نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون

هدف، واقعگرایانه

در این درس به سوالات زیر پاسخ خواهیم داد:

تکلیف خواندن

سخنرانی آنلاین را بخوانید.

سخنرانی

معرفی

باکتری ها نیتروژن را از فاضلاب با یک فرآیند بیولوژیکی دو مرحله ای حذف می کنند: نیترفیکایتون و سپس دنیتریفیتون. (از نظر فنی، این یک فرآیند سه مرحله ای است: آمونیفیکاسیون مقدم بر نیتریفیکاسیون و نیترات زدایی است). در حین حرکت از طریق لوله های فاضلاب، اکثر نیتروژن موجود در فاضلاب خام (اوره و مواد مدفوع) از طریق فرآیندی به نام هیدرولیز از نیتروژن آلی به آمونیاک تبدیل می شود.

نیتریفیکاسیون بیولوژیکی فرآیند اکسید کردن آمونیاک با واسطه میکروب برای حذف ترکیبات نیتروژنی از فاضلاب است. فاضلاب خانگی معمولاً حاوی 20 تا 40 میلی گرم در لیتر نیتروژن آمونیاکی (NH 4- N) است. مواد آلی حاوی نیتروژن، به عنوان مثال، پروتئین و اسید نوکلئیک، نیز تجزیه شده و آمونیاک آزاد می کند. رهاسازی این آمونیاک در جریان‌های دریافتی اثر سمی مستقیمی بر روی ماهی‌ها و سایر حیوانات دارد و علاوه بر آن باعث کاهش قابل توجه اکسیژن می‌شود.

نیترات به عنوان یک ماده نامطلوب در آب های عمومی در نظر گرفته می شود. اگرچه به طور طبیعی در آب وجود دارد، اما سطوح بالای نیترات در آب‌های زیرزمینی معمولاً ناشی از فعالیت‌های انسانی، مانند استفاده بیش از حد از کودهای شیمیایی در کشاورزی و دفع نادرست فضولات انسانی و حیوانی است. غلظت بالای نیترات در آب آشامیدنی ممکن است باعث ایجاد مشکلات جدی در انسان و حیوانات شود. به منظور محافظت در برابر این تلاش، EPA ایالات متحده حداکثر سطح آلودگی نیترات در آب آشامیدنی را در 10 میلی گرم NO 3- تعیین کرد .

اثر خالص این است که برای اکسید شدن کامل یک میلی گرم آمونیاک N به 4.5 میلی گرم اکسیژن نیاز است. بنابراین حتی غلظت‌های کم آمونیاک می‌تواند باعث تخریب قابل توجهی برای گیاهان و جانوران در بدنه آبی دریافت‌کننده آن شود. بنابراین، بسیاری از تصفیه خانه های فاضلاب خانگی و صنعتی نیاز به حذف آمونیاک قبل از تخلیه آب تصفیه شده دارند.

منابع آمونیاک، نیترات و نیتریت

نیتروژن اضافی به شکل آمونیاک در آب نهایی می تواند علت اصلی نیتریفیکاسیون باشد زیرا آمونیاک به عنوان بستر اولیه در فرآیند نیتریفیکایتون عمل می کند. آمونیاک، نیترات و نیتریت معمولاً در منابع آب سطحی در نتیجه فرآیندهای طبیعی یافت می شوند. این منابع طبیعی نیتروژن عموماً حداقل تأثیرات را بر سیستم های توزیع آب دارند زیرا غلظت نیتروژن نیتروژن در آب های سطحی و زیرزمینی معمولاً کمتر از 0.1 میلی گرم در لیتر است. سایر منابع نیتروژن می تواند شامل رواناب کشاورزی حاصل از کوددهی یا فضولات دام یا آلودگی ناشی از فاضلاب باشد. آمونیاک همچنین به طور طبیعی در برخی منابع آب زیرزمینی وجود دارد و آب‌های زیرزمینی می‌توانند به نیتروژن آلوده شوند زیرا رواناب کشاورزی به سفره‌های زیرزمینی نفوذ می‌کند. برای محافظت از سلامت عمومی، هر سیستمی با آب منبع که بیش از MCLهای آلاینده معدنی برای نیترات و نیتریت 10 میلی گرم در لیتر و 1 میلی گرم در لیتر (به عنوان نیتروژن) باشد، باید آب را کمتر از این سطوح تصفیه کند.

PH و قلیائیت

مقدار pH آب حجیم به دو دلیل عامل مهمی در فعالیت نیتریفیکاسیون است. اول، کاهش قلیاییت کل ممکن است با نیتریفیکاسیون همراه باشد زیرا مقدار قابل توجهی بی کربنات در تبدیل آمونیاک به نیتریت مصرف می شود. مدلی که در سال 1974 ایجاد شد نشان می دهد که 8.64 میلی گرم در لیتر بی کربنات (HCO 3 ) برای هر میلی گرم در لیتر آمونیاک-نیتروژن اکسید شده استفاده می شود. در حالی که کاهش قلیایی تأثیر مستقیمی بر سلامت عمومی ندارد، کاهش قلیایی می تواند باعث کاهش ظرفیت بافر شود که می تواند بر ثبات pH و خورندگی آب نسبت به سرب و مس تأثیر بگذارد. ثانیاً باکتری های نیتریفیک کننده به pH بسیار حساس هستند. نیتروزوموناس دارای pH بهینه بین 7.0 تا 8.0 است و محدوده pH بهینه برای Nitrobacter تقریباً 7.5 تا 8.0 است. برخی از شرکت‌ها گزارش داده‌اند که افزایش pH (به بیش از 9) می‌تواند برای کاهش وقوع نیتریفیکاسیون استفاده شود.

روش های ضد عفونی

کنترل شیمیایی یا درمان باکتری های نیتریف کننده معمولاً شامل نگهداری از باقیمانده های ضدعفونی کننده سیستم توزیع بالا (بیش از 2 میلی گرم در لیتر) یا کلرزنی دوره ای با نقطه شکست است. نتایج بررسی تحلیلی در ایالات متحده نشان داد که بیش از 90 درصد نمونه‌های سیستم توزیع با افزایش سطوح نیتریت و نیترات، که نشان‌دهنده نیتریفیکاسیون است، در آبی با باقیمانده‌های ضدعفونی‌کننده کمتر از 2 میلی‌گرم در لیتر رخ داده‌اند. بسیاری از شرکت‌ها دریافته‌اند که افزایش باقیمانده‌های ضدعفونی‌کننده با افزایش دوزهای شیمیایی یا مدیریت سن آب به کنترل نیتریفیکاسیون کمک کرده است.

کلر آزاد در غیرفعال کردن کلنی های باکتری اکسید کننده آمونیاک موثرتر از کلرامین است. در نتیجه، کلرزنی نقطه شکست نیز توسط شرکت‌ها برای درمان باکتری‌های نیتریف کننده استفاده می‌شود. برخی از سیستم‌هایی که از کلرزنی نقطه شکست استفاده می‌کنند، افزایش اولیه باکتری‌های HPC و سطوح کلی فرم کل بلافاصله پس از درمان را گزارش کرده‌اند که احتمالاً به بیوفیلم‌سازی مربوط می‌شود.

عدم وجود نور خورشید

اگرچه مونوکلرامین با قرار گرفتن در معرض اتمسفر با سرعت های مختلف بسته به میزان نور خورشید، باد و دما تجزیه می شود، نیتریفایرها به نور UV، بصری و فلورسنت نزدیک بسیار حساس هستند. در نتیجه، قسمت های نیتریفیکاسیون در تاریکی (در مخازن سرپوشیده، خطوط لوله، شیرها و غیره) رخ می دهد.

فعالیت های عملیاتی

باکتری های نیتریفیک کننده ارگانیسم هایی هستند که رشد کندی دارند و مشکلات نیتریفیکاسیون معمولاً در مخازن بزرگ یا بخش های کم جریان در سیستم رخ می دهد. شیوه های عملیاتی که زمان اقامت کوتاه و گردش خون را در داخل سیستم تضمین می کند، می تواند مشکلات نیتریفیکاسیون را به حداقل برساند. مناطق کم گردش سیستم، مانند بن بست ها و مخازن، مناطق اصلی برای وقوع نیتریفیکاسیون هستند، زیرا زمان نگهداری و تجمع رسوب می تواند بسیار بیشتر از سایر قسمت های سیستم باشد.

دمای آب تاثیر زیادی بر سرعت رشد باکتری های نیتریف کننده دارد. موارد متعددی مستند شده است که اپیزودهای نیتریفیکاسیون در ماه های گرم تر شایع تر است. اکثر سویه های نیتریفایرها در دماهای بین 25 تا 30 درجه سانتیگراد رشد بهینه دارند، اما نیتریفیکاسیون در طیف وسیعی از دماها رخ داده است. فعالیت‌های عملیاتی که منجر به کاهش سن آب می‌شوند نیز ممکن است منجر به کاهش دمای آب حجیم شوند.

جمعیت های میکروبی

همانطور که در فرآیند نیتریفیکاسیون نشان داده شده است، آمونیاک ابتدا به یون های نیتریت اکسید می شود، سپس یون های نیتریت به یون های نیترات اکسید می شوند. هر اکسیداسیون توسط گروه متفاوتی از باکتری ها، باکتری های اکسید کننده آمونیاک (AOB) و باکتری های اکسید کننده نیتریت (NOB) انجام می شود. هر گروه از باکتری ها دارای گونه های متعددی است و فرآیند تصفیه فاضلاب ممکن است شامل چندین گونه از هر گروه باشد. بیشتر توصیفات کتاب درسی از فرآیند نیتریفیکاسیون به گونه‌های Nitrosomonas به عنوان AOB و گونه Nitrobacter به عنوان NOB اشاره می‌کند و این ساده‌سازی می‌تواند به خوبی به اپراتور فرآیند و عیب‌یاب کمک کند، زیرا این دو گروه شرایط رشد را به خوبی مشخص می‌کنند. باکتری های نیتریفیکاتور اتوتروف هستند، آنها از منابع معدنی کربن (مانند دی اکسید کربن و یون کربنات) برای تولید زیست توده استفاده می کنند، برخلاف اکثر میکروب های دیگر در سیستم (هتروتروف ها) که معمولاً از انواع مواد آلی به عنوان یک ماده آلی استفاده می کنند. منبع انرژی و کربن اتوتروف ها بسیار آهسته تر از هتروتروف ها رشد و تولید مثل می کنند، به عنوان مثال نیتروزوموناس ممکن است یک بار در هشت ساعت یک بار در مقایسه با هتروتروف سریع رشد که ممکن است هر 20 دقیقه تقسیم شود، تکثیر (تقسیم) شود. علاوه بر این، اتوتروف ها به شرایط رشد مانند pH، دما و وجود ترکیبات سمی حساسیت بیشتری دارند.

برای حفظ میکروب های نیتریف کننده در یک فرآیند، سن لجن باید به اندازه کافی بالا نگه داشته شود تا جمعیت کافی از این موجودات حفظ شود. در شرایط آب و هوایی سمی و/یا سرد، سرعت رشد جمعیت‌های نیتریفایر طبیعی به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد و باعث می‌شود نیتریفایرها از سیستم خارج شوند. بنابراین، در صورت تداوم چنین شرایطی، حفظ حذف آمونیاک می تواند مشکل ساز باشد.

تغذیه مناسب برای باکتری های نیتریف کننده به عناصر دیگری مانند کلسیم، مس و آهن نیز نیاز دارد. حفظ شرایط بهینه همیشه عملی نیست زیرا ممکن است هزینه بالایی داشته باشد. درعوض می توان از اقدامات متعددی برای کمک به حفظ جمعیت نیتریف کننده در مواجهه با شرایط رو به وخامت استفاده کرد. این شامل:

• حفظ غلظت زیست توده بالاتر از حد معمول مطلوب در منطقه هوادهی بیوتریتر، و سپس ایجاد غلظت لجن حتی بالاتر در بیوتریتر برای کمک به نگه داشتن اتوتروف های آهسته در حال رشد در سیستم در شرایط نامطلوب پیش بینی شده (مانند هوای سردتر).
• استفاده از تقویت زیستی با تلقیح میکروبی متمرکز و رشد یافته جداگانه برای تقویت بذر طبیعی و رشد اتوتروف ها در سیستم.
• کنترل دقیق pH سیستم. pH های پایین تر (شرایط اسیدی) به ویژه نامطلوب هستند.
• حفظ اکسیژن محلول اضافی در منطقه هوادهی همیشه. اتوتروف ها برای اکسیژن محلول با هتروتروف ها رقابت می کنند و هتروتروف ها در از بین بردن اکسیژن در غلظت های پایین کارآمدتر هستند. غلظت اکسیژن محلول 2 میلی گرم در لیتر باید حفظ شود.
• حفظ غلظت بالای مواد شناخته شده سمی برای اتوتروف ها مانند غلظت بیش از حد آمونیاک یا یون های فلزات سنگین سمی مانند مس و کروم از فاضلاب ورودی به سیستم. این می تواند در محیط های صنعتی مانند پالایشگاه های نفت که غلظت نسبتاً بالایی از آمونیاک در فاضلاب تصفیه نشده وجود دارد و جداسازی جریان های جانبی امکان پذیرتر است، مفید باشد.
• اجرای استانداردهای پیش تصفیه صنعتی برای تخلیه فاضلاب خانگی موادی که بر رشد کندتر نیتریفایرها تأثیر منفی می گذارد.

باکتری ها نیتروژن را از فاضلاب با یک فرآیند بیولوژیکی دو مرحله ای حذف می کنند: نیتریفیکاسیون و سپس نیترات زدایی. از نظر فنی، این یک فرآیند سه مرحله ای است: آمونیفیکیشن مقدم بر نیتریفیکاسیون و نیترات زدایی است. در حین حرکت از طریق لوله های فاضلاب، اکثر نیتروژن موجود در فاضلاب خام از طریق فرآیندی به نام هیدرولیز از نیتروژن آلی به آمونیاک تبدیل می شود. در اکثر موارد، آمونیوم بیشتری نسبت به آمونیاک در طول آمونیاک سازی ایجاد می شود. نسبت واقعی تحت تأثیر pH و دما است.

نیتریفیکاسیون

تبدیل بیولوژیکی آمونیوم به نیتروژن نیترات را نیتریفیکاسیون می گویند. نیتریفیکاسیون یک فرآیند دو مرحله ای است. باکتری هایی که به نام نیتروزوموناس شناخته می شوند ، آمونیاک و آمونیوم را به نیتریت تبدیل می کنند. سپس، باکتری به نام Nitrobacter تبدیل نیتریت به نیترات را به پایان می رساند. نیتریفیکاسیون بیولوژیکی فرآیندی است که در آن باکتری های نیتروزوموناس آمونیاک را به نیتریت و باکتری های نیتروباکتر نیتریت را به نیترات اکسید می کنند. این فرآیند منجر به تبدیل کلی آمونیاک به نیترات می شود. این میکروارگانیسم ها اتوتروف هستند، به این معنی که منبع کربن خود را از کربن غیر آلی مانند دی اکسید کربن و بی کربنات می گیرند. بیشتر انواع دیگر موجودات موجود در لجن فعال هتروتروف هستند، به این معنی که منبع کربن خود را از مواد آلی موجود در فاضلاب به دست می آورند. شرایط محیطی pH، قلیاییت، دما، غلظت اکسیژن محلول و بارگذاری آلی بر فرآیند نیتریفیکاسیون در کارخانه های لجن فعال تأثیر می گذارد.

واکنش ها به طور کلی جفت می شوند و به سرعت به شکل نیترات پیش می روند. بنابراین، سطوح نیتریت در هر زمان معین معمولاً پایین است. این باکتری ها که به عنوان “نیتریفایر” شناخته می شوند، “هوازی” سختی هستند، به این معنی که برای انجام کار خود باید اکسیژن محلول آزاد داشته باشند. نیتریفیکاسیون تنها در شرایط هوازی در سطوح اکسیژن محلول 1.0 میلی گرم در لیتر یا بیشتر رخ می دهد. در غلظت های اکسیژن محلول (DO) کمتر از 0.5 میلی گرم در لیتر، سرعت رشد حداقل است. نیتریفیکاسیون به زمان ماند طولانی، نسبت غذا به میکروارگانیسم کم (F/M)، میانگین زمان ماندگاری سلولی (که به عنوان MCRT یا سن لجن اندازه‌گیری می‌شود) و بافر کافی (قلیایی) نیاز دارد. مخزن هوادهی با جریان پلاگین و طولانی مدت ایده آل است. دما نیز مهم است.

نیتریفیکاسیون به دما حساس است. دمای بهینه برای نیتریفیکاسیون معمولاً 30 درجه سانتیگراد در نظر گرفته می شود.

درجه حرارت	اثر بر نیتریفیکاسیون
> 45 درجه سانتیگراد	نیتریفیکاسیون متوقف می شود
28-32 درجه سانتی گراد	محدوده دمایی بهینه
16 درجه سانتی گراد	تقریباً 50 درصد از نرخ نیتریفیکاسیون در 30 درجه سانتی گراد
10-30 درجه سانتی گراد	کاهش قابل توجه در نرخ نیتریفیکاسیون – 20٪ نرخ
<5 درجه سانتیگراد	نیتریفیکاسیون متوقف می شود

عامل کلیدی برای دستیابی به نیتریفیکاسیون چیست؟ میانگین زمان اقامت سلولی (MCRT). با افزایش دما، سرعت رشد نیتریفایر افزایش می یابد. با افزایش نرخ رشد نیتریفایر، MCRT مورد نیاز کاهش می یابد. به ازای هر 10 درجه سانتی گراد افزایش دما، سرعت رشد نیتریفایر دو برابر می شود، MCRT مورد نیاز نصف می شود و غلظت MLSS مورد نیاز نیز کاهش می یابد. با افزایش اکسیژن محلول، سرعت رشد نیتریفایر تا سطوح DO حدود 5 میلی گرم در لیتر افزایش می یابد. غلظت اکسیژن محلول را در 2.0 میلی گرم در لیتر یا بالاتر برای نیتریفیکاسیون بهینه حفظ کنید. نیتریفیکاسیون باعث مصرف قلیائیت و کاهش pH در مشروب مخلوط لجن فعال می شود. pH کمتر از 6.5 یا بالاتر از 8.0 می تواند به طور قابل توجهی نیتریفیکاسیون را مهار کند.

فرآیند نیتریفیکاسیون اسید تولید می کند. این تشکیل اسید باعث کاهش PH جمعیت بیولوژیکی در مخزن هوادهی می شود و می تواند باعث کاهش سرعت رشد باکتری های نیتریف کننده شود. pH بهینه برای نیتروزوموناس و نیتروباکتر بین 7.5 تا 8.5 است. اکثر تصفیه خانه ها می توانند با pH 6.5 تا 7.0 به طور موثر نیتریفیک شوند. نیتریفیکاسیون در pH کمتر از 6 متوقف می شود. واکنش نیترفیکایتون (یعنی تبدیل آمونیاک به نیترات) به ازای هر میلی گرم در لیتر نیتروژن آمونیاک اکسید شده 7.1 میلی گرم در لیتر قلیائیت به صورت CaCO 3 مصرف می کند. برای اطمینان از بافر کافی، قلیاییت کمتر از 50-100 میلی گرم در لیتر لازم است.

دمای آب نیز بر میزان نیتریفیکاسیون تأثیر می گذارد. نیتریفیکاسیون در دمای بین 30 تا 35 درجه سانتیگراد (86 و 95 درجه فارنهایت) به حداکثر سرعت می رسد. در دمای 40 درجه سانتیگراد (104 درجه فارنهایت) و بالاتر، نرخ نیتریفیکاسیون به نزدیک صفر می رسد. در دماهای کمتر از 20 درجه سانتیگراد، نیتریفیکاسیون با سرعت کمتری انجام می شود، اما در دماهای 10 درجه سانتیگراد و کمتر ادامه می یابد. با این حال، اگر نیتریفیکاسیون از بین برود، تا زمانی که دما به بیش از 10 درجه سانتیگراد افزایش پیدا نکند، از سر نمی گیرد.

برخی از سمی ترین ترکیبات برای نیتریفایرها عبارتند از سیانید، تیوره، فنل و فلزات سنگین مانند نقره، جیوه، نیکل، کروم، مس و روی. باکتری های نیتریفیک کننده نیز می توانند توسط اسید نیتروژن و آمونیاک آزاد مهار شوند.

برای بررسی، چرخه نیتروژن با نیتروژن (N2) در هوا شروع می شود . جلبک ها از این نیتروژن برای تولید نیتروژن آلی استفاده می کنند. نیتروژن آلی موجود در جلبک ها از طریق زنجیره غذایی حرکت می کند و به پساب گیاهی ما ختم می شود. حالا که در کارخانه است، با آن چه کنیم؟ اولین گام در تصفیه خانه این است که یون آمونیوم را از مواد آلی دور کنید. این کار به دو روش مختلف انجام می شود. راه اول صرفا زمان است. با گذشت زمان کمی، فاضلاب راکد می شود و گروه آمونیوم فقط می ریزد. راه دوم این است که میکروب هایی که دوست دارند زنجیره های کربنی بخورند این کار را انجام می دهند و گروه آمونیوم را پشت سر می گذارند. اکنون که آمونیوم از زنجیره کربنی جدا شده است به آن آمونیاک می گویند.

آمونیاک چیز جالبی است. در واقع دو شکل متفاوت دارد. بیشتر مردم آمونیاک را به شکل NH 3 تصور می کنند . این شکل در واقع گاز آمونیاک است. شکل آمونیاکی که از آلی جدا می شود NH 4 ، یون آمونیوم است. این دو بسته به PH آب می توانند جلو و عقب تغییر کنند. اگر pH بالا باشد، NH 3 بیشتری وجود دارد. اگر PH خنثی یا پایین باشد، بیشتر آمونیاک به شکل یون آمونیوم است. اکنون که آمونیاک داریم به مرحله بعدی می رویم. در مخزن هوادهی و فیلتر چکنده انواع میکروب های کوچک مختلف برای خوردن غذاهای حاوی کربن وجود دارد. اما تنها یک میکروب کوچک خاص وجود دارد که آمونیاک را می خورد. نام آن نیتروزوموناس است . برای منبع غذایی انرژی خود، یون های آمونیوم را می خورد. در فرآیند بیولوژیکی طبیعی، نیتروزوما یون های آمونیوم را می خورد و نیتریت یا NO 2 را به عنوان محصول تولید می کند. هنگامی که آنها Nitrosomas نیتریت تولید می کنند ، Nitrobacter آمده و به سرعت آن را به نیترات یا NO 3 تبدیل می کند . نیتروباکتر در انجام کار خود بسیار سریعتر است و به همان سرعتی که نیتریت را بدست می آورد، نیتریت را به نیترات تبدیل می کند. این فرآیند دو مرحله ای که در آن آمونیاک به نیتریت و سپس نیترات تبدیل می شود نیتریفیکاسیون نامیده می شود.

چرا باید در تصفیه خانه فاضلاب نیتریفیکاسیون انجام دهیم؟ برای یک چیز، آمونیاک باقی مانده در پساب تصفیه شده می تواند برای ماهی سمی باشد. همچنین نیتریفایرهای موجود در آبهای دریافت کننده برای تبدیل آن آمونیاک به نیترات کار خواهند کرد. این تبدیل باعث مصرف اکسیژن می شود. با نیتریفیکاسیون پساب کارخانه، نیاز به اکسیژن در آبهای دریافت کننده کاهش می یابد.

راکتورهای رشد معلق فرآیندهای تصفیه فاضلاب هستند که در آن میکروارگانیسم ها و باکتری های تصفیه کننده ضایعات در فاضلاب تحت تصفیه معلق می شوند، مانند حالت های مختلف فرآیند تصفیه لجن فعال. راکتورهای رشد معلق معمولاً برای تبدیل بیولوژیکی آمونیاک به نیترات (یعنی نیتریفیکاسیون بیولوژیکی) استفاده می شوند. فرآیند نیتریفیکاسیون بیولوژیکی را می توان به صورت تک مرحله ای یا جداگانه طبقه بندی کرد. در فرآیند تک مرحله ای، نیتریفیکاسیون و اکسیداسیون کربنی (حذف BOD) در یک حوضه اتفاق می افتد و نسبت BOD 5 / TKN (نیتروژن کل Kjeldahl) پساب اولیه معمولاً بیشتر از 5 است.

TKN مجموع نیتروژن آلی و نیتروژن آمونیاکی است. غلظت TKN در فاضلاب خانگی معمولی از 20 تا 85 میلی گرم در لیتر به عنوان نیتروژن متغیر است. در فرآیند مرحله جداگانه، اکسیداسیون کربن و نیتریفیکاسیون در مخازن جداگانه رخ می دهد و نسبت BOD 5 / TKN معمولاً بین 1 و 3 است.

فرآیندهای نیتریفیکاسیون بیوشیمیایی تک مرحله ای و جداگانه

راکتورهای رشد معلق

فرآیندهای تصفیه فاضلاب که در آن میکروارگانیسم ها و باکتری های تصفیه کننده ضایعات در فاضلاب در حال تصفیه معلق می شوند. زباله ها در اطراف و از طریق رشدهای معلق جریان می یابند. حالت های مختلف فرآیند لجن فعال از راکتورهای رشد معلق استفاده می کند. این راکتورها را می توان برای حذف BOD (نیروی اکسیژن بیوشیمیایی)، نیتریفیکاسیون و نیترات زدایی استفاده کرد. انواع پیکربندی عملیاتی برای راکتورهای رشد معلق وجود دارد، اما همه آنها برای نیتریفیکاسیون بیولوژیکی مناسب نیستند.

هوادهی طولانی

نیروگاه های هوادهی توسعه یافته به دلیل هوادهی طولانی و میانگین زمان ماندگاری سلولی (MCRT) بهترین عملکرد را در زمینه دستیابی به نیتریفیکاسیون خواهند داشت. فرآیند هوادهی توسعه یافته یکی از اصلاحات فرآیند لجن فعال است که تصفیه بیولوژیکی را برای حذف ضایعات آلی زیست تخریب پذیر در شرایط هوازی فراهم می کند. هوا ممکن است از طریق هوادهی مکانیکی یا پخش شده برای تامین اکسیژن مورد نیاز برای حفظ فرآیند بیولوژیکی هوازی تامین شود. اختلاط باید از طریق هوادهی یا وسایل مکانیکی برای حفظ موجودات میکروبی در تماس با مواد آلی محلول انجام شود. علاوه بر این، pH باید برای بهینه سازی فرآیند بیولوژیکی کنترل شود و مواد مغذی ضروری باید برای تسهیل رشد بیولوژیکی و ادامه تخریب بیولوژیکی وجود داشته باشد. تصویر زیر جریان فرآیند را برای یک کارخانه هوادهی توسعه یافته معمولی نشان می دهد.

سیستم های هوادهی توسعه یافته معمولاً برای تصفیه نرخ جریان فاضلاب بین 0.002 تا 0.1 MGD ساخته می شوند. کارخانه های هوادهی گسترده معمولاً با استفاده از “لجن بذر” از یک کارخانه فاضلاب دیگر راه اندازی می شوند. ممکن است دو تا چهار هفته از زمان کاشت بذر طول بکشد تا گیاه تثبیت شود. کارخانه های بسته هوادهی توسعه یافته معمولاً در شهرداری های کوچک، زیرمجموعه های حومه، مجتمع های آپارتمانی، مناطق استراحت بزرگراه، پارک های تریلر، مؤسسات کوچک و سایر مکان هایی که نرخ جریان کمتر از 0.1 MGD است استفاده می شود. این سیستم ها همچنین برای مناطقی که نیاز به نیتریفیکاسیون دارند مفید هستند.

راکتورهای دسته ای توالی (SBR)

یک راکتور دسته ای توالی یابی (SBR) نوعی از فرآیند لجن فعال است. به عنوان یک فرآیند پر کردن و کشش یا دسته ای، تمام مراحل تصفیه بیولوژیکی در یک مخزن واحد رخ می دهد. این با جریان معمولی از طریق فرآیند لجن فعال تفاوت دارد زیرا SBR ها به مخازن جداگانه برای هوادهی و ته نشینی نیاز ندارند. سیستم های SBR شامل دو یا چند مخزن راکتور هستند که به صورت موازی کار می کنند، یا یک مخزن یکسان سازی و یک مخزن راکتور. SBR های بسته معمولاً برای تصفیه نرخ جریان فاضلاب بین 0.01 تا 0.2 MGD ساخته می شوند. به طور معمول پنج مرحله در چرخه تصفیه SBR وجود دارد: پر کردن، واکنش، ته نشین شدن، تخلیه و بیکار. مدت زمانی که هر فاز رخ می دهد توسط یک کنترل کننده منطقی قابل برنامه ریزی (PLC) کنترل می شود که به سیستم اجازه می دهد تا از مکان های دور کنترل شود.

در فاز پر کردن، فاضلاب خام وارد حوضه می شود و در آنجا با زیست توده ته نشین شده از چرخه قبلی مخلوط می شود. ممکن است مقداری هوادهی در این مرحله رخ دهد. سپس، در فاز واکنش، حوضه هوادهی می شود و اجازه می دهد تا اکسیداسیون و نیتریفیکاسیون رخ دهد. در مرحله ته نشینی، هوادهی و اختلاط به حالت تعلیق درآمده و به جامدات اجازه ته نشین شدن داده می شود. سپس فاضلاب تصفیه شده در مرحله تخلیه از حوضه تخلیه می شود. در مرحله نهایی، حوضه بیکار است زیرا منتظر شروع چرخه بعدی است. در این مدت، بخشی از مواد جامد از حوضه خارج شده و به عنوان لجن زباله دفع می شود. یک سیستم SBR به سیستم RAS نیاز ندارد، زیرا هم هوادهی و هم ته نشینی در یک مخزن اتفاق می افتد. این امر از گم شدن لجن در مرحله واکنش جلوگیری می کند و نیازی به برگرداندن لجن از زلال ساز به محفظه هوادهی ندارد. در زیر نموداری وجود دارد که جریان فرآیند را برای یک راکتور batc توالی‌بندی نشان می‌دهد:

SBR های کارخانه بسته بندی برای مناطقی با زمین کم، نیاز به تصفیه شدید و جریان های فاضلاب کوچک مناسب هستند. به طور خاص، SBR ها برای پارک های RV یا خانه های متحرک، اردوگاه ها، سایت های ساخت و ساز، مدارس روستایی، هتل ها و سایر برنامه های کوچک مناسب هستند. SBR ها همچنین برای سایت هایی مناسب هستند که به حداقل حضور اپراتور نیاز دارند و دارای طیف گسترده ای از جریان ورودی و/یا بارگذاری ارگانیک هستند. صنایع با بارهای BOD بالا، SBR ها را برای تصفیه فاضلاب مفید خواهند یافت. این سیستم ها همچنین برای تاسیساتی که نیاز به نیتریفیکاسیون، نیترات زدایی و حذف فسفر دارند مناسب هستند.

خندق های اکسیداسیون

یک خندق اکسیداسیون، شکل اصلاح شده فرآیند لجن فعال، یک فرآیند مخلوط کامل هوادهی، طولانی مدت است. بسیاری از سیستم ها برای کارکردن به عنوان سیستم های هوادهی توسعه یافته طراحی شده اند. سیستم های تصفیه خندق اکسیداسیون معمولی از یک پیکربندی تک یا چند کاناله در یک حوض حلقه ای، بیضی یا نعل اسبی تشکیل شده است. هواده هایی که به صورت افقی یا عمودی نصب شده اند، هوادهی، گردش خون و انتقال اکسیژن را در خندق فراهم می کنند. خندق های اکسیداسیون بسته بندی معمولاً در اندازه هایی ساخته می شوند که نرخ جریان فاضلاب بین 0.01 تا 0.5 MGD را تصفیه می کنند. در زیر نمودار جریان برای یک خندق اکسیداسیون آورده شده است.

بسته به اندازه سیستم و نوع سازنده، ممکن است به یک محفظه سنگ ریزه نیاز باشد. پس از ورود به خندق، فاضلاب با هواده های سطحی یا شناور مکانیکی هوادهی می شود که مشروب مخلوط را در اطراف کانال با سرعت کافی برای جلوگیری از رسوب مواد جامد به حرکت در می آورد. هواده اطمینان حاصل می کند که اکسیژن کافی در مایع برای میکروب ها وجود دارد و اختلاط کافی برای اطمینان از تماس دائمی بین موجودات و مواد غذایی وجود دارد. گودال های اکسیداسیون تمایل دارند در حالت هوادهی طولانی کار کنند که شامل زمان های طولانی نگهداری هیدرولیک و جامدات است که به مواد آلی بیشتری اجازه تجزیه می دهد.

گودال های اکسیداسیون برای تاسیساتی که نیاز به حذف مواد مغذی دارند، محدودیت هایی به دلیل ماهیت سایت دارند یا سیستم بیولوژیکی می خواهند که با استفاده محدود از مواد شیمیایی در مصرف انرژی صرفه جویی کند، مگر اینکه برای درمان بیشتر لازم باشد، مناسب هستند. تکنولوژی خندق اکسیداسیون را می توان برای تصفیه هر نوع فاضلابی که به تخریب هوازی پاسخ می دهد استفاده کرد. این فناوری به ویژه برای مدارس، صنایع کوچک، توسعه مسکن و جوامع کوچک مفید است. در نهایت، این فناوری برای مکان هایی که مقدار زیادی زمین در دسترس دارند کاربرد بیشتری دارد.

نیتروژن کل کجلدال (TKN)

چرخه نیتروژن وسیله ای است که از طریق آن نیتروژن اتمسفر به اشکال مختلف در اختیار موجودات زنده قرار می گیرد. از مولکول های اساسی آمونیاک، نیترات و نیتریت گرفته تا اسیدهای آمینه و پروتئین های پیچیده تر، نیتروژن برای عملکرد موجودات زنده ضروری است. همچنین بخش مهمی در عملکرد روان بسیاری از تصفیه خانه های فاضلاب است. برای اینکه چرخه به خوبی کار کند، دانستن مقدار نیتروژن موجود در مراحل مختلف چرخه حیاتی است. تجزیه و تحلیل نیتروژن کل Kjeldahl (TKN) فرصتی را برای تعیین کمیت مقدار نیتروژن موجود در فرم آلی فراهم می کند. از آنجایی که انواع زیادی از ترکیبات آلی حاوی نیتروژن وجود دارد، نمی توان یک آزمایش واحد را فرموله کرد که باعث شود هر یک به روشی یکسان پاسخ دهند. هضم با تبدیل تمام اشکال نیتروژن هدف به یک ترکیب واحد، یعنی آمونیاک، برای غلبه بر این مشکل عمل می کند. این اجازه می دهد تا تمام نیتروژن به عنوان یک گونه تجزیه و تحلیل شود. متاسفانه تحلیل کیفی امکان پذیر نیست. نتایج باید به سادگی به صورت TKN بیان شوند. هضم TKN فقط نتایج کل نیتروژن آلی به اضافه آمونیاک را به شما می دهد. معمولاً از TKN برای کسب دانش در مورد محتوای نیتروژن کل نمونه درخواست می شود. بنابراین سایر آنالیزهای نیتروژن نیز اغلب اجرا می شوند. روابط در زیر آورده شده است:

نیتروژن کل = TKN + (نیترات + نیتریت)

نیتروژن کل آلی = TKN – آمونیاک کل)

کل نیتروژن معدنی = (نیترات + نیتریت) + آمونیاک کل

TKN = نیتروژن آلی کل + آمونیاک کل

هوازی در مقابل آنوکسیک

وقتی به مخزنی فکر می کنید که شرایط هوازی دارد، می دانید که اکسیژن زیادی در مخزن وجود دارد. به همین ترتیب، مخزن بی هوازی مخزن بدون اکسیژن است. یک چیز دیگر نیز وجود دارد که باید در نظر گرفت. اگر اکسیژن محلول در مخزن از بین رفته باشد، مخزن لزوماً بی هوازی نیست. هم نیتریت (NO 2 ) و هم نیترات (NO 3 ) دارای “اکسیژن ترکیبی شیمیایی” هستند. اگر اکسیژن محلول در میکروب‌های هوازی تمام شود، کمی خلاق می‌شوند و این مواد شیمیایی نیتروژن را تجزیه می‌کنند تا اکسیژن مورد نیاز خود را به دست آورند. اگر یک مخزن اکسیژن محلول نداشته باشد اما نیترات در آن وجود داشته باشد، وضعیت مخزن بدون اکسیژن نامیده می شود. میکروب‌های هوازی هنوز می‌توانند در شرایطی که شرایط تانک بدون اکسیژن است عمل کنند. گاهی اوقات در مخزن ته نشینی نهایی فرآیند لجن فعال این اتفاق می افتد. در زلال ساز، میکروب های هوازی از اکسیژن محلول باقی مانده از هوادهی استفاده می کنند و سپس شروع به استفاده از اکسیژن نیترات می کنند. با تجزیه نیترات، میکروب ها از اکسیژن استفاده کرده و نیتروژن را ترک می کنند. نیتروژن به شکل گاز نیتروژن است. در نگاه اول این مشکل به نظر نمی رسد. گاز نیتروژن غیر سمی است و فقط باید روی سطح زلال ساز شناور شود و به هوا برود. مشکل این است که میکروب های درون ذرات لخته همان هایی هستند که ابتدا DO تمام می شوند، سپس شروع به استفاده از نیترات و تولید گاز نیتروژن می کنند. وقتی این اتفاق می‌افتد، حباب‌های گاز نیتروژن باعث می‌شوند که ذرات لخته با حباب‌های نیتروژن داخل آن به سطح بالا بروند. فرآیند تبدیل نیترات به گاز نیتروژن توسط میکروب ها نیترات زدایی نامیده می شود. نیترات زدایی یک فرآیند خوب است اما نه در زلال سازی.

فرآیند نیتروژن زدایی توسط میکروب های نیتروژن انجام نمی شود. در عوض، کربن خواران خاصی هستند که نیترات را به گاز نیتروژن تبدیل می کنند زیرا به اکسیژن نیاز دارند. محصول نیتروژن زدایی، گاز نیتروژن، همچنین پایان چرخه نیتروژن است.

اکنون که می دانیم نیتریفایرها به خودی خود چگونه کار می کنند، باید ببینیم که چگونه با بقیه جمعیت میکروب کار می کنند. همانطور که قبلاً می دانیم میکروب های کوچک به نام باکتری و میکروب های بزرگ به نام تک یاخته ها وجود دارند. نیتریفایرها بخشی از جمعیت کوچک میکروب هستند. این میکروب های کوچک به دو دسته تقسیم می شوند. میکروب هایی که مواد آلی با کربن موجود در آنها را می خورند به عنوان کربن شناخته می شوند. گروه دوم از ترکیبات نیتروژن می خورند و به همین دلیل نیتریفایر نامیده می شوند. دریافت میکروب های کربن خوار برای خوردن بسیار آسان تر از دریافت میکروب های نیتروژن خوار برای خوردن است.

میکروب‌های کربنی، بزرگسالان جوان جمعیت هستند. آنها زیاد می خورند و به همین ترتیب تولید مثل می کنند. نیتریفایرها «شهروندان مسن» جمعیت کوچک میکروب هستند. آنها مسن‌تر هستند، در مورد شرایط غذایی دقیق‌تر هستند و نسبت به میکروب‌های کربنی تولید مثل می‌کنند. از نظر لجن فعال، نیتریفایرها زمان نگهداری لجن طولانی تری را ترجیح می دهند. اگر میانگین سنی میکروب ها خیلی کوتاه نگه داشته شود، میکروب های کربن دار عملکرد خوبی خواهند داشت، اما نیتریفایرها شروع به خوردن نمی کنند. اگر میانگین سنی میکروب ها خیلی قدیمی باشد، نیتریفایرها عالی عمل می کنند، اما میکروب های کربن دار شروع به مردن می کنند. از اینجا می‌توانیم به وضوح ببینیم که چرا یک فرآیند ثانویه دو مرحله‌ای بهترین کار را انجام می‌دهد.

لجن فعال و فیلترهای چکنده هر دو به عنوان اولین مرحله برای کاهش CBOD به خوبی عمل می کنند. میزان نیتریفیکاسیون در فیلترهای چکنده به عوامل مختلفی از جمله دما، DO، pH، وجود بازدارنده ها، عمق فیلتر و نوع محیط، سرعت بارگذاری و BOD فاضلاب بستگی دارد. فیلترهای چکاننده با نرخ پایین امکان ایجاد جمعیتی با نیتریفیکاسیون بالا را فراهم کردند. اگر از دو فیلتر استفاده شود، رشد هتروتروف در فیلتر اول و نیتریفیکاسیون در فیلتر دوم رخ می دهد.

گلبول های قرمز معمولاً به هر حال مرحله بندی می شوند. به منظور به دست آوردن یک پساب ثابت نیتریفیده، پنج مرحله RBC توصیه می شود. بیوفیلم RBC دارای جذب اولیه میکروب ها به سطح دیسک برای تشکیل بیوفیلم با ضخامت 1-4 میلی متر است که مسئول حذف BOD در کنتاکتورهای بیولوژیکی دوار است. دیسک های دوار سطح وسیعی را برای زیست توده متصل فراهم می کند. مراحل اول یک RBC بیشتر مواد آلی را حذف می کند، در حالی که مراحل بعدی شکل NH 3 از نیتروژن را در نتیجه نیتریفیکاسیون حذف می کنند، زمانی که BOD به اندازه کافی کم است. اکسید کننده های آمونیاکی نمی توانند به طور موثر با هتروتروف هایی که سریعتر رشد می کنند و مواد آلی را اکسید می کنند، رقابت کنند. نیتریفیکاسیون تنها زمانی اتفاق می افتد که BOD کاهش یابد و با سرعت چرخش افزایش می یابد. عملکرد RBC به طور منفی تحت تأثیر اکسیژن محلول پایین در مراحل اول و با pH پایین در مراحل بعدی که نیتریفیکاسیون رخ می دهد، قرار می گیرد.

یکی دیگر از تفاوت های بزرگ بین میکروب های کربن دار و نیتروژنی این است که آنها از کجا آمده اند. میکروب های کربن دار با فاضلاب خانگی وارد می شوند. نیتریفایرها فقط از خاک در دسترس هستند. در طول ماه های زمستان، میکروب های کربن دار همچنان در گیاه ذخیره می شوند. اگر نیتریفایرهای گیاه شسته شوند یا از بین بروند، هیچ راهی برای جایگزینی آنها تا زمانی که زمین ذوب شود وجود ندارد. این می تواند نیتریفیکاسیون زمستانی را دشوار کند. نیتریفایرها فقط در اینچ بالای خاک در معرض رشد رشد می کنند، بنابراین یک توده بزرگ مفید نخواهد بود. به همین دلیل، و این واقعیت که نیتریفایرها در دماهای سردتر زمستان بسیار کندتر کار می کنند، محدودیت های آمونیاک پساب خروجی اغلب در زمستان کمتر از تابستان است.

نیترات زدایی

اکنون که گیاه شما در حال نیتریفیکاسیون است، برای نیترات زدایی به چه چیزی نیاز دارید؟ پاسخ: در جایی از فرآیند لجن فعال شرایط بدون اکسیژن ایجاد کنید. قبل از نیترات زدایی از یک منطقه بدون اکسیژن در ابتدای مخازن لجن فعال استفاده می کند.

هنگامی که Nitrosomanas و Nitrobacter آمونیاک را به نیترات تبدیل می کنند، یک واکنش شیمیایی وجود دارد که می تواند برای توصیف تغییر کلی استفاده شود:

NH 4 + 2O 2 → NO 3 + 2H + H 2 O

نیترات زدایی بیولوژیکی فرآیندی است که در آن میکروارگانیسم ها نیترات را به نیتریت و نیتریت را به گاز نیتروژن تبدیل می کنند. باکتری‌های هتروتروف که معمولاً در لجن فعال وجود دارند، این تبدیل را زمانی انجام می‌دهند که اکسیژن مولکولی یا اکسیژن محلول وجود نداشته باشد و مواد آلی کافی وجود داشته باشد. باکتری ها اکسیژن خود را از اکسیژن موجود در نیترات می گیرند. گاز نیتروژن تولید شده به شکل اکسید نیتریک (NO)، اکسید نیتروژن (N 2 O) یا گاز نیتروژن (N 2 ) است. حذف خالص نیتروژن با حذف گاز نیتروژن تشکیل شده در حین نیتروژن زدایی از فاضلاب در یک فرآیند هوادهی بعدی انجام می شود.

اکسیژن محلول از نیترات زدایی جلوگیری می کند. با افزایش DO، نرخ نیترات زدایی کاهش می یابد. برای دستیابی به نیترات زدایی، DO را زیر 0.3 میلی گرم در لیتر در ناحیه بدون اکسیژن نگه دارید.

از اینجا می بینیم که این فرآیند به اکسیژن نیاز دارد و یون هیدروژن (H) تولید می کند. افزودن یون هیدروژن به آب مانند افزودن اسید به آب است. می تواند باعث کاهش pH شود. اگر pH بسیار کمتر از 6.8 شود، نیتریفایرها کار نمی کنند. pH ورودی هوادهی نیتریفایرها را متوقف می کند مگر اینکه مقداری ماده شیمیایی از قبل در آب باشد تا آن یون های هیدروژن را جذب کند. آن “شیمیایی” را قلیایی می نامند. قلیاییت در واقع به تعدادی از مواد شیمیایی اشاره دارد که در مجموع کار جذب اسید را انجام می دهند. یکی از این مواد شیمیایی کربنات کلسیم (CaCO 3 ) است. اندازه گیری قلیاییت بر حسب میلی گرم در لیتر در واقع به عنوان غلظت کربنات کلسیم داده می شود که همان مقدار اسید موجود در نمونه آب را جذب می کند. قلیاییت برای جذب یا “بافر” pH در طول نیتریفیکاسیون بسیار مهم است. برای هر پوند آمونیاک تبدیل شده، بیش از هفت پوند قلیائیت مصرف می شود. اگر قلیائیت کافی در پساب هوادهی وجود نداشته باشد، pH مانند یک سنگ کاهش می یابد و سرعت نیتریفیکاسیون نیز کاهش می یابد. اگر قلیائیت کافی در پساب هوادهی وجود نداشته باشد، کربنات کلسیم یا یک ماده شیمیایی جذب کننده اسید دیگر باید اضافه شود.

مقادیر pH بهینه برای نیترات زدایی بین 7.0 تا 8.5 است. نیترات زدایی یک فرآیند تولید قلیایی است. احیای بیولوژیکی نیترات (NO 3 ) به گاز نیتروژن (N 2 ) توسط باکتری های هتروتروف اختیاری نیترات زدایی نامیده می شود. باکتری های هتروتروف برای زندگی به منبع کربن به عنوان غذا نیاز دارند. باکتری های اختیاری می توانند اکسیژن خود را با خارج کردن اکسیژن محلول از آب یا با خارج کردن آن از مولکول های نیترات دریافت کنند. نیترات زدایی زمانی اتفاق می افتد که سطح اکسیژن کاهش می یابد و نیترات منبع اصلی اکسیژن برای میکروب ها می شود. این فرآیند در شرایط بدون اکسیژن انجام می شود، زمانی که غلظت اکسیژن محلول کمتر از 0.5 میلی گرم در لیتر، در حالت ایده آل کمتر از 0.2 باشد. هنگامی که باکتری ها نیترات (NO 3 ) را برای به دست آوردن اکسیژن (O 2 ) تجزیه می کنند ، نیترات به اکسید نیتروژن (N 2 O) و به نوبه خود گاز نیتروژن (N 2 ) کاهش می یابد. از آنجایی که گاز نیتروژن حلالیت کمتری در آب دارد، به صورت حباب گاز به اتمسفر فرار می کند. یک منبع کربن برای نیترات زدایی مورد نیاز است.

از آنجایی که باکتری های نیترات زدایی ارگانیسم های اختیاری هستند، می توانند از اکسیژن محلول یا نیترات به عنوان منبع اکسیژن برای متابولیسم و ​​اکسیداسیون مواد آلی استفاده کنند. اگر اکسیژن محلول و نیترات وجود داشته باشد، باکتری ها ابتدا از اکسیژن محلول استفاده می کنند. یعنی باکتری غلظت نیترات را کاهش نخواهد داد. نیترات زدایی فقط در شرایط بی هوازی یا بدون اکسیژن اتفاق می افتد. یکی دیگر از جنبه های مهم نیترات زدایی، نیاز به کربن است. یعنی وجود ماده آلی کافی برای ایجاد واکنش نیترات زدایی. مواد آلی ممکن است به شکل فاضلاب خام یا کربن مکمل باشد. شرایطی که بر کارایی نیترات زدایی تأثیر می گذارد عبارتند از غلظت نیترات، شرایط بدون اکسیژن، وجود مواد آلی، pH، دما، قلیاییت و اثرات فلزات کمیاب. ارگانیسم های نیترات زدایی معمولاً نسبت به نیتریفایرها نسبت به مواد شیمیایی سمی حساسیت کمتری دارند و سریعتر از نیتریفایرها از بارهای شوک سمی بازیابی می شوند.

دما بر سرعت رشد موجودات نیترات زدایی تاثیر می گذارد و در دماهای بالاتر سرعت بیشتری دارد. نیترات زدایی می تواند بین 5 تا 30 درجه سانتیگراد (41 تا 86 درجه فارنهایت) اتفاق بیفتد و این نرخ ها با دما و نوع منبع آلی موجود افزایش می یابد. بیشترین نرخ رشد را می توان در هنگام استفاده از متانول یا اسید استیک یافت. نرخ کمی کمتر با استفاده از فاضلاب خام رخ خواهد داد، و کمترین نرخ رشد در هنگام تکیه بر منابع کربن درون زا در دمای پایین آب مشاهده می شود. فاضلاب را نمی توان نیترات زدایی کرد مگر اینکه ابتدا نیتریفیک شود.

حالا وقتی تمام نیترات مصرف می شود، چگونه خواهید بود؟ مکان بعدی که میکروب ها به دنبال منبع اکسیژن خود خواهند رفت سولفات است. با مصرف سولفات‌ها، سولفیدها با هیدروژن ترکیب می‌شوند و سولفید هیدروژن را تشکیل می‌دهند و مانند تخم‌مرغ‌های گندیده بو می‌دهند. چرا می خواهید نیترات زدایی را در مرکز خود انجام دهید؟ دلیل واضح آن محدودیت‌های نیتروژن کل در مجوز تخلیه شما خواهد بود، دلایل دیگر شامل بازیابی قلیایی و اکسیژن، تمایل به تولید پساب با ثبات بالا و کاهش مشکلات ناشی از افزایش لجن در زلال‌کننده شما است.

پس از نیترات زدایی از یک منطقه بدون اکسیژن در انتهای مخازن لجن فعال استفاده می شود. نیترات زدایی در منطقه پس از نیترات زدایی کندتر از منطقه قبل از نیترات زدایی است.

برای افزایش نرخ نیترات زدایی در منطقه پس از نیترات زدایی چه کاری می توان انجام داد؟ نیترات زدایی مرحله ای از دوره های متناوب شرایط هوازی و بدون اکسیژن استفاده می کند. پساب اولیه در چندین نقطه در امتداد مخزن تغذیه می شود تا منبع کربن برای نیترات زدایی فراهم شود.

حذف آمونیاک

حذف آمونیاک حذف نیتروژن از فاضلاب زمانی که نیتروژن به شکل آمونیاک گازی است. آمونیاک یک ماده فرار است، به این معنی که تمایل به خروج از فاضلاب و ورود به جو دارد. آمونیاک (NH 3 ) و آمونیوم (NH 4 ) بر اساس pH با یکدیگر در تعادل هستند. بیشتر آمونیاک نیتروژن موجود در فاضلاب شهری به دلیل محدوده PH خنثی (بین 6 تا 8) به شکل آمونیوم است. بنابراین، مواد شیمیایی مانند آهک یا هیدروکسید سدیم باید اضافه شود تا PH را به محدوده 10.5 تا 11.5 برساند. این امر به طور موثر آمونیوم موجود در فاضلاب را به آمونیاک “تبدیل” می کند. اثر جداسازی با وارد کردن فاضلاب با pH بالا به بالای برج پر شده با محیط ثابت (یا “بسته بندی”) به دست می آید. هوا به پایین برج دمیده می شود و با فاضلاب ورودی به صورت جریان مخالف جریان می یابد. تماس نزدیک بین قطرات فاضلاب و هوای تازه، آمونیاک را تشویق می کند تا از فاضلاب به جریان هوای خروجی تبخیر شود.

کلرزنی نقطه شکست، اکسیداسیون شیمیایی آمونیاک به گاز نیتروژن (N 2 ) با افزودن کلر است. “نقطه شکست” دوز کلر است که با افزایش دوز کلر باعث افزایش باقیمانده کلر آزاد می شود. کلرزنی در نقطه شکست به دوزهای کلر نسبتاً بالایی در واحد آمونیاک موجود در فاضلاب نیاز دارد. به طور کلی، حدود 10 پوند کلر برای اکسید شدن یک پوند آمونیاک نیتروژن مورد نیاز است. به دلیل تقاضای بالای کلر، کلرزنی نقطه شکست به عنوان فرآیند حذف آمونیاک (یا نیتروژن) اولیه استفاده نمی شود. در لجن فعال، روش‌های بیولوژیکی مانند نیتریفیکاسیون/نیتروژن زدایی، برای حذف قسمت عمده نیتروژن و کلرزنی نقطه شکست به عنوان مرحله نهایی پرداخت برای حذف نیتروژن باقیمانده استفاده می‌شود.

نسبت BOD:TKN

در یک فرآیند ثانویه دو مرحله ای، مرحله اول برای کاهش BOD و مرحله دوم برای کاهش غلظت آمونیاک استفاده می شود. فرآیند نیتریفیکایتون به یک باکتری نیتریفیک کننده با رشد آهسته با لجن که برای مدت طولانی پیر شده و غلظت اکسیژن محلول بالا نیاز دارد. علاوه بر این، آنها مستعد مهار شدن توسط طیف گسترده ای از ترکیبات در غلظت های بسیار کم بودند که بر باکتری های هتروتروف تأثیر نگذارند. به این دلایل، جدا کردن فرآیندهای حذف کربن و حذف نیتروژن در راکتورهای جداگانه معقول به نظر می رسد. به عنوان مثال، اگر واحد مرحله دوم لجن فعال باشد، از اینجا به نظر می رسد که اپراتور باید سعی کند تا آنجا که ممکن است نیتریفایرها را در مشروب مخلوط مرحله دوم نگه دارد. متأسفانه نیتریفایرها میکروبهای ضعیفی هستند که ته نشین می شوند. آنها در یک لخته خیلی خوب به هم نمی چسبند و بنابراین در یک زلال ساز به خوبی ته نشین نمی شوند. به همین دلیل ما باید چند میکروب کربن دار در اطراف داشته باشیم تا ذرات لخته خوبی برای ته نشین شدن تشکیل دهند. اگر تعداد زیادی کربن خوار وجود داشته باشد، ممکن است نیتریفایرهای کافی برای کاهش غلظت آمونیاک وجود نداشته باشد. همانطور که می بینید، تعادل بین میکروب های کربنی و نیتریفایرها بسیار مهم است.

بهترین راه برای متعادل کردن میکروب ها، متعادل کردن غذای آنهاست. غذای کربن خوار را می توان با BOD اندازه گیری کرد. غذای نیتریفایر با TKN اندازه گیری می شود. برای مثال، اگر BOD در آب دو برابر TKN باشد، تقریباً دو برابر بیشتر از نیتریفایرها، میکروب‌های کربنی وجود خواهد داشت. اگر نیتریفایر زیاد باشد، غلظت آمونیاک کاهش می یابد، اما پساب خروجی از میکروب های غیر ته نشین کدر می شود. اگر میکروب های کربنی بیش از حد وجود داشته باشد، پساب خروجی شفاف می شود اما نیتریفیکاسیون کند یا حتی متوقف می شود. اگر غلظت BOD بر غلظت TKN تقسیم شود، عدد باید بزرگتر از 2 باشد. اگر مقدار کمتر از 2 باشد، پساب کدر می شود. کارکردن با مقدار بین 2 تا 6 در واحد نیتریفیکاسیون مرحله دوم باید پساب شفاف با غلظت آمونیاک به خوبی کاهش یابد. اگر نسبت BOD:TKN کمتر از 2 باشد، می توان آن را با اجازه دادن به برخی از پساب اولیه در اطراف مرحله اول دور زد تا غلظت BOD ورودی مرحله دوم را افزایش داد.

یکی از مشکلاتی که اپراتورهای یک واحد نیتریفیکاسیون مرحله جداگانه با آن روبرو هستند این است که مقدار کلر مورد نیاز برای ضد عفونی پساب پس از شروع نیتریفیکاسیون افزایش می یابد. نیترات زدایی نیترات پساب را به گاز نیتروژن تبدیل می کند. ما فقط نمی‌خواهیم این موضوع در شفاف‌سازها پیش برود.

مرور

نیتریفیکاسیون یک فرآیند میکروبی است که در آن ترکیبات نیتروژن احیا شده (عمدتاً آمونیاک) به طور متوالی به نیتریت و نیترات اکسید می شوند. آمونیاک از طریق فرآیندهای طبیعی یا از طریق افزودن آمونیاک در طول ضدعفونی ثانویه برای تشکیل کلرامین وجود دارد.

نیترات (NO 3 – ) و نیتریت (NO 2 – ) یونهای معدنی طبیعی هستند که بخشی از چرخه نیتروژن هستند. اثر میکروبی در خاک یا آب، ضایعات حاوی نیتروژن آلی را به آمونیاک تجزیه می کند و سپس به نیتریت و نیترات اکسید می شود. آب به طور طبیعی حاوی کمتر از 1 میلی گرم نیترات-نیتروژن در لیتر است و منبع اصلی قرار گرفتن در معرض آن نیست. سطوح بالاتر نشان می دهد که آب آلوده شده است. منابع معمول آلودگی نیترات شامل کودها، فضولات حیوانات، سپتیک تانک ها، سیستم های تصفیه فاضلاب شهری و بقایای گیاهی در حال پوسیدگی است. قوانین ایالتی و فدرال حداکثر سطح مجاز نیترات-نیتروژن در آب آشامیدنی عمومی را 10 میلی گرم در لیتر (10 قسمت در میلیون) تعیین می کند.

نیتریفیکاسیون تبدیل آمونیاک (NH 3 + ) به نیترات (NO 3 – ) است. نیترات زدایی تبدیل نیترات (NO 3 – ) به گاز نیتروژن (N 2 ) است. نیتروژن کل کجلدال یا TKN به عنوان نیتروژن کل آلی و نیتروژن آمونیاکی تعریف می شود. اگر نمی توانید این آزمایش را انجام دهید، همچنان باید چرخه نیتروژن را در کارخانه نظارت کنید.

وظیفه

در مورد سه نوع راکتور رشد معلق که برای نیتریفیکاسیون/نیتریفیکاسیون استفاده می شوند، به تفصیل بحث کنید. تکلیف خود را از طریق ضمیمه ایمیل، فکس یا ایمیل برای مربی ارسال کنید.

شما باید برای شرکت در آزمون میان ترم که درس های 1-8 را پوشش می دهد، آماده شوید. اگر قبلاً این کار را نکرده اید، اطلاعات محافظ خود را برای من ارسال کنید.

امتحان

به سوالات آزمون درس 8 پاسخ دهید .