอิทธิพลและความเข้มข้นของแอมโมเนีย ไนโตรเจน เพื่อเพิ่มการใช้ความเป็นด่างของดีไนตริฟิเคชันให้เกิดประโยชน์สูงสุด

คาร์บอนควบคุม-อัตราส่วนไนโตรเจน: ตรวจสอบให้แน่ใจว่าแหล่งคาร์บอนเพียงพอในขั้นตอนการดีไนตริฟิเคชั่น เพื่อหลีกเลี่ยงการผลิตความเป็นด่างที่ลดลงเนื่องจากแหล่งคาร์บอนไม่เพียงพอ

การจ่ายสารเคมีที่แม่นยำ: สร้างแบบจำลองการจ่ายสารเคมีตามข้อมูลความเป็นด่างแบบเรียลไทม์- เพื่อหลีกเลี่ยงการใช้ยาเกินขนาดและของเสีย

ให้ความสนใจกับการเปลี่ยนแปลงตามฤดูกาล: กิจกรรมของแบคทีเรียไนตริไฟดิ้งจะลดลงเมื่ออุณหภูมิของน้ำลดลง สามารถรักษาความคงตัวของค่า pH ได้โดยการเพิ่มความเป็นด่างอย่างเหมาะสม

การเปลี่ยนแปลงความเป็นด่างเป็นตัวบ่งชี้คุณภาพน้ำแบบไดนามิกที่สำคัญในการบำบัดน้ำเสีย ด้วยการวิเคราะห์อย่างเป็นระบบถึงผลกระทบของปฏิกิริยาทางชีวเคมีที่สำคัญ 7 ประการต่อความเป็นด่าง-การลดซัลเฟต การดูดซึมฟอสฟอรัส การแยกไนตริฟิเคชัน และการย่อยสลายของสารอินทรีย์ที่ทำให้เกิดความเป็นด่าง ในขณะที่การทำให้เป็นกรดแบบไฮโดรไลซิส การปลดปล่อยฟอสฟอรัสแบบไม่ใช้ออกซิเจน และการทำให้เป็นไนตริฟิเคชั่นใช้ความเป็นด่าง- เราสามารถมองเห็นการไหลของความเป็นด่างได้อย่างชัดเจนตลอดขั้นตอนต่างๆ ของกระบวนการ

สิ่งที่น่าสังเกตเป็นพิเศษคือ "ความเป็นด่างที่ใกล้เคียง" ระหว่างไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชั่น: ดีไนตริฟิเคชั่นจะสร้างความเป็นด่าง 3.57 มก./ลิตร ทุกๆ 1 มก. ของ NO₃⁻-N ลดลง ในขณะที่ไนตริฟิเคชั่นใช้ความเป็นด่าง 7.14 มก./ลิตร สำหรับ NH₃⁻-N ทุกๆ 1 มก. ที่ถูกออกซิไดซ์ การทำความเข้าใจความสัมพันธ์เชิงปริมาณนี้เป็นพื้นฐานของการจัดการความเป็นด่างที่มีประสิทธิผล

ในทางปฏิบัติ ขอแนะนำให้ผู้ปฏิบัติงานด้านสิ่งแวดล้อมรวมการตรวจติดตามความเป็นด่างเข้ากับระบบการทดสอบคุณภาพน้ำตามปกติ สร้างบันทึกสมดุลความเป็นด่าง และปรับพารามิเตอร์การทำงานและกลยุทธ์การจ่ายสารรีเอเจนต์แบบไดนามิกตามคุณลักษณะของกระบวนการและการเปลี่ยนแปลงในคุณภาพน้ำที่มีอิทธิพล มีเพียงความเข้าใจอย่างถ่องแท้ถึงกฎหมายที่ควบคุมการเปลี่ยนแปลงความเป็นด่างเท่านั้นที่เราจะสามารถบรรลุการควบคุมระบบบำบัดน้ำเสียอย่างละเอียดและรับประกันคุณภาพน้ำทิ้งที่สูงอย่างต่อเนื่อง

ความเป็นด่างแม้จะดูไม่มีนัยสำคัญ แต่ก็มีผลกระทบอย่างลึกซึ้ง มันทำหน้าที่เหมือน "ผู้พิทักษ์ที่มองไม่เห็น" ในระบบบำบัดน้ำเสีย โดยรักษาสภาพแวดล้อมที่เป็นกรด-อย่างเงียบๆ ที่จำเป็นสำหรับการอยู่รอดของจุลินทรีย์ ให้เราเริ่มต้นตั้งแต่วันนี้เพื่อให้ความสำคัญกับความเป็นด่างมากขึ้น ซึ่งเป็นพารามิเตอร์คุณภาพน้ำที่ดูเหมือนธรรมดาแต่มีความสำคัญอย่างยิ่ง และมีส่วนช่วยสร้างระบบบำบัดน้ำเสียที่มีประสิทธิภาพ มีเสถียรภาพ และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้น