เหตุใดเทคโนโลยีการกำจัดไนโตรเจนทางชีวภาพของ Anammox จึงยากที่จะส่งเสริมอย่างกว้างขวางในโรงบำบัดน้ำเสีย

คำนำ: บทความนี้กล่าวถึง "กระบวนการกำจัดไนโตรเจนทางชีวภาพของ Anammox" กระบวนการกำจัดไนโตรเจนทางชีวภาพนี้ถูกนำมาใช้จริงในโรงบำบัดน้ำเสียมาตั้งแต่ปี 2545 แต่อัตราการนำไปใช้นั้นต่ำมาก เป็นเรื่องยากที่จะหาโรงบำบัดน้ำเสียหลายแห่งในประเทศจีนที่ใช้เทคโนโลยีนี้ จากหลักการนี้ เราจะเห็นได้ว่าเมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการไนตริฟิเคชั่นและดีไนตริฟิเคชั่นแบบดั้งเดิม มันมีข้อดีที่สำคัญสองประการ: ใช้พลังงานต่ำ (ไม่จำเป็นต้องเติมอากาศขนาดใหญ่-) และไม่ต้องการแหล่งคาร์บอน (จุลินทรีย์ออโตโทรฟิค) การใช้กระบวนการนี้สามารถลดต้นทุนการดำเนินงานกำจัดไนโตรเจนได้อย่างมาก

คำจำกัดความ: เทคโนโลยี Anammox ได้รับการยกย่องว่าเป็นความก้าวหน้าครั้งใหม่ในการบำบัดน้ำเสียทางชีวภาพเมื่อต้นศตวรรษที่ 21 ใช้แบคทีเรียออโตโทรฟิคชนิดพิเศษ-แบคทีเรียออกซิไดซ์แอมโมเนียแบบไม่ใช้ออกซิเจน-เพื่อแปลงแอมโมเนียไนโตรเจน (NH₄⁺) และไนไตรท์ (NO₂⁻) เป็นก๊าซไนโตรเจน (N₂) โดยตรงภายใต้สภาวะที่จำกัดแบบไร้ออกซิเจนหรือออกซิเจน- ทำให้สามารถกำจัดไนโตรเจนได้อย่างมีประสิทธิภาพสูง กระบวนการนี้จะล้มล้างกระบวนการไนตริฟิเคชัน-แบบเดิม ซึ่งต้องใช้ออกซิเจนและแหล่งคาร์บอนอินทรีย์จำนวนมาก

หลักการสำคัญ:

ปฏิกิริยาเคมีหลัก: NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂ + 2H₂O แบคทีเรียออกซิไดซ์แอมโมเนียแบบไม่ใช้ออกซิเจนจะ "เชื่อมต่อ" แอมโมเนียและไนไตรท์โดยตรงเพื่อสร้างก๊าซไนโตรเจนที่ไม่เป็นอันตราย โดยไม่จำเป็นต้องออกซิไดซ์ไนโตรเจนแอมโมเนียจนกลายเป็นไนเตรตแล้วลดขนาดลง

การตรึงคาร์บอนในระดับเซลล์: ชุมชนแบคทีเรียนี้ใช้คาร์บอนอนินทรีย์ (เช่น CO₂/HCO₃⁻) เป็นแหล่งคาร์บอน ซึ่งเติบโตผ่านการเติบโตของเคมีบำบัด ซึ่งช่วยลดการใช้แหล่งคาร์บอนอินทรีย์ลงอย่างมาก

การประหยัดพลังงานอย่างมีนัยสำคัญ: เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการแบบเดิม ตามทฤษฎีแล้ว สามารถประหยัดพลังงานการเติมอากาศได้ประมาณ 60% (ไม่จำเป็นต้องใช้ไนตริฟิเคชันอย่างสมบูรณ์) แหล่งคาร์บอนอินทรีย์ได้ 100% (ไม่จำเป็นต้องดีไนตริฟิเคชัน) และลดการผลิตตะกอนส่วนเกินได้สูงสุดถึง 90%

สภาวะการควบคุมปฏิกิริยา:

การจ่ายไนไตรต์ที่แม่นยำ: ส่วนหนึ่งของแอมโมเนียไนโตรเจนจะต้องถูกออกซิไดซ์อย่างแม่นยำให้เป็นไนไตรท์ (ไนตริฟิเคชันแบบตัด-) เพื่อรักษาความเข้มข้น NO₂⁻ ที่เสถียร (โดยทั่วไป<30 mg/L). Excessive levels will inhibit bacterial activity, while insufficient levels will result in inadequate reaction.

การควบคุมออกซิเจนละลายน้ำ (DO) ที่แม่นยำ: สภาพแวดล้อมจุลภาคที่ไม่เป็นพิษ/ไร้ออกซิเจนเฉพาะจุด (DO < 0.5 มก./ลิตร) จำเป็นต้องสร้างขึ้นภายในเครื่องปฏิกรณ์เพื่อให้มีพื้นที่อยู่อาศัยสำหรับแบคทีเรีย Anammox ขณะเดียวกันก็รับประกันการอยู่รอดของแบคทีเรียแอมโมเนีย-ที่ออกซิไดซ์โดยการให้ NO₂⁻

ข้อกำหนดด้านอุณหภูมิ: อุณหภูมิที่เหมาะสมที่สุด 30-40 องศา อุณหภูมิต่ำ (<15°C) will significantly reduce bacterial activity and increase operational difficulty.

ข้อกำหนดด้านคุณภาพน้ำ: ไวต่อสารพิษ (เช่น โลหะหนัก อินทรียวัตถุ และซัลไฟด์) โดยมีปริมาณของแข็งแขวนลอยต่ำ (SS)

ความท้าทายในการดำเนินกระบวนการ:

เริ่มต้นช้ามาก-: แบคทีเรีย Anammox มีเวลาในการสร้างนาน (10-14 วัน) และเพิ่มเป็นสองเท่าช้า (ประมาณ 11 วัน) โดยทั่วไปจะต้องใช้เวลา 3-12 เดือนหรือนานกว่านั้นในการสตาร์ทเครื่องปฏิกรณ์

การเก็บรักษาตะกอนที่ยากลำบาก: การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์แบบพิเศษ (เช่น ระบบตะกอนแบบเม็ดหรือระบบฟิล์มชีวภาพ) จำเป็นต่อการรักษาแบคทีเรีย Anammox ที่เติบโตช้า-ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การเชื่อมต่อกระบวนการที่ซับซ้อน: บรรลุผลไนตริฟิเคชันแบบ-ในระยะสั้นได้อย่างเสถียร (โดยให้ NO₂⁻) และควบคู่กับปฏิกิริยา Anammox อย่างมีประสิทธิภาพ (เช่น กระบวนการ-ขั้นตอนเดียวหรือสอง-ขั้นตอน) ถือเป็นความท้าทายที่สำคัญในการควบคุมทางวิศวกรรม

ความต้านทานต่อแรงกระแทกที่อ่อนแอ: ความทนทานต่ำต่อความผันผวนของคุณภาพน้ำ ปริมาณ และอุณหภูมิที่มีอิทธิพล ทำให้การบำรุงรักษาเสถียรภาพในการทำงานทำได้ยาก

**โรงบำบัดน้ำเสีย Dokhaven เมืองรอตเตอร์ดัม เนเธอร์แลนด์ (การใช้งานเต็มรูปแบบ-ขนาดเต็มแห่งแรกของโลก - 2002):** ใช้ SHARON® (การทำไนตริฟิเคชั่นแบบตัดสั้น-) + กระบวนการ Anammox® เพื่อบำบัดการย่อยสลายของตะกอน ประสบความสำเร็จในการดำเนินงานมาเป็นเวลาหลายปี ซึ่งถือเป็นก้าวสำคัญในด้านวิศวกรรมเทคโนโลยี

**โรงบำบัดน้ำเสีย Strass ออสเตรีย:** หนึ่งในโรงบำบัดน้ำเสียแบบพอเพียงที่ใช้พลังงาน-ด้วยตนเอง{1}}มากที่สุดในโลก กระบวนการ-ไหลด้านข้าง DEMON® (อิงตาม Anammox) บำบัดการย่อยสลาย ซึ่งช่วยลดการใช้พลังงานได้อย่างมาก และช่วยให้โรงงานบรรลุพลังงานได้ด้วยตนเองมากกว่า 100%-

**โรงบำบัดน้ำชางงี ประเทศสิงคโปร์:** การประยุกต์ใช้เทคโนโลยี Anammox (กระบวนการ DEMON) ขนาดใหญ่-ในการบำบัดแบบไหลด้านข้าง-เพื่อบำบัดการย่อยตะกอน ปรับปรุงประสิทธิภาพการบำบัดและความยั่งยืน

**โรงงานบำบัดน้ำเสีย Gaobeidian ปักกิ่ง ประเทศจีน:** โรงบำบัดน้ำเสียขนาดใหญ่-แห่งแรกๆ ของจีนที่แนะนำและประสบความสำเร็จในการดำเนินการ-เทคโนโลยี Anammox แบบไหลด้านข้าง (กระบวนการ DEMON) สำหรับการบำบัดการย่อยสลายตะกอน

โรงงานผลิตน้ำรีไซเคิล Huai Fang ในกรุงปักกิ่ง ประเทศจีน ใช้กระบวนการ Anammox ที่ใช้ MBBR เพื่อบำบัดของเหลวในการย่อยตะกอนหลังจากการไฮโดรไลซิสด้วยความร้อน

แม้จะมีข้อได้เปรียบที่สำคัญ แต่การใช้งานจริงของการเกิดออกซิเดชันแอมโมเนียแบบไม่ใช้ออกซิเจน (ANAO) ยังคงต่ำ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการบำบัดน้ำเสียชุมชนกระแสหลัก สาเหตุหลักมีดังนี้:

1. เกณฑ์ทางเทคนิคระดับสูงและการควบคุมที่ซับซ้อน: มีความไวต่อความผันผวนของคุณภาพน้ำ และต้องการความแม่นยำสูงมากในการควบคุมพารามิเตอร์ เช่น ออกซิเจนละลายน้ำ ความเข้มข้นของไนไตรท์ และอุณหภูมิ ซึ่งเกินกว่ากระบวนการแบบเดิมๆ มาก การดำเนินงานและการบำรุงรักษาต้องใช้บุคลากรด้านเทคนิคที่มีทักษะสูง

2. เริ่มต้นช้า-และมีการลงทุนสูง: ระยะเวลาเริ่มต้น-ที่ยาวนาน (หลายเดือนหรือนานกว่าหนึ่งปี) จะเพิ่มต้นทุนและความเสี่ยงของโครงการเริ่มแรก เครื่องปฏิกรณ์พิเศษที่จำเป็นสำหรับการเพิ่มคุณค่าของจุลินทรีย์และการเก็บรักษาตะกอน (เช่น ตะกอนที่เป็นเม็ดและ MBBR) มีต้นทุนการลงทุนเริ่มแรกสูง

3. ขาดการออกแบบและประสบการณ์การดำเนินงานที่เกี่ยวข้อง: เมื่อเทียบกับกระบวนการตะกอนเร่งแบบเก่า-ที่มีอายุร่วมศตวรรษ เทคโนโลยี ANAO ถูกนำมาใช้ในงานวิศวกรรมจริงมาประมาณ 20 ปีเท่านั้น ข้อกำหนดการออกแบบ คู่มือการใช้งาน และฐานข้อมูลประสบการณ์การแก้ไขปัญหายังห่างไกลจากความสมบูรณ์

4. ความยากในการควบคุมสภาพแวดล้อมของจุลินทรีย์: น้ำเสียชุมชนมีอุณหภูมิต่ำ (โดยเฉพาะในฤดูหนาว) ความเข้มข้นของไนโตรเจนแอมโมเนียต่ำ องค์ประกอบของน้ำที่ซับซ้อน (COD, SS, สารยับยั้ง) และอัตราการไหลผันผวนอย่างมาก คุณลักษณะเหล่านี้เบี่ยงเบนไปจากสภาวะการเจริญเติบโตที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแบคทีเรีย Anammox อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งทำให้การทำงานที่มั่นคงทำได้ยาก

5. การพึ่งพาและไว้วางใจในกระบวนการดีไนตริฟิเคชันแบบดั้งเดิม: กระบวนการไนตริฟิเคชั่นแบบดั้งเดิม-มีความสมบูรณ์ เชื่อถือได้ ใช้งานง่าย มีความทนทานต่อแรงกระแทกสูง มีประสบการณ์ด้านการออกแบบและการดำเนินงานที่กว้างขวาง และได้รับการสนับสนุนจากกรณีศึกษาที่ประสบความสำเร็จมากมาย ซึ่งทำให้เกิดแรงเฉื่อยในการสนับสนุนที่แข็งแกร่ง ท้ายที่สุดแล้ว มีเพียงไม่กี่คนที่พิจารณาละทิ้งกระบวนการที่ครบกำหนดสำหรับกระบวนการใหม่ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพิจารณาถึงความเสี่ยงในการลงทุนที่สำคัญที่เกี่ยวข้อง