Предисловие:
Те, кто работал на пуско-наладочных работах биохимических систем, возможно, сталкивались с такой проблемой: падение pH в анаэробных и аэробных резервуарах. Понятно, что такое падение pH в первую очередь вызвано качеством сырой воды. Определенные вещества в сырой воде производят кислотные вещества или поглощают щелочность во время анаэробных реакций (таких как гидролиз и подкисление) или аэробных реакций (таких как нитрификация), что приводит к падению pH.
С одной стороны, такое падение pH предсказуемо. Учитывая четкое понимание качества сырой воды, это падение pH учитывается на ранних этапах разработки проекта очистки сточных вод, и обычно устанавливается дозирование щелочи. Однажды я работал над проектом по очистке сточных вод на территории обслуживания автомагистралей и узнал, что сточные воды из этой зоны содержат очень высокие уровни аммиачного азота и общего азота. Процесс нитрификации аммиачного азота неизбежно требует значительного количества щелочи, поэтому было предварительно-установлено устройство дозирования щелочи. В то время мы столкнулись с ситуацией, когда мы не своевременно пополнили запасы химикатов, фактически закончились хлопья каустической соды. В результате pH снизился с 7,5 до 6,5 в первый день и с 6,5 до 5,5 во второй день. В этот момент биохимическая система практически рухнула, образовав значительное количество пены и превысив стандарты сточных вод.
С другой стороны, на очистных сооружениях в промышленных парках часто случаются неожиданные падения pH. Обитатели этих парков постоянно меняются, а сточные воды, которые они сбрасывают, разнообразны. Сооружения по очистке сточных вод не учитывают будущих жильцов при первоначальном проектировании. В прошлом году мы столкнулись с необъяснимым падением pH в аэробном резервуаре. Первым шагом, конечно же, было исследование качества влияющего потока. Мы заметили, что сырая вода легко пенилась при входе в регулирующий бак, что указывает на наличие поверхностно-активных веществ. Помимо проверки pH сырой воды, необходимо было также проверить ее щелочность.
В следующей статье будут систематически анализироваться причины падения pH в анаэробных и аэробных резервуарах с трех точек зрения: механизм реакции, микробный метаболизм и факторы окружающей среды.
I. Механизмы падения pH в анаэробных резервуарах
1. Накопление органических кислот.
Анаэробное сбраживание состоит из четырех стадий: гидролиза, подкисления, производства уксусной кислоты и производства метана. Во время фазы закисления факультативные бактерии (такие как клостридии) расщепляют макромолекулярные органические вещества (углеводы и белки) на летучие жирные кислоты (ЛЖК, такие как уксусная и пропионовая кислота), спирты и CO₂. Если нагрузка на систему чрезмерна или активность метаногена ингибируется (например, из-за колебаний температуры или токсичных веществ), ЛЖК не могут быть быстро преобразованы в CH₄ и CO₂, что приводит к накоплению кислых промежуточных продуктов и значительному падению pH (возможно, ниже 5,5).
2. Разрушение карбонатной буферной системы.
Исходная буферная пара HCO₃⁻/CO₂ в сточных водах расходуется в анаэробных условиях:
CO₂ растворяется в воде с образованием H₂CO₃, который диссоциирует на H⁺ и HCO₃⁻;
Метаногены используют HCO₃⁻ в качестве источника углерода, что приводит к снижению буферной способности.
Когда концентрация ЛЖК превышает 2000 мг/л, способность системы нейтрализовать щелочность превышается, что приводит к резкому падению pH.
Сульфидное образование;
В сточных водах,-содержащих сульфаты (например, в сточных водах фармацевтического и бумажного производства), сульфатвосстанавливающие бактерии (SRB) восстанавливают SO₄²⁻ до H₂S, поглощая щелочность и выделяя H⁺.
Хотя OH⁻ генерируется локально, после того, как H₂S соединяется с ионами металлов, таких как Fe²⁺, в воде, OH⁻ недостаточно для компенсации кислотности ЛЖК.
II. Причины снижения pH в аэробных резервуарах
1. Сильное закисление в результате нитрификации.
Аммиачный азот (NH₄⁺) окисляется до NO₃⁻ нитрозирующими бактериями (такими как Nitrosomonas) и нитрифицирующими бактериями (такими как Nitrobacter). На каждый мг окисленного NH₄⁺-N расходуется 7,14 мг щелочности (измеренной как CaCO₃) и высвобождается 2 единицы H⁺.
В сточных водах с высоким-содержанием аммиачного азота (например, в сточных водах аквакультуры) в ходе нитрификации pH может упасть на 1,5–2,0 единицы.
2. Производство кислоты гетеротрофными бактериями.
Когда гетеротрофные бактерии в аэробных резервуарах разлагают остаточное органическое вещество, если растворенного кислорода (РК) недостаточно (<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. Равновесие растворения CO₂.
CO₂, образующийся в результате дыхания микроорганизмов, растворяется в воде с образованием H₂CO₃. Когда интенсивность аэрации недостаточна, CO₂ не может эффективно удаляться, что приводит к увеличению концентрации H⁺ в жидкой фазе.
III. Синергетические эффекты и рекомендации по контролю
1. Эффекты взаимодействия анаэробных-аэробных систем
ЛЖК в сточных водах анаэробного резервуара напрямую попадают в аэробный резервуар, увеличивая кислотную нагрузку.
Когда нитрифицированный раствор возвращается в анаэробный резервуар, денитрификация NO₃⁻ потребляет органические вещества, но производит щелочность (рН увеличивается на 0,3-0,5). Поэтому необходимо оптимизировать коэффициент рециркуляции (обычно 30–70%).
2. Стратегия контроля
Анаэробный резервуар: добавьте NaHCO₃ (100-500 мг/л) для поддержания щелочности; контролировать органическую нагрузку (ХПК < 5000 мг/л); контролировать ОВП (-300-100 мВ), чтобы избежать чрезмерного подкисления.
Аэробный резервуар: поддерживать уровень растворенного кислорода > 2 мг/л; использовать поэтапный приток воды для разбавления ЛЖК; и добавьте известь (Ca(OH)₂) для нейтрализации нитрифицирующей кислоты.