MBBR บรรลุกระบวนการไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชันพร้อมกันได้อย่างไร

ตามทฤษฎีการดีไนตริฟิเคชันทางชีวภาพแบบดั้งเดิม โดยทั่วไปวิถีการดีไนตริฟิเคชันประกอบด้วยสองขั้นตอน: ไนตริฟิเคชั่น และ การดีไนตริฟิเคชั่น - กระบวนการไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชันทั้งสองกระบวนการจะต้องดำเนินการในเครื่องปฏิกรณ์แบบแยกสองเครื่อง หรือในเครื่องปฏิกรณ์เดียวกันกับสภาพแวดล้อมที่เป็นพิษและแอโรบิกสลับกันในเวลาหรืออวกาศ ในความเป็นจริง ในช่วงก่อนหน้านี้ ในกระบวนการตะกอนเร่งบางกระบวนการที่ไม่มีขั้นตอนของออกซิเจนและไร้ออกซิเจนที่ชัดเจน ผู้คนได้สังเกตเห็นปรากฏการณ์ของการสูญเสียไนโตรเจนที่ไม่ดูดซึมซ้ำแล้วซ้ำเล่า และการหายตัวไปของไนโตรเจนก็ถูกสังเกตหลายครั้งในระบบเติมอากาศด้วย ในระบบบำบัดเหล่านี้ ปฏิกิริยาไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชันมักเกิดขึ้นภายใต้สภาวะการบำบัดเดียวกันและในพื้นที่การบำบัดเดียวกัน ดังนั้นปรากฏการณ์เหล่านี้จึงเรียกว่าไนตริฟิเคชัน/ดีไนตริฟิเคชั่นพร้อมกัน (SND)

一: การทำให้ไนตริฟิเคชั่นและดีไนตริฟิเคชันของ เอ็มบีบีอาร์ เกิดขึ้นพร้อมกันได้อย่างไร

1. แนวคิดของการไนตริฟิเคชั่นพร้อมกันและดีไนตริฟิเคชันทางชีวภาพ (SND)

เทคโนโลยีไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชั่นแบบซิงโครนัส (SND) คือการสร้างปฏิกิริยาไนตริฟิเคชั่น ดีไนตริฟิเคชั่น และการกำจัดคาร์บอนในเครื่องปฏิกรณ์เดียวกันในเวลาเดียวกัน มันทำลายมุมมองดั้งเดิมที่ว่าไนตริฟิเคชั่นและดีไนตริฟิเคชั่นไม่สามารถเกิดขึ้นได้ในเวลาเดียวกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้สภาวะแอโรบิก ดีไนตริฟิเคชันก็สามารถเกิดขึ้นได้เช่นกัน ทำให้ไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชั่นพร้อมกันเป็นไปได้

ไนตริฟิเคชั่นใช้ความเป็นด่าง และดีไนตริฟิเคชันทำให้เกิดความเป็นด่าง ดังนั้น SND จึงสามารถรักษาค่า pH ในเครื่องปฏิกรณ์ให้เสถียรได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยไม่ต้องทำให้กรดเบสเป็นกลางและแหล่งคาร์บอนภายนอก ประหยัดปริมาตรของเครื่องปฏิกรณ์ ลดเวลาปฏิกิริยา และลดการลอยตัวของตะกอนในถังตกตะกอนทุติยภูมิโดยการลดความเข้มข้นของไนเตรตไนโตรเจน ดังนั้น SND จึงกลายเป็นจุดศูนย์กลางการวิจัยสำหรับการดีไนตริฟิเคชั่นทางชีวภาพ เกี่ยวกับความเป็นไปได้ของการแยกไนตริฟิเคชั่นทางชีวภาพของ SND ปัจจุบันมีมุมมองหลักสามประการจากมุมมองที่แตกต่างกัน:

มุมมองด้านสิ่งแวดล้อมมหภาค: มุมมองนี้เชื่อว่าไม่มีสถานะการผสมที่สม่ำเสมอโดยสมบูรณ์ และการกระจาย DO ที่ไม่สม่ำเสมอในเครื่องปฏิกรณ์สามารถสร้างพื้นที่ที่ใช้ออกซิเจน ออกซิเจน และไร้ออกซิเจนได้ การแยกไนตริฟิเคชันสามารถเกิดขึ้นได้ภายใต้สภาวะที่ไม่เป็นพิษ/ไร้ออกซิเจนในถังปฏิกรณ์ชีวภาพเดียวกัน SND สามารถทำได้โดยการรวมการกำจัดอินทรียวัตถุเข้ากับแอมโมเนีย ไนโตรเจนไนตริฟิเคชันในสภาพแวดล้อมแบบแอโรบิกของส่วนนี้

มุมมองสภาพแวดล้อมจุลภาค: มุมมองนี้ถือว่าสภาพแวดล้อมจุลภาคที่ไม่เป็นพิษในก้อนจุลินทรีย์เป็นสาเหตุหลักของ SND นั่นคือเนื่องจากข้อจำกัดในการแพร่กระจาย (การถ่ายโอน) ของออกซิเจน มีการไล่ระดับออกซิเจนที่ละลายในก้อนจุลินทรีย์ ดังนั้น จึงก่อให้เกิดสภาพแวดล้อมจุลภาค ที่เอื้อต่อการเกิดไนตริฟิเคชั่นและดีไนตริฟิเคชันพร้อมกัน

มุมมองทางชีวภาพ: มุมมองนี้ถือว่าการมีอยู่ของประชากรจุลินทรีย์ชนิดพิเศษถือเป็นสาเหตุหลักของ SND แบคทีเรียไนตริไฟริ่งบางชนิดสามารถทำการดีไนตริฟิเคชันได้นอกเหนือจากไนตริฟิเคชั่นปกติ นักวิชาการชาวดัตช์ได้แยก cocci ซัลเฟอร์ pantotrophic ที่สามารถทำได้ทั้งแบบแอโรบิกไนตริฟิเคชั่นและแอโรบิกดีไนตริฟิเคชั่น แบคทีเรียบางชนิดร่วมมือกันทำปฏิกิริยาตามลำดับเพื่อเปลี่ยนแอมโมเนียให้เป็นก๊าซไนโตรเจน ซึ่งทำให้สามารถทำการดีไนตริฟิเคชันทางชีวภาพในเครื่องปฏิกรณ์เดียวกันภายใต้สภาวะเดียวกันได้

ปัจจุบันมีการศึกษาทางจุลชีววิทยาและคำอธิบายเกี่ยวกับการดีไนตริฟิเคชันทางชีวภาพมากมาย แต่ยังไม่สมบูรณ์ และความเข้าใจในปรากฏการณ์ SND ยังอยู่ระหว่างการพัฒนาและสำรวจ ทฤษฎีสภาพแวดล้อมจุลภาคเป็นที่ยอมรับกันโดยทั่วไป เนื่องจากการมีอยู่ของไล่ระดับออกซิเจนละลายน้ำ ความเข้มข้นของออกซิเจนละลายบนพื้นผิวด้านนอกของฟล็อคจุลินทรีย์หรือแผ่นชีวะจึงสูง โดยส่วนใหญ่เป็นแบคทีเรียไนตริไฟอิงแบบแอโรบิกและแบคทีเรียแอมโมนิฟายอิงค์ ส่วนลึกภายใน การถ่ายโอนออกซิเจนจะถูกปิดกั้น และออกซิเจนที่ละลายจากภายนอกจำนวนมากถูกใช้ไป ส่งผลให้เกิดโซนที่เป็นพิษ โดยที่แบคทีเรียที่กำจัดไนตริฟิเคชั่นเป็นสายพันธุ์หลัก ซึ่งสามารถนำไปสู่การเกิดไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชั่นพร้อมกันได้ ทฤษฎีนี้อธิบายปัญหาของการอยู่ร่วมกันของสายพันธุ์ต่างๆ ในเครื่องปฏิกรณ์เดียวกัน แต่ก็มีข้อบกพร่องเช่นกัน กล่าวคือ ปัญหาแหล่งคาร์บอนอินทรีย์ แหล่งที่มาของคาร์บอนอินทรีย์เป็นทั้งผู้บริจาคอิเล็กตรอนสำหรับการแยกสารเฮเทอโรโทรฟิคและสารยับยั้งกระบวนการไนตริฟิเคชัน เมื่อแหล่งคาร์บอนอินทรีย์ในน้ำเสียผ่านชั้นแอโรบิก แหล่งนั้นจะถูกออกซิไดซ์ครั้งแรกโดยแอโรบิกออกซิเดชัน แบคทีเรียดีไนตริฟิเคชั่นในเขตแอนซิกไม่สามารถรับผู้บริจาคอิเล็กตรอนได้ ซึ่งจะช่วยลดอัตราการดีไนตริฟิเคชันและอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพการแยกไนตริฟิเคชันของ SND ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการปรับปรุงกลไกของไนตริฟิเคชั่นและดีไนตริฟิเคชันพร้อมกันต่อไป

2. กลไกไนตริฟิเคชั่นแบบซิงโครนัสและดีไนตริฟิเคชั่นแบบเคลื่อนย้ายทางชีวภาพของ MBBR

MBBR เป็นเครื่องปฏิกรณ์ที่มีประสิทธิภาพรูปแบบใหม่ซึ่งผสมผสานวิธีตะกอนเร่งการเจริญเติบโตแบบแขวนลอยเข้ากับวิธีไบโอฟิล์มการเจริญเติบโตแบบติดกัน หลักการออกแบบขั้นพื้นฐานคือการเติมสารแขวนลอยโดยตรงโดยมีความถ่วงจำเพาะใกล้กับน้ำ และสามารถแขวนลอยในน้ำลงในถังปฏิกิริยาเพื่อเป็นพาหะของจุลินทรีย์ ฟิลเลอร์แขวนลอยสามารถสัมผัสกับสิ่งปฏิกูลได้บ่อยครั้งและหลายครั้ง และค่อยๆ สร้างไบโอฟิล์ม (ฟิล์ม) บนพื้นผิวของฟิลเลอร์ ซึ่งช่วยเพิ่มผลการถ่ายโอนมวลของสารมลพิษ ออกซิเจนที่ละลายน้ำ และไบโอฟิล์ม ซึ่งก็คือ MBBR เรียกว่า "ฟิล์มชีวภาพเคลื่อนที่" ". จากการวิจัยเกี่ยวกับกลไก SND จนถึงตอนนี้ เมื่อรวมกับสภาพแวดล้อมจุลภาคและทฤษฎีทางชีววิทยา โหมดปฏิกิริยาที่เป็นไปได้ของ SND ในฟิล์มชีวะ MBBR คือแบคทีเรียออกซิไดซ์แอมโมเนียแบบแอโรบิก แบคทีเรียออกซิไดซ์ไนไตรท์ และแบคทีเรียที่แยกออกซิเจนแบบแอโรบิกที่กระจายอยู่ในชั้นแอโรบิกของฟิล์มชีวะร่วมมือกับ แบคทีเรียออกซิไดซ์แอมโมเนียแบบไม่ใช้ออกซิเจน, แบคทีเรียไนไตรท์ autotrophic และแบคทีเรีย denitrifying กระจายอยู่ในชั้น anoxic ทางชีวภาพและในที่สุดก็บรรลุวัตถุประสงค์ของ denitrification

MBBR อาศัยการเติมอากาศและการไหลของน้ำในถังเติมอากาศเพื่อทำให้ตัวพาอยู่ในสถานะฟลูอิไดซ์ ซึ่งทำให้เกิดตะกอนกัมมันต์แขวนลอยและแผ่นชีวะที่เกาะติด ทำให้เกิดประโยชน์อย่างเต็มที่กับสิ่งมีชีวิตทั้งในระยะที่เกาะติดและแขวนลอย ไม่เพียงแต่ให้การมองเห็นในระดับมหภาคและจุลทรรศน์เท่านั้น สภาพแวดล้อมแบบแอโรบิกและแบบไม่ใช้ออกซิเจน แต่ยังช่วยแก้ไขข้อโต้แย้ง DO และแหล่งคาร์บอนระหว่างไนตริไฟเออร์ออโตโทรฟิค, ดีไนตริฟายเออร์เฮเทอโรโทรฟิค และแบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิค ดังนั้น MBBR จึงสามารถบรรลุสมดุลจลน์ของกระบวนการไนตริฟิเคชั่นและดีไนตริฟิเคชันทั้งสองกระบวนการ มีสภาวะที่ดีมากสำหรับไนตริฟิเคชั่นและดีไนตริฟิเคชั่นพร้อมกัน และสามารถบรรลุไนตริฟิเคชั่น ดีไนตริฟิเคชั่น และดีไนตริฟิเคชันพร้อมกันของ MBBR

二. ปัจจัยที่ส่งผลต่อการเกิดไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชันพร้อมกันของ MBBR

เทคโนโลยีสำคัญในการบรรลุการเกิดไนตริฟิเคชั่นและดีไนตริฟิเคชั่นพร้อมกันของ MBBR คือการควบคุมสมดุลจลน์ของปฏิกิริยาของไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชันใน MBBR แก้ปัญหาข้อพิพาท DO ระหว่างไนตริฟิเคชั่นแบบออโตโทรฟิคและแบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิค และข้อพิพาทเกี่ยวกับแหล่งคาร์บอนระหว่างดีไนตริไฟเออร์และแบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิค ฯลฯ ดังนั้น ปัจจัยควบคุมหลักได้แก่ อัตราส่วนคาร์บอน-ไนโตรเจน ความเข้มข้นของออกซิเจนละลายน้ำ อุณหภูมิและ pH เป็นต้น

1. อิทธิพลของฟิลเลอร์ต่อวิธี MBBR

กุญแจทางเทคนิคของวิธี MBBR อยู่ที่ตัวเติมทางชีวภาพซึ่งมีแรงโน้มถ่วงจำเพาะใกล้เคียงกับน้ำ และง่ายต่อการเคลื่อนย้ายอย่างอิสระด้วยน้ำภายใต้การกวนเล็กน้อย โดยปกติแล้วฟิลเลอร์จะทำจากพลาสติกโพลีเอทิลีน รูปร่างของพาหะแต่ละอันเป็นทรงกระบอกเล็กเส้นผ่านศูนย์กลาง 10 มม. และสูง 8 มม. มีการรองรับแบบกากบาทในกระบอกสูบและครีบแนวตั้งที่ยื่นออกมาบนผนังด้านนอก ส่วนที่กลวงของฟิลเลอร์คิดเป็น 0.95 ของปริมาตรทั้งหมด นั่นคือในภาชนะที่เต็มไปด้วยน้ำและฟิลเลอร์ ปริมาณน้ำในฟิลเลอร์แต่ละตัวคือ 95% เมื่อคำนึงถึงการหมุนของฟิลเลอร์และปริมาตรภาชนะทั้งหมด อัตราการบรรจุของฟิลเลอร์จะกำหนดเป็นสัดส่วนของพื้นที่ที่ผู้ขนส่งครอบครอง เพื่อให้ได้ผลการผสมที่ดีที่สุด อัตราส่วนการบรรจุสูงสุดของฟิลเลอร์คือ 0.7 ตามทฤษฎีแล้ว พื้นที่ผิวจำเพาะทั้งหมดของฟิลเลอร์ถูกกำหนดตามจำนวนพื้นที่ผิวจำเพาะของตัวพาทางชีวภาพต่อหน่วยปริมาตร ซึ่งโดยทั่วไปคือ 700 ตร.ม./ลบ.ม. เมื่อแผ่นชีวะเติบโตภายในตัวพา พื้นที่ผิวจำเพาะที่มีประสิทธิผลจริงจะอยู่ที่ประมาณ 500 ตร.ม./ลบ.ม.

สารตัวเติมทางชีวภาพชนิดนี้เอื้อต่อการเกาะติดและการเจริญเติบโตของจุลินทรีย์ที่อยู่ด้านในของสารตัวเติม ทำให้เกิดฟิล์มชีวะที่ค่อนข้างเสถียร และง่ายต่อการสร้างสถานะฟลูอิไดซ์ เมื่อข้อกำหนดในการบำบัดเบื้องต้นต่ำหรือน้ำเสียมีเส้นใยจำนวนมาก เช่น เมื่อไม่ได้ใช้ถังตกตะกอนหลักในการบำบัดน้ำเสียของเทศบาล หรือเมื่อบำบัดน้ำเสียจากการผลิตกระดาษที่มีเส้นใยจำนวนมาก สารตัวเติมทางชีวภาพที่มีพื้นผิวจำเพาะที่เล็กกว่า และใช้ขนาดที่ใหญ่ขึ้น เมื่อมีการปรับสภาพที่ดีหรือใช้สำหรับไนตริฟิเคชัน จะใช้สารตัวเติมทางชีวภาพที่มีพื้นที่ผิวจำเพาะขนาดใหญ่

2. ผลของออกซิเจนละลายน้ำ (DO) ต่อวิธี MBBR

ความเข้มข้นของ DO เป็นปัจจัยจำกัดที่สำคัญที่ส่งผลต่อการเกิดไนตริฟิเคชั่นและดีไนตริฟิเคชันพร้อมกัน - ด้วยการควบคุมความเข้มข้นของ DO โซนแอโรบิกหรือโซนแอนซิกสามารถเกิดขึ้นได้ในส่วนต่างๆ ของฟิล์มชีวะ จึงมีสภาวะทางกายภาพเพื่อให้เกิดไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชั่นพร้อมกัน

ตามทฤษฎี เมื่อความเข้มข้นของ DO สูงเกินไป DO สามารถทะลุเข้าไปในแผ่นชีวะ ทำให้ยากต่อการสร้างโซนที่เป็นพิษภายใน และแอมโมเนียไนโตรเจนจำนวนมากจะถูกออกซิไดซ์เป็นไนเตรตและไนไตรท์ เพื่อให้ TN ของเสียยังคงสูงมาก ในทางตรงกันข้าม หากความเข้มข้นของ DO ต่ำมาก มันจะทำให้เกิดโซนแอนแอโรบิกเป็นสัดส่วนขนาดใหญ่ภายในแผ่นชีวะ และความสามารถในการแยกไนตริฟิเคชั่นของแผ่นชีวะจะเพิ่มขึ้น (ความเข้มข้นของไนเตรตและไนไตรท์ในน้ำทิ้งต่ำมาก) แต่เนื่องจากการจ่าย DO ไม่เพียงพอ ผลของไนตริฟิเคชันของกระบวนการ MBBR จะลดลง ทำให้ความเข้มข้นของแอมโมเนียไนโตรเจนของน้ำทิ้งเพิ่มขึ้น ส่งผลให้ TN ของเสียเพิ่มขึ้น ซึ่งส่งผลต่อผลการบำบัดขั้นสุดท้าย

จากการวิจัย ในที่สุดก็ได้ค่า DO ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการบำบัด MBBR สำหรับน้ำเสียในครัวเรือนในเมือง: เมื่อความเข้มข้นของ DO สูงกว่า 2 มก./ลิตร DO มีผลเพียงเล็กน้อยต่อผลกระทบของไนตริฟิเคชันของ MBBR อัตราการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนสามารถเข้าถึง 97% -99% และไนโตรเจนแอมโมเนียที่ปล่อยออกมาสามารถเก็บไว้ต่ำกว่า 1.0 มก./ล. เมื่อความเข้มข้นของ DO อยู่ที่ประมาณ 1.0 มก./ลิตร อัตราการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนจะอยู่ที่ประมาณ 84% และความเข้มข้นของไนโตรเจนแอมโมเนียที่ปล่อยออกมาเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ นอกจากนี้ค่า DO ในถังเติมอากาศไม่ควรสูงเกินไป ออกซิเจนละลายน้ำที่สูงเกินไปอาจทำให้สารมลพิษอินทรีย์สลายตัวเร็วเกินไป ส่งผลให้ขาดสารอาหารสำหรับจุลินทรีย์ และตะกอนเร่งมีแนวโน้มที่จะเสื่อมสภาพและโครงสร้างหลวม นอกจากนี้ DO ที่สูงเกินไปจะใช้พลังงานมากเกินไป ซึ่งไม่เหมาะสมในเชิงเศรษฐกิจด้วย