De werking van het actiefslibproces vereist de juiste controle van talrijke parameters, waaronder de controle van MLSS, een van de meest gebruikte indicatoren bij de dagelijkse werking van afvalwatersystemen.
1. Definitie van MLSS
De actiefslibconcentratie verwijst naar het gehalte aan gesuspendeerde vaste stoffen in de gemengde vloeistof bij de uitlaat van de beluchtingstank, aangegeven met het symbool MLSS, in eenheden van mg/l. Het wordt gebruikt om de hoeveelheid actief slib in de beluchtingstank te meten. Het totale bedrag aan MLSS omvat de volgende vier aspecten:
Actieve micro-organismen;
Niet-biologisch afbreekbaar organisch materiaal geadsorbeerd aan het actiefslib;
Residu van microbiële zelf-oxidatie;
Anorganische materie.
Tijdens bedrijf is het bijzonder belangrijk op te merken dat MLSS alleen betrekking heeft op de concentratie van de gemengde vloeistof in de beluchtingstank, met uitzondering van de concentratie van de gemengde vloeistof in de secundaire sedimentatietank. Bovendien is het bij het monitoren van de mengvloeistofconcentratie in de beluchtingstank van cruciaal belang om de concentratie van de mengvloeistof aan de uitlaat van de beluchtingstank als standaard te gebruiken om de actiefslibconcentratie in de gehele beluchtingstank te meten.
2. Relatie tussen slibconcentratie en andere controle-indicatoren
1. Relatie tussen actiefslibconcentratie en slibleeftijd
Slibleeftijd is een operationeel middel om de slibleeftijdsdoelstelling te bereiken door het verwijderen van actief slib. Een redelijk bereik voor het controleren van de actiefslibconcentratie kan worden gegeven op basis van een redelijke slibleeftijd en de verhouding tussen voedsel- en- microben. Als de actiefslibconcentratie overmatig wordt verhoogd, zal de slibleeftijd bijzonder lang zijn en de normaal gecontroleerde slibleeftijd overschrijden, zelfs als de concentratie van influent organisch materiaal niet hoog is. Dit geeft duidelijk aan dat de actiefslibconcentratie te hoog wordt gecontroleerd, wat veel nauwkeuriger is dan het beoordelen of de actiefslibconcentratie moet worden gecontroleerd op basis van de absolute waarde ervan.
2. Relatie tussen actiefslibconcentratie en watertemperatuur
De groei, voortplanting en het metabolisme van actief slib in de biologische zuiveringstank hangen nauw samen met de watertemperatuur. Voor elke 10 graden daling van de watertemperatuur zal de activiteit van actief slib met de helft afnemen; wanneer de watertemperatuur lager is dan 10 graden, is het behandelingseffect duidelijk slecht. Om dit aan te pakken, kan de actiefslibconcentratie worden aangepast aan veranderingen in de watertemperatuur:
Wanneer de watertemperatuur laag is, kan de actiefslibconcentratie worden verhoogd om de negatieve impact van verminderde actiefslibactiviteit te compenseren, waardoor een verhoogde verwijderingsefficiëntie bij lage watertemperaturen wordt bereikt.
Wanneer de watertemperatuur hoog is, is de actiefslibactiviteit krachtig. Een te hoge actiefslibconcentratie is nadelig voor de bezinking van het actiefslib. In dit geval kan het verminderen van de actiefslibconcentratie de vorming van onrustige vlokken en troebel supernatant voorkomen.
3. De relatie tussen de concentratie van actief slib en de bezinkingsverhouding van actief slib
De actiefslibconcentratie heeft invloed op de uiteindelijke bezinkingsverhouding. Een hogere actiefslibconcentratie resulteert in een hogere eindbezinkingsgraad, en omgekeerd. Dit komt doordat een hogere actiefslibconcentratie leidt tot een grotere biologische hoeveelheid, waardoor er na compressie en sedimentatie een hogere bezinkingsverhouding ontstaat. Een belangrijk verschil met andere factoren die de bezinkingsverhouding kunnen verhogen, is het observeren of het gecomprimeerde actieve slib dicht is en of de kleur donkerbruin is. In gevallen waarin een verhoogde concentratie van niet-actief slib tot een hogere bezinkingsverhouding leidt, is dit meestal te wijten aan een slechte verdichting en een doffere kleur.
Uiteraard heeft een te lage actiefslibconcentratie ook een aanzienlijke invloed op de bezinkingsverhouding. Vaak wordt dit echter niet veroorzaakt doordat operators de actiefslibconcentratie bewust verlagen, maar eerder door een te lage organische stofconcentratie in het influent. In dergelijke gevallen proberen operators, die vinden dat de actiefslibconcentratie te laag is, deze te verhogen, wat resulteert in veroudering van het actiefslib. De uiteindelijke observatie van de bezinkingsverhouding zal typische tekenen van veroudering van actief slib aan het licht brengen: hoge samendrukbaarheid, donkere kleur en een helder supernatant dat fijne vlokken bevat.
Als er een lage bezinkingsverhouding optreedt als gevolg van abnormale slibafvoer, zal uit observatie ook blijken dat het bezonken actieve slib bleek van kleur is, een slechte samendrukbaarheid heeft en schaars is.
3. De impact van slibconcentratie op nitrificatie en denitrificatie
1. De impact van slibconcentratie op nitrificatie
Veel omgevingsfactoren beïnvloeden de nitrificatie, waaronder pH, temperatuur, SRT, DO, BZV/TKN, slibconcentratie en giftige stoffen. In daadwerkelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties kunnen tijdens de procesvoering alleen parameters zoals SRT, DO, BZV/TKN en slibconcentratie worden gecontroleerd.
A. Bij aerobe nitrificatie resulteren hogere slibconcentraties in een relatief hogere concentratie nitrificerende bacteriën, wat leidt tot een hogere mate van aerobe nitrificatie onder omstandigheden met hoge slibconcentraties.
B. Om de aanwezigheid van nitrificerende bacteriën in biologisch slib te garanderen, is een bepaalde slibleeftijd noodzakelijk. Het creëren van gunstige levensomstandigheden voor nitrificerende bacteriën vergroot hun aandeel in de microbiële gemeenschap verder, waardoor hun concentratie toeneemt. Bij hoge slibconcentraties wordt in het anaërobe stadium meer BZV verbruikt, waardoor in het aërobe stadium een relatief lagere BZV/TKN-verhouding ontstaat.
Sommige onderzoeken hebben een omgekeerde relatie aangetoond tussen het aandeel nitrificerende bacteriën in actief slib en BZV/TKN. Omdat nitrificerende bacteriën autotroof zijn, is de concentratie aan organisch substraat geen beperkende factor voor hun groei. Als de organische substraatconcentratie echter te hoog is, zal dit ervoor zorgen dat heterotrofe bacteriën met hoge{2}}groei-snelheid zich snel vermenigvuldigen en strijden om opgeloste zuurstof. Dit vertraagt de groei van autotrofe bacteriën en voorkomt dat aerobe nitrificerende bacteriën een voordeel behalen, wat resulteert in een lagere nitrificatiesnelheid.
C. Opgeloste zuurstof (DO) is over het algemeen een belangrijke indicator in de nitrificatiefase van afvalwaterzuiveringsinstallaties, doorgaans boven 2 mg/l. Bij de meeste oxidatieslootprocessen is de gemiddelde DO-waarde in de sloot moeilijk te bereiken 2 mg/l, en blijft doorgaans 1 mg/l of lager. Het nitrificatie-effect is echter nog steeds goed. De reden hiervoor is dat de relatief hoge slibconcentratie die uniek is voor oxidatiesloten, hoewel resulterend in een lagere DO-waarde, andere factoren versterkt die bevorderlijk zijn voor nitrificatie.
Een verhoogde slibconcentratie vergroot het effectieve volume van de biologische zuiveringstank terwijl de belasting wordt verminderd. Vanuit een ander perspectief vergroot een toenemende slibconcentratie ook de aërobe capaciteit van micro-organismen. Onder dezelfde beluchtingsomstandigheden zou de meterstand voor opgeloste zuurstof ook lager moeten zijn. Bovenstaande punten verklaren dat het verhogen van de slibconcentratie de waarde van opgeloste zuurstof (DO) in de biologische zuiveringstank op passende wijze kan verlagen, terwijl een goed nitrificatieniveau behouden blijft.
D. Om de normale groei en reproductie van nitrificerende bacteriën in actief slib te garanderen, moet de slibleeftijd in het algemeen op meer dan 8 dagen worden gecontroleerd. Om echter een relatief evenwichtig concurrentievoordeel voor nitrificerende bacteriën ten opzichte van andere heterotrofe bacteriën te garanderen, moet de slibleeftijd worden verhoogd zonder ernstige veroudering van het slib te veroorzaken, waardoor de slibconcentratie in het biologische systeem dienovereenkomstig toeneemt.
2. De impact van slibconcentratie op denitrificatie
Biologische denitrificatie is het proces waarbij denitrificerende bacteriën de ionische zuurstof in nitraten gebruiken om organisch materiaal onder anoxische omstandigheden af te breken. Nitraat wordt gereduceerd tot N2, waarmee het denitrificatieproces wordt voltooid. Denitrificerende bacteriën zijn heterotrofe facultatieve bacteriën die overvloedig aanwezig zijn in afvalwaterzuiveringssystemen. Onder aerobe omstandigheden gebruiken ze zuurstof voor de ademhaling en oxidatieve afbraak van organisch materiaal.
Onder omstandigheden zonder moleculaire zuurstof, wanneer nitraat- en nitrietionen tegelijkertijd aanwezig zijn, kunnen ze de zuurstof in deze ionen gebruiken voor ademhaling, waarbij organisch materiaal wordt geoxideerd en afgebroken. Denitrificerende bacteriën kunnen een grote verscheidenheid aan organische substraten gebruiken als elektronendonoren in het denitrificatieproces, waaronder koolhydraten, organische zuren, alcoholen en zelfs verbindingen zoals alkanen, benzoaten en andere benzeenderivaten, die vaak de belangrijkste componenten van afvalwater zijn. Veel factoren beïnvloeden de denitrificatiesnelheid, waaronder pH, temperatuur, opgeloste zuurstof (DO), koolstof{2}}tot-stikstofverhouding (C/N-verhouding) en slibconcentratie. In daadwerkelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties kunnen tijdens de procesvoering alleen parameters zoals DO en slibconcentratie worden gecontroleerd. Hoewel de C/N-verhouding de belangrijkste beïnvloedende factor is bij de denitrificatiereactie, is deze sterk afhankelijk van de kwaliteit van het influentwater en in de praktijk doorgaans moeilijk te controleren.
A. Denitrificatie vereist de afwezigheid van moleculaire zuurstof, zodat denitrificerende bacteriën de ionische zuurstof in nitraten en nitrieten kunnen gebruiken om organisch materiaal af te breken. Zoals eerder vermeld, kunnen biologische systemen met hoge slibconcentraties de opgeloste zuurstof (DO) tijdens nitrificatie op passende wijze verminderen, terwijl de nitrificatie-efficiëntie behouden blijft. Daarom vermindert het verlagen van de DO aan het einde van de nitrificatie effectief het DO-gehalte dat wordt meegevoerd in de nitraatretourvloeistof, waardoor de impact van moleculaire zuurstof op het denitrificatieproces in de anoxische zone wordt verminderd en het vermogen van de denitrificerende bacteriën om koolstofbronnen te gebruiken wordt verbeterd.
Tegelijkertijd resulteren hoge slibconcentraties ook in een relatief sterke endogene metabolische aerobe capaciteit, waarbij opgeloste zuurstof verder wordt verbruikt in de retour- en anoxische zones. Bovendien veranderen zeer hoge slibconcentraties de viscositeit van de gemengde vloeistof, waardoor de diffusieweerstand toeneemt en dus de DO in de retourvloeistof wordt verminderd. Bij sommige behandelingsprocessen waarbij open kanalen als retourkanalen worden gebruikt, kan dit de oxygenatie die nodig is voor de retourstroom verminderen. Samenvattend spelen hoge slibconcentraties een belangrijke rol bij het verminderen van DO tijdens de denitrificatiefase van het daadwerkelijke proces.
B. Omdat denitrificerende bacteriën heterotrofe facultatieve bacteriën zijn en overvloedig aanwezig zijn in afvalwaterzuiveringssystemen, kan het verhogen van de slibconcentratie in het systeem de concentratie van denitrificerende bacteriën effectief verhogen. De snelheid van denitrificatie is grotendeels onafhankelijk van de nitraat- en nitrietconcentraties, maar vertoont een eerste--orde reactie met de concentratie van denitrificerende bacteriën.
Daarom kunnen hoge slibconcentraties tijdens de feitelijke procesvoering de denitrificatietijd verkorten en het effectieve volume van de anoxische zone verminderen. Gegeven een vast effectief volume in de anoxische zone, zorgen hoge slibconcentraties voor een betere benutting van relatief moeilijk-om-afbreekbaar organisch materiaal in de organische matrix als koolstofbron. Dit is vooral belangrijk voor processen voor de verwijdering van stikstof en fosfor, vooral wanneer koolstofbronnen onvoldoende zijn.
C. Hoge slibconcentraties resulteren in relatief grotere microbiële vlokdiameters. Tijdens nitrificatie leidt het lage niveau van opgeloste zuurstof tot een kleinere zuurstofdrukgradiënt, waardoor het gemakkelijker wordt om anoxische omgevingen te vormen binnen de vlokken, waardoor denitrificatie wordt bevorderd. Daarom kunnen hoge slibconcentraties gelijktijdige denitrificatie bevorderen.
4. De impact van slibconcentratie op biologische fosforverwijdering
De sleutel tot biologische fosforverwijdering is het vergroten van het aandeel polyfosfaat-accumulerende bacteriën in het actiefslibsysteem, terwijl tegelijkertijd hun snelle groei en voortplanting wordt bevorderd tijdens de werking van het systeem, waarbij een hoog fosforgehalte in de polyfosfaat-accumulerende bacteriën wordt gehandhaafd bij afvoer.
Om het aandeel polyfosfaat-accumulerende (PAC) bacteriën in het actiefslib van het systeem te vergroten, is het noodzakelijk om een gunstiger milieu en hydraulische omstandigheden voor hun groei en voortplanting te creëren. Dit betekent dat er een goede anaërobe en aërobe omgeving in de processtroom moet zijn. Het beheersen van omgevingsfactoren in de anaerobe zone is vooral belangrijk voor de groei en reproductie van PAC-bacteriën en het bereiken van fosforverwijdering. Een hoge slibconcentratie in de anaërobe zone is gunstiger voor PAC-bacteriën.
De efficiëntie van de biologische fosforverwijdering hangt nauw samen met de slibleeftijd. Pas vanaf een bepaalde slibleeftijd (circa 3 dagen) kan overtollig fosfor effectief worden verwijderd, waardoor de fosforverwijderingsfunctie wordt bereikt. Gegeven een vaste influent gesuspendeerde vaste stoffen (SS), aangezien de slibconcentratie direct evenredig is met de slibleeftijd, geldt: hoe hoger de slibconcentratie boven een bepaald bereik, hoe slechter het fosforverwijderingseffect.
A. Terwijl een slibleeftijd wordt gehandhaafd die voldoende is voor een efficiënte fosforverwijdering, resulteert het verhogen van de slibconcentratie in de anaërobe zone in een overeenkomstig hogere concentratie aan PAC-bacteriën. Dit vergroot de hoeveelheid fosfor-afgevende micro-organismen, wat op zijn beurt de hoeveelheid daaropvolgende aerobe fosfor-absorberende micro-organismen vergroot, waardoor het algehele fosforverwijderingseffect van het systeem wordt verbeterd.
B. In de anaerobe zone absorberen polyfosfaat-bacteriën de VFA en geven ze fosfor vrij. Tegelijkertijd kan de anaerobe zone, onder omstandigheden met een hoge slibconcentratie, dienen als het anaerobe verzuringsgedeelte van het systeem, waarbij op anaerobe wijze hoogmoleculaire, recalcitrante organische stof in het water wordt gehydrolyseerd. De energie die vrijkomt tijdens de fosforafgifte door polyfosfaat-accumulerende bacteriën kan worden gebruikt om azijnzuur, H+, enz. actief te absorberen, waardoor PHB wordt gevormd en dit in de bacteriën wordt opgeslagen. Dit bevordert het verzuringsproces van organisch materiaal, verbetert de biologische afbreekbaarheid van afvalwater en verhoogt de koolstofbron die wordt gebruikt voor denitrificatiereacties in daaropvolgende behandelingsprocessen.