Voorwoord:
Degenen die hebben gewerkt aan de inbedrijfstelling van biochemische systemen zijn wellicht dit probleem tegengekomen: een daling van de pH in anaerobe en aerobe tanks. Het is duidelijk dat deze pH-daling voornamelijk wordt veroorzaakt door de kwaliteit van het ruwe water. Bepaalde stoffen in het ruwe water produceren zure stoffen of verbruiken alkaliteit tijdens anaërobe reacties (zoals hydrolyse en verzuring) of aërobe reacties (zoals nitrificatie), wat leidt tot een pH-daling.
Enerzijds is deze pH-daling te voorzien. Gegeven een duidelijk inzicht in de kwaliteit van het ruwe water, wordt er al vroeg in het ontwerp van het afvalwaterzuiveringsproject rekening gehouden met deze pH-daling, en wordt doorgaans alkalische dosering geïnstalleerd. Ik heb ooit aan een afvalwaterproject gewerkt op een snelwegservicegebied en ontdekte dat het afvalwater uit dit gebied zeer hoge concentraties ammoniakstikstof en totaalstikstof bevatte. Het ammoniak-stikstofnitrificatieproces verbruikt onvermijdelijk een aanzienlijke hoeveelheid alkaliteit, dus werd er vooraf een alkalidoseringsapparaat geïnstalleerd-. In die tijd kwamen we een situatie tegen waarin we de chemicaliën niet tijdig aanvulden, waardoor we vrijwel geen natronloogvlokken meer hadden. Als gevolg hiervan daalde de pH op de eerste dag van 7,5 naar 6,5 en op de tweede dag van 6,5 naar 5,5. Op dit punt stortte het biochemische systeem in wezen in, waardoor er aanzienlijk schuim ontstond en de effluentnormen werden overschreden.
Aan de andere kant komen onverwachte pH-dalingen veel voor in afvalwaterzuiveringsinstallaties op industrieparken. De bewoners van deze parken veranderen voortdurend en het afvalwater dat zij lozen is divers. Bij het initiële ontwerp houden de afvalwaterzuiveringsinstallaties geen rekening met toekomstige bewoners. Vorig jaar kwamen we een onverklaarbare pH-daling tegen in de aerobe tank. De eerste stap was uiteraard het onderzoeken van de influentkwaliteit. We hebben waargenomen dat het ruwe water gemakkelijk schuimde toen het de regeltank binnenkwam, wat de aanwezigheid van oppervlakteactieve stoffen suggereerde. Naast het testen van de pH van het ruwe water was ook het testen van de alkaliteit noodzakelijk.
Het volgende artikel analyseert systematisch de oorzaken van de pH-daling in anaërobe en aërobe tanks vanuit drie perspectieven: reactiemechanisme, microbieel metabolisme en omgevingsfactoren.
I. Mechanismen van pH-daling in anaërobe tanks
1. Accumulatie van organische zuren
Anaerobe vergisting bestaat uit vier fasen: hydrolyse, verzuring, azijnzuurproductie en methaanproductie. Tijdens de verzuringsfase breken facultatieve bacteriën (zoals Clostridium) macromoleculair organisch materiaal (koolhydraten en eiwitten) af tot vluchtige vetzuren (VFA's, zoals azijnzuur en propionzuur), alcoholen en CO₂. Als de systeembelasting excessief is of de methanogene activiteit wordt geremd (bijvoorbeeld door temperatuurschommelingen of giftige stoffen), kunnen VFA's niet onmiddellijk worden omgezet in CH₄ en CO₂, wat leidt tot de accumulatie van zure tussenproducten en een aanzienlijke daling van de pH (mogelijk onder 5,5).
2. Vernietiging van het carbonaatbuffersysteem
Het oorspronkelijke HCO₃⁻/CO₂-bufferpaar in het afvalwater wordt onder anaërobe omstandigheden verbruikt:
CO₂ lost op in water en vormt H₂CO₃, dat uiteenvalt in H⁺ en HCO₃⁻;
Methanogenen gebruiken HCO₃⁻ als koolstofbron, wat resulteert in een afname van de buffercapaciteit.
Wanneer de VFA-concentraties hoger zijn dan 2000 mg/l, wordt de alkaliteitsneutralisatiecapaciteit van het systeem overschreden, waardoor een scherpe daling van de pH ontstaat.
Sulfidevorming;
In sulfaat-houdend afvalwater (zoals farmaceutisch en papierfabricagewater) reduceren sulfaat-reducerende bacteriën (SRB) SO₄²⁻ tot H₂S, waarbij alkaliteit wordt verbruikt en H⁺ vrijkomt.
Hoewel OH⁻ lokaal wordt gegenereerd, is de OH⁻, nadat H₂S zich heeft gecombineerd met metaalionen zoals Fe²⁺ in het water, onvoldoende om de zuurgraad van VFA's te compenseren.
II. Aanjagers van pH-daling in aërobe tanks
1. Sterke verzuring door nitrificatie
Ammoniakstikstof (NH₄⁺) wordt geoxideerd tot NO₃⁻ door nitroserende bacteriën (zoals Nitrosomonas) en nitrificerende bacteriën (zoals Nitrobacter). Voor elke mg NH₄⁺-N geoxideerd, wordt 7,14 mg alkaliteit (gemeten als CaCO₃) verbruikt en komen er 2 H⁺-eenheden vrij.
In afvalwater met een hoog-ammoniak-stikstofgehalte (zoals afvalwater van aquacultuur) kan de pH tijdens nitrificatie met 1,5–2,0 eenheden dalen.
2. Zuurproductie door heterotrofe bacteriën
Wanneer heterotrofe bacteriën in aërobe tanks resterend organisch materiaal afbreken, als opgeloste zuurstof (DO) onvoldoende is (<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. CO₂-oplossingsevenwicht
CO₂ geproduceerd door microbiële ademhaling lost op in water en vormt H₂CO₃. Wanneer de beluchtingsintensiteit onvoldoende is, kan CO₂ niet effectief worden gestript, wat resulteert in een toename van de H⁺-concentratie in de vloeistoffase.
III. Synergetische effecten en controleaanbevelingen
1. Effecten van anaërobe-aërobe systeemkoppeling
VFA's in het anaerobe tankeffluent komen rechtstreeks in de aerobe tank terecht, waardoor de verzuringsbelasting toeneemt.
Wanneer de genitrificeerde oplossing wordt teruggevoerd naar de anaërobe tank, verbruikt NO₃⁻-denitrificatie organisch materiaal, maar produceert het alkaliteit (de pH stijgt met 0,3-0,5). Daarom moet de recirculatieverhouding worden geoptimaliseerd (doorgaans 30-70%).
2. Controlestrategie
Anaërobe tank: voeg NaHCO₃ (100-500 mg/l) toe om de alkaliteit te behouden; controle organische belasting (CZV < 5000 mg/L); controleer ORP (-300-100 mV) om oververzuring te voorkomen.
Aërobe tank: Handhaaf DO > 2 mg/L; gebruik gefaseerde waterinstroom om VFA's te verdunnen; en voeg kalk (Ca(OH)₂) toe om nitrificerend zuur te neutraliseren.
