Skilningur á basa í einni grein

Inngangur: Basískleiki er lykilvísir um stuðpúðagetu vatnshlots, sem hefur bein áhrif á virkni og meðferðarskilvirkni örvera í skólphreinsikerfi. Þessi grein lýsir kerfisbundið helstu lífefnafræðilegu viðbrögðin sem taka þátt í myndun og neyslu basa, og nær yfir sjö lykilþrep: súlfatminnkun, fosfórupptöku, denitrification, niðurbrot lífrænna efna, vatnsrofssýringu, loftfirrt fosfórlosun og nitrification. Þetta hjálpar fagfólki í umhverfismálum að skilja innri lögmálin sem stjórna basískum breytingum, sem veitir vísindalegan grundvöll fyrir daglegan rekstur og ferlistýringu.

Alkalínleiki vísar til getu vatns til að hlutleysa sýrur, venjulega gefið upp sem kalsíumkarbónat (CaCO₃), með einingum af mg/L. Það endurspeglar heildarmagn allra efna í vatni sem geta hlutleyst sterkar sýrur, aðallega þar með talið basísk efni eins og bíkarbónat (HCO₃⁻), karbónat (CO₃²⁻) og hýdroxíð (OH⁻). Í skólphreinsun er basastig ómissandi vatnsgæðabreyta, sem hefur bein áhrif á eðlilega starfsemi líffræðilegra meðhöndlunarkerfa.

Flest skólphreinsunarferlar byggja á efnaskiptavirkni örvera, sem gera tiltölulega strangar kröfur um pH gildi umhverfisins. Almennt þrífast nítrunargerlar á pH-bilinu 7,2–8,0, á meðan fjölfosfat-söfnunarbakteríur hafa ákjósanlegt pH-gildi fyrir losun fosfórs sem er um 7,0. Þegar basastig kerfisins er nægjanlegt, helst pH gildið tiltölulega stöðugt, sem gefur hagstæð vaxtarumhverfi fyrir örverur; á hinn bóginn getur ófullnægjandi basagildi valdið miklum lækkun á pH, sem leiðir til minnkaðrar örveruvirkni og jafnvel kerfishruns.

Kjarnahugtak: Basískleiki er í meginatriðum „sýra-basa buffer“ í vatni. Hugsaðu um basa sem uppistöðulón-þegar súr efni "flæða inn," getur basísk efni "gleypt" þau og hlutleyst og þannig viðhaldið stöðugleika pH. Þegar þetta lón þornar mun pH gildið sveiflast hratt, eins og á án stíflna.

Þess vegna er mikilvægt að skilja mynstur breytinga á basastigi við meðhöndlun skólps-þ.e. hvaða viðbrögð mynda basa og hver eyðir því- til að tryggja skilvirkni meðferðar, hámarka skammta hvarfefna og draga úr rekstrarkostnaði.

Byggt á stefnu áhrifa lífefnahvarfa á basastig, má skipta basastigi við hreinsun skólps í tvo meginflokka: viðbrögð sem mynda basa (hækkandi pH) og viðbrögð sem eyða basa (lækkandi pH). Þessi flokkun hjálpar okkur fljótt að ákvarða kraftmikla þróun basastigsbreytinga í kerfinu meðan á raunverulegri notkun stendur og gera samsvarandi eftirlitsráðstafanir í samræmi við það.

Alkalísk myndun (eykur pH):

1. Súlfat minnkun

2. Fosfórupptaka

3. Denitrification (3,57 mg/L basagildi/mg NO₃⁻-N)

4. Niðurbrot lífrænna efna

Notkun basa (lækkar pH):

1. Vatnsrof súrnun

2. Loftfirrt fosfórlosun

3. Nitrification (7,14 mg/L basagildi/mg NH₃-N)

Eins og sést í töflunni hér að ofan eru fjórar tegundir efnahvarfa sem mynda basa og þrjár tegundir sem eyða basa. Hver tegund hvarfs verður útskýrð í smáatriðum hér að neðan.

3.1 Súlfat minnkun
Súlfatminnkun vísar til ferlisins við loftfirrðar aðstæður þar sem súlfat-afoxandi bakteríur (SRB) nýta súlfat (SO₄²⁻) sem rafeindaviðtaka til að oxa og sundra lífrænum efnum, samtímis minnka súlfat í vetnissúlfíð (H₂S). Klassíska viðbragðsjöfnu hennar má einfalda sem hér segir:

Skýringarmynd af súlfatminnkunarviðbrögðum

SO₄²⁻ + lífræn efni → H₂S + HCO₃⁻ + aðrar vörur

Í þessu hvarfi, fræðilega séð, fyrir hvert 1 mól af súlfatjónum sem minnkað er, myndast 2 mól af bíkarbónatjónum (HCO₃⁻). Bíkarbónat er einn helsti þátturinn í basavirkni; þess vegna eykur súlfatminnkunarviðbrögðin verulega basaleika kerfisins. Frá stórsæju sjónarhorni veldur súlfatminnkunarferlið því að pH gildi vatnsins sýnir hækkun.

Hins vegar er mikilvægt að hafa í huga að á meðan súlfatminnkun framleiðir basískt, þá er aukaafurð þess, brennisteinsvetni, mjög eitrað og hefur vonda lykt. Í loftfirrtum meltingartækjum eða loftfirrðum meðferðareiningum leiðir óhófleg súlfatlækkun ekki aðeins til lyktarvandamála heldur getur það einnig hamlað gagnlegum örverum eins og metanógenum, sem hefur áhrif á heildarmeðferðarskilvirkni. Þess vegna, í raunverulegri notkun, þarf að fylgjast með og stjórna súlfatstyrknum í innstreyminu.

3.2 Fosfórupptaka

Fosfórupptaka er kjarnaferlið í líffræðilegri fosfóreyðingu. Við loftháðar eða súrefnislausar aðstæður gleypa fjölfosfat-uppsöfnunarlífverur (PAO) of mikið fosfat úr vatninu, mynda það í fjölfosföt og geyma það í frumum sínum. Samtímis nýta þeir pólýhýdroxýalkanóötin (PHA) sem eru geymd í frumum þeirra sem kolefnis- og orkugjafa til vaxtar og æxlunar.

Við upptöku fosfórs þurfa PAO frumur að viðhalda innra og ytra hleðslujafnvægi. Þegar fjölfosfat-söfnunarbakteríur (PAB) gleypa mikið magn af neikvætt hlaðnu fosfati (HPO₄²⁻ eða H₂PO₄⁻), losa þær katjónísk efni eins og bíkarbónat (HCO₃⁻) eða kalíumjónir (K⁺) út í utanfrumurýmið. Þetta lífeðlisfræðilega ferli leiðir beint til aukningar á basagildi kerfisins.

Verkunarháttur breytinga á basa í viðbrögðum við fosfórupptöku

Þegar PABs gleypa fosfór, losnar um það bil 1 mól af HCO₃⁻ út í utanfrumurýmið fyrir hvert 1 mól af fosfór sem frásogast (í formi HPO₄²⁻). Þetta þýðir að í loftháðum fasa líffræðilegs fosfórfjarlægingarferlis mun basastig hækka og pH-gildið hækkar að sama skapi. Þetta er ein af ástæðunum fyrir því að pH gildi í loftháða fasa A²/O ferlis er venjulega aðeins hærra en í loftfirrta fasanum.

Þrátt fyrir að magn basa sem myndast við upptöku fosfórs sé ekki eins marktækt og við afnítrun, hefur framlag þess til basavirkni í ferlum þar sem líffræðilegur fosfórfjarlæging er meginmarkmiðið enn töluverða hagnýta þýðingu. Nákvæmur skilningur á basískum breytingum á eiginleikum fosfórupptökuhvarfsins hjálpar til við að hámarka ferlisbreytur fyrir loftfirrtar og loftháðar aðgerðir til skiptis.

3.3 Denitrification
Denitrification er lykilskref í fjarlægingu köfnunarefnis við meðhöndlun skólps. Við súrefnislausar aðstæður nota afoxandi bakteríur nítrat (NO₃⁻) eða nítrít (NO₂⁻) sem rafeindaviðtaka og lífræn efni sem rafeindagjafa (kolefnisgjafa) til að minnka nítrat smám saman í köfnunarefnisgas (N₂), sem að lokum sleppur úr vatninu.

Skýringarmyndajafna fyrir denitrification hvarf

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

Denitrification er „aðalkrafturinn“ í myndun basa við skólphreinsun. Fræðilega séð getur minnkun 1 mg af nítratköfnunarefni (NO₃⁻-N) framleitt um það bil [magn sem vantar] af basa (reiknað sem CaCO₃). Þetta gildi hefur verulegt viðmiðunargildi í ferlihönnun og daglegum rekstri.

Eins og sést á hvarfjöfnunni eyðir denitrification vetnisjónum (H⁺) í vatninu, sem jafngildir því að bæta basískum efnum í kerfið. Þess vegna fjarlægir denitrification ekki aðeins á áhrifaríkan hátt heildarköfnunarefni heldur endurnýjar það einnig basavirkni kerfisins og gegnir mikilvægu hlutverki við að viðhalda basísku umhverfinu sem þarf fyrir síðari nítrunarviðbrögð.

Í hagnýtri verkfræði er hagkvæm og skilvirk rekstraraðferð að fullnýta basa sem myndast við for-denitrification (stig A í A/O ferlinu) til að jafna upp basagildi sem neytt er af síðari nítrunarhvörfum. Margar skólphreinsistöðvar ná sjálfum sér-alkaleika með því að úthluta á skynsamlegan hátt rúmmálshlutfalli anoxískra og loftháðra svæða, og draga þannig úr kostnaði við ytri kolefnisgjafa og basískt hvarfefni.

Verkfræðiábending: Þegar hlutfall kolefnis-til-köfnunarefnis (C/N) er lágt, er lífræna kolefnisgjafinn sem þarf til afrennslis ófullnægjandi og framleiðsla basa mun einnig minnka í samræmi við það. Í þessu tilviki er nauðsynlegt að íhuga að bæta við ytri kolefnisgjöfum (svo sem metanóli, natríumasetati osfrv.) til að tryggja skilvirkni denitrification og endurnýjun basa.

3.4 Niðurbrot lífræns efnis

Niðurbrot lífrænna efna er mikilvægasta lífefnafræðilega ferlið við hreinsun skólps. Hvort sem um er að ræða heterotrophic bakteríuefnaskipti við loftháðar aðstæður eða sýru-framleiðandi gerjun við loftfirrðar aðstæður, mun niðurbrot lífrænna efna (tjáð sem COD eða BOD) hafa áhrif á basa og pH kerfisins að einhverju leyti.

Við loftháðar aðstæður er lífrænt efni oxað og brotið niður í koltvísýring (CO₂). CO₂ leysist upp í vatni og myndar kolsýru (H₂CO₃), sem fræðilega lækkar pH. Hins vegar, vegna þess að loftunarferlið ber mikið magn af CO₂ á vatnsyfirborðið, veltur nettó pH-áhrif á loftháða stiginu af kraftmiklu jafnvægi milli framleiðsluhraða CO₂ og strípunarhraða. Við nægilega loftun getur sýrustigið jafnvel hækkað lítillega.

Við loftfirrta meltingu er lífrænt efni fyrst brotið niður í rokgjarnar fitusýrur (VFA) með vatnsrofssýrandi bakteríum. Þetta stig leiðir til lækkunar á pH; Hins vegar umbreyta metanógenandi bakteríur VFA í metan (CH₄) og CO₂, sem veldur því að pH hækkar aftur. Nettóáhrif alls loftfirrðrar meltingarferlis koma venjulega fram sem aukning á basagildi, þess vegna hefur loftfirrt meltingarkraftur venjulega mikla basa og stuðpúðagetu.

Áhrif niðurbrots lífrænna efna á basavirkni eru afleiðing margra þátta og nettóáhrif þess eru háð samsettum áhrifum ýmissa þátta eins og tegundar meðferðarferlis, rekstrarskilyrða og uppbyggingu örverusamfélagsins.

4.1 Vatnsrof Súrun
Vatnsrof súrnun er fyrsta stig loftfirrðrar líffræðilegrar meðferðar. Á þessu stigi er flókið lífrænt stórsameindaefni (eins og prótein, kolvetni og fita) vatnsrofið í smærri leysanlegar lífrænar sameindir með utanfrumuensímum og síðan breytt í súrar afurðir eins og rokgjarnar fitusýrur (VFA), alkóhól og CO₂ með því að sýra bakteríur.

Vegna þess að uppsöfnun VFA losar mikið magn af vetnisjónum (H⁺), eyðir vatnsrofssýringarferlið verulega basa í kerfinu, sem leiðir til lækkunar á pH. Án réttrar stjórnunar getur pH gildið farið niður fyrir 5,0, sem hindrar verulega virkni síðari metanógenandi baktería og jafnvel leitt til bilunar á öllu loftfirrta meðferðarkerfinu.

Einkenni basískrar neyslu í vatnsrofssýringu

Hraði neyslu basa á sýringarstigi vatnsrofs er nátengt styrk lífrænna efna og virkni vatnsrofssýrandi baktería. Því hærra sem innstreymi COD styrkur, því hraðari er súrnunarhraðinn og því meiri er basísk neysla. Við meðhöndlun á há-þéttni lífræns afrennslisvatns er venjulega nauðsynlegt að bæta við basa (td með því að bæta við NaHCO₃ eða kalki) til að viðhalda hæfilegu pH umhverfi í reactor.

Í loftfirrtum meðhöndlunarferlum eins og ABR (Aaerobic Baffled Reactor) og UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) á sér stað vatnsrofssýring venjulega í sama reactor og metanógenmyndunarferlið. Nægilegt framboð af basastigi er einn af lykilþáttunum sem tryggir samræmdan rekstur þessara tveggja ferla. Þegar basagildi kerfisins er undir 1000 mg/L (sem CaCO₃) þarf að fylgjast náið með pH þróuninni.

4.2 Loftfirrt fosfórlosun

Loftfirrt fosfórlosun er ómissandi skref í líffræðilegum fosfórfjarlægingarferlum. Við stranglega loftfirrðar aðstæður (ekkert nítratköfnunarefni, ekkert uppleyst súrefni) brjóta fjölfosfat-söfnunarbakteríur (PAB) niður fjölfosföt sem eru geymd í frumum þeirra og losa fosföt út í vatnið. Samtímis nýta þau frásogað -mólþunga- lífræn efni til að búa til pólýhýdroxýalkanóöt (PHA) og geyma þau innanfrumu, sem gefur orkuforða fyrir óhóflega fosfórupptöku í kjölfarið við loftháðar aðstæður.

Við losun fosfórs neyta PPA jafnmikils magns af bíkarbónati (HCO₃⁻) til að viðhalda hleðslujafnvægi innan og utan frumunnar á meðan fosföt losa innan úr frumunni. Þetta ferli leiðir beint til lækkunar á basagildi kerfisins og lækkunar á pH.

Helstu rekstrarsjónarmið: Skilvirkni loftfirrðs fosfórs losunar ákvarðar beint skilvirkni síðari upptöku loftháðs fosfórs. Ef nítratköfnunarefni er til staðar á loftfirrtu stigi (afnítrandi bakteríur nýta helst lífræna kolefnisgjafa), mun það hamla fosfórlosunarvirkni PPA, sem leiðir til lækkunar á fosfórfjarlægingu. Á sama tíma, ef basagildi sem neytt er við losun fosfórs er ekki endurnýjuð í tæka tíð, getur pH-gildið farið niður fyrir ákjósanlegt svið fyrir virkni fjölfosfatssöfnunar (PAC), sem hefur enn frekar áhrif á fosfórfjarlægingu.

Við hönnun og notkun A²/O eða breyttra A²/O ferla er vökvasöfnunartími (HRT) loftfirrtra stigsins yfirleitt stjórnað á milli 1,5 og 2,5 klst. Þó að of langur varðveislutími sé gagnlegur fyrir nægilegan fosfórlosun, geta þeir einnig leitt til of mikillar neyslu á VFA og óhóflegu basagildistapi, sem krefst-viðskipta í raunverulegri notkun.

4.3 Nitrification

Nitrification er fyrsta skrefið í köfnunarefnishreinsunarferli skólphreinsunar og einnig það hvarf sem eyðir mestu basastigi. Við loftháðar aðstæður oxa nítrít-oxandi bakteríur (AOB) fyrst ammoníak köfnunarefni (NH₄⁺) í nítrít (NO₂⁻) og síðan nítrat-oxandi bakteríur (NOB) oxa enn frekar nítrít í nítrat (NO₃⁻). Bæði þessi viðbrögð krefjast mikils basískrar styrks.

Tveggja-ferlið nítrunar:

Skref 1 (nítrósun): NH₄⁺ + 1.5O₂ → NO₂⁻ + 2H⁺ + H₂O

Skref 2 (nítrósun): NO₂⁻ + 0.5O₂ → NO₃⁻

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

Af heildarhvarfjöfnunni er ljóst að fyrir hvert 1 mg af ammoníak köfnunarefni (NH₃-N) sem oxast, myndast 2 mól af vetnisjónum (H⁺), sem jafngildir því að neyta um það bil 1/3 af basagildinu (reiknað sem CaCO₃). Þetta gildi er nákvæmlega tvöfalt basagildi sem framleitt er með tæmingu (3,57 mg/L), sem þýðir að án for-denitrunar til að fylla á basa, mun nítrgreining fljótt tæma basaforða kerfisins.

Hið alkalíska-eðli nítrunar gerir hana að lykilatriði í rekstri og stjórnun margra skólphreinsistöðva. Þegar basagildi innstreymis er ófullnægjandi til að styðja við nítrification, getur eftirfarandi komið fram:

• pH gildi fer niður fyrir 7,0, sem dregur verulega úr virkni nítrunargerla og brottnámshraða ammoníaks köfnunarefnis.

• Aukin hætta á uppsöfnun nítríts, sem leiðir til hærri styrkleika nítríts í frárennsli.

• Breytingar á styrkleika óbundins ammóníaks (FA) og óbundins nítríts (FNA), sem veldur eiturverkunum á örverusamfélagið.

• Léleg seyðjun seyru, sem leiðir til hærra SS frárennslis.

Til að tryggja árangursríka nítrunargreiningu þarf venjulega að leifar af basa í kerfinu sé ekki minna en 70–100 mg/L (sem CaCO₃). Í reynd eru algengar ráðstafanir til að jafna basa: að nýta basa sem myndast við for-denitrification, bæta við natríumbíkarbónati (NaHCO₃), bæta við natríumhýdroxíði (NaOH) eða bæta við kalki (Ca(OH)₂). Meðal þessara aðferða er algengast að bæta við NaHCO₃ vegna þess að það hefur væga basa og kynnir ekki umfram katjónir.

Efnahagsleg sjónarmið: Með því að taka skólphreinsistöð með daglegri hreinsunargetu upp á 100.000 tonn og innstreymi ammoníak köfnunarefnisstyrk upp á 30 mg/L sem dæmi, þarf fullkomin nítrification um það bil 21,4 tonn af basa á dag (reiknað sem CaCO₃). Ef NaHCO₃ er notað til að bæta við basavirkni gæti daglegur kostnaður við hvarfefni numið tugum þúsunda júana. Þess vegna er lykilaðferð til að draga úr rekstrarkostnaði að fullnýta alkalískan jöfnunaraðgerð for-denitrification.

Byggt á ofangreindri greiningu eru basastigsbreytingar í skólphreinsikerfi í meginatriðum kraftmikill leikur milli viðbragða sem mynda basa og viðbragða sem eyða basastigi. Kerfið basískt

Hægt er að tjá nettóbreytinguna með eftirfarandi einfölduðu formúlu:

Alkalinity Jafnvægi

ΔAlkalinity=Σ(Alkalinity Produced) - Σ(Alkalinity Consumed) + Ytri viðbætt basastyrkur - Baskleikistap

Í dæmigerðu A²/O ferli er aðal "neytandinn" basavirkni nítrunar (-7,14 mg/L basagildi/mg NH₃-N), en aðal "framleiðandinn" er denitrification (+3.57 mg/L basagildi/mg NO₃⁻-N). Þar sem denitrification framleiðir aðeins helming þess basa sem neytt er við nitrification, jafnvel þó að 100% heildarnitur skili sér aftur í nítrified vökvann fyrir denitrification, mun ákveðinn basagildi enn vera til staðar í kerfinu. Þessum skorti er venjulega bætt upp með basastigi sem flutt er frá innstreyminu og með utanaðkomandi basískum hvarfefnum.

Skilningur á þessu jafnvægissambandi hefur bein leiðbeinandi þýðingu fyrir útreikninga á basagildi við vinnsluhönnun og fínstillingu hvarfefna meðan á notkun stendur. Hér eru nokkrar hagnýtar tillögur um stjórnun basa:

Lykilatriði stjórnenda

Reglubundin vöktun: Daglegt eftirlit með innstreymi, hverju vinnslustigi, og basagildi frárennslis og pH-gildum, og teiknað línurit fyrir basastig.

Fínstillt bakflæðishönnun: Fínstilltu bakflæðishlutfall nítrunar vökva byggt á innstreymisalkaleika og styrk ammoníaksköfnunarefnis til að hámarka nýtingu á basagildi nítrunar.

Stýrt kolefnis-köfnunarefnishlutfall: Gakktu úr skugga um nægjanlegan kolefnisgjafa á afneitrunarstigi til að koma í veg fyrir minnkaða basaframleiðslu vegna ónógrar kolefnisgjafa.

Nákvæm skömmtun: Stofnaðu efnaskömmtunarlíkan sem byggir á-rauntíma alkalínleikagögnum til að forðast ofskömmtun og sóun.

Gefðu gaum að árstíðabundnum breytingum: Virkni nítrandi baktería minnkar þegar hitastig vatns lækkar; Hægt er að viðhalda pH-stöðugleika með því að auka basastig á viðeigandi hátt.

Breytingar á basastigi eru afgerandi kraftmikill vatnsgæðavísir í skólphreinsun. Með því að greina kerfisbundið áhrif sjö lykillífefnafræðilegra efnahvarfa á basískt-súlfatminnkun, fosfórupptöku, denitrification og niðurbrot lífrænna efna sem myndar basastig, en vatnsrofssýring, loftfirrtur fosfórlosun og nitrification eyðir basagildi-við sjáum greinilega yfir flæði basastiga.

Sérstaklega athyglisvert er hið nána alkalíska „uppfyllingarsamband“ milli nítrunar og nítrunar: nítrunarmyndun myndar 3,57 mg/L af basagildi fyrir hvert 1 mg af NO₃⁻-N minnkað, en nitrification eyðir 7,14 mg/L af basagildi fyrir hvern 1 mg af NH{5} oxuðu. Skilningur á þessu magnsambandi er grundvallaratriði fyrir árangursríka basastjórnun.

Í hagnýtri notkun er mælt með því að umhverfissérfræðingar innlimi basískt vöktun í venjulegu vatnsgæðaprófunarkerfi sínu, komi á basajafnvægisskrár og aðlagi á virkan hátt rekstrarbreytur og skömmtunaraðferðir hvarfefna byggt á eiginleikum ferlisins og breytingum á vatnsgæði innstreymis. Aðeins með því að skilja að fullu innbyggð lögmál sem gilda um breytingar á basastigi getum við sannarlega náð fágaðri stjórn á skólphreinsikerfi og tryggt stöðugt há frárennslisgæði.

Alkalleiki, þó að það virðist óverulegur, hefur mikil áhrif. Það virkar eins og „ósýnilegur verndari“ í skólphreinsikerfinu og viðheldur hljóðlaust því sýru-basaumhverfi sem er nauðsynlegt til að lifa af örverum. Við skulum byrja í dag að huga betur að basagildi, þessari að því er virðist venjulegu en þó afar mikilvægu vatnsgæðabreytu, og stuðla að því að byggja upp skilvirkara, stöðugra og umhverfisvænna skólphreinsikerfi.