Esipuhe:
Biokemiallisten järjestelmien käyttöönoton parissa työskennelleet ovat saattaneet kohdata tämän ongelman: pH:n laskun anaerobisissa ja aerobisissa säiliöissä. On selvää, että tämä pH:n lasku johtuu ensisijaisesti raakaveden laadusta. Tietyt raakaveden aineet tuottavat happamia aineita tai kuluttavat alkalisuutta anaerobisten reaktioiden (kuten hydrolyysin ja happamoitumisen) tai aerobisten reaktioiden (kuten nitrifikaation) aikana, mikä johtaa pH:n laskuun.
Toisaalta tämä pH:n lasku on ennakoitavissa. Koska raakaveden laatu ymmärretään selkeästi, tämä pH:n lasku huomioidaan jo jätevedenkäsittelyprojektin suunnittelussa, ja emäksen annostelu asennetaan tyypillisesti. Työskentelin kerran jätevesiprojektissa valtatien palvelualueella, ja sain tietää, että tämän alueen jätevedet sisälsivät erittäin paljon ammoniakkityppeä ja kokonaistyppeä. Ammoniakkitypen nitrifikaatioprosessi kuluttaa väistämättä huomattavan määrän alkalisuutta, joten alkalin annostelulaite asennettiin valmiiksi. Tuolloin törmäsimme tilanteeseen, jossa emme lisänneet kemikaaleja ajoissa, joten emäksiset soodahiutaleet loppuivat. Tämän seurauksena pH putosi 7,5:stä 6,5:een ensimmäisenä päivänä ja 6,5:stä 5,5:een toisena päivänä. Tässä vaiheessa biokemiallinen järjestelmä olennaisesti romahti, tuottaen merkittävää vaahtoa ja ylittivät jätevesistandardit.
Toisaalta odottamattomat pH-pudotukset ovat yleisiä teollisuuspuistojen jätevedenpuhdistamoissa. Näiden puistojen asukkaat vaihtuvat jatkuvasti, ja niiden jätevedet ovat monipuolisia. Jätevedenpuhdistamot eivät huomioi tulevia asukkaita alkuperäisessä suunnittelussaan. Viime vuonna havaitsimme selittämättömän pH:n laskun aerobisessa säiliössä. Ensimmäinen askel oli tietysti vaikuttavien laadun tutkiminen. Havaitsimme, että raakavesi vaahtoi helposti säätösäiliöön tullessaan, mikä viittaa pinta-aktiivisten aineiden esiintymiseen. Raakaveden pH:n testauksen lisäksi oli tarpeen tehdä myös alkalisuustestaus.
Seuraavassa artikkelissa analysoidaan systemaattisesti pH:n laskun syitä anaerobisissa ja aerobisissa säiliöissä kolmesta näkökulmasta: reaktiomekanismi, mikrobien aineenvaihdunta ja ympäristötekijät.
I. pH-pudotuksen mekanismit anaerobisissa säiliöissä
1. Orgaanisen hapon kertyminen
Anaerobinen mädätys koostuu neljästä vaiheesta: hydrolyysistä, happamoinnista, etikkahapon tuotannosta ja metaanin tuotannosta. Happamoitumisvaiheen aikana fakultatiiviset bakteerit (kuten Clostridium) hajottavat makromolekyyliset orgaaniset aineet (hiilihydraatit ja proteiinit) haihtuviksi rasvahapoiksi (VFA, kuten etikkahappo ja propionihappo), alkoholeiksi ja CO₂. Jos järjestelmän kuormitus on liiallinen tai metanogeenin aktiivisuus estyy (esim. lämpötilan vaihtelut tai myrkylliset aineet), VFA:t eivät voi muuttua nopeasti CH₂:ksi ja CO₂:ksi, mikä johtaa happamien välituotteiden kerääntymiseen ja pH:n merkittävään laskuun (mahdollisesti alle 5,5:n).
2. Karbonaattipuskurijärjestelmän tuhoaminen
Jäteveden alkuperäinen HCO₃⁻/CO₂-puskuripari kulutetaan anaerobisissa olosuhteissa:
CO2 liukenee veteen muodostaen H2CO3:a, joka hajoaa H+:ksi ja HCO3⁻:ksi;
Metanogeenit käyttävät HCO3-hiilen lähteenä, mikä johtaa puskurointikapasiteetin laskuun.
Kun VFA-pitoisuudet ylittävät 2000 mg/L, järjestelmän alkaliteetin neutralointikyky ylittyy, mikä aiheuttaa pH:n jyrkän laskun.
Sulfidin muodostuminen;
Sulfaatti-pitoisessa jätevedessä (kuten lääketeollisuuden ja paperinvalmistuksen jätevesissä) sulfaattia-pelkistävät bakteerit (SRB) pelkistävät SO₄2⁻:n H2S:ksi kuluttaen alkalisuutta ja vapauttaen H⁺:tä.
Vaikka OH⁻:a syntyy paikallisesti, sen jälkeen kun H2S on yhdistynyt metalli-ionien, kuten Fe2+:n kanssa vedessä, OH⁻ ei riitä kompensoimaan VFA:iden happamuutta.
II. Aiheuttajat pH:n laskuun aerobisissa tankeissa
1. Vahva happamoittaminen nitrifikaatiosta
Nitrosoivat bakteerit (kuten Nitrosomonas) ja nitrifioivat bakteerit (kuten Nitrobacter) hapettavat ammoniakkitypen (NH4+) NO3⁻:ksi. Jokaista hapetettua NH₄⁺-N-mg:a kohden kuluu 7,14 mg alkalisuutta (mitattuna CaCO3:na) ja vapautuu 2 H⁺-yksikköä.
Korkean -ammoniakityppipitoisen jäteveden (kuten vesiviljelyjätevesien) pH voi laskea 1,5–2,0 yksikköä nitrifikaation aikana.
2. Heterotrofisten bakteerien hapon tuotanto
Kun heterotrofiset bakteerit aerobisissa säiliöissä hajottavat jäännösorgaanista ainesta, jos liuennut happea (DO) ei ole riittävästi (<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:n liukenemistasapaino
Mikrobihengityksen tuottama CO₂ liukenee veteen muodostaen H2CO3:a. Kun ilmastuksen intensiteetti on riittämätön, C02:ta ei voida poistaa tehokkaasti, mikä johtaa H+-pitoisuuden kasvuun nestefaasissa.
III. Synergistiset vaikutukset ja hallintasuositukset
1. Anaerobisen-aerobisen järjestelmän kytkennän vaikutukset
Anaerobisen säiliön jäteveden VFA:t menevät suoraan aerobiseen säiliöön, mikä lisää happamoitumiskuormitusta.
Kun nitrifikoitu liuos palautetaan anaerobiseen säiliöön, NO3⁻-denitrifikaatio kuluttaa orgaanista ainetta, mutta tuottaa alkalisuutta (pH nousee 0,3-0,5). Siksi kierrätyssuhde on optimoitava (tyypillisesti 30-70 %).
2. Valvontastrategia
Anaerobinen säiliö: Lisää NaHCO₃ (100-500 mg/L) emäksisuuden ylläpitämiseksi; kontrolli orgaaninen kuorma (COD < 5000 mg/l); tarkkaile ORP:tä (-300-100 mV) liiallisen happamoitumisen välttämiseksi.
Aerobinen säiliö: Säilytä DO > 2 mg/L; käytä vaiheittaista veden sisäänvirtausta VFA:iden laimentamiseen; ja lisää kalkkia (Ca(OH)2) nitrifioivan hapon neutraloimiseksi.