Pròleg:
Els que han treballat en la posada en marxa del sistema bioquímic poden haver trobat aquest problema: una caiguda del pH en tancs anaeròbics i aeròbics. Està clar que aquesta caiguda de pH és causada principalment per la qualitat de l'aigua bruta. Algunes substàncies de l'aigua bruta produeixen substàncies àcides o consumeixen alcalinitat durant les reaccions anaeròbies (com la hidròlisi i l'acidificació) o les reaccions aeròbies (com la nitrificació), que provoquen una caiguda del pH.
D'una banda, aquesta baixada de pH és previsible. Donada una comprensió clara de la qualitat de l'aigua bruta, aquesta caiguda de pH es considera a principis del disseny del projecte de tractament d'aigües residuals i normalment s'instal·la la dosificació d'àlcali. Una vegada vaig treballar en un projecte d'aigües residuals en una àrea de servei d'autopistes i vaig saber que les aigües residuals d'aquesta zona contenien nivells molt alts de nitrogen amoníac i nitrogen total. El procés de nitrificació de nitrogen d'amoníac consumeix inevitablement una quantitat important d'alcalinitat, de manera que es va instal·lar prèviament un dispositiu de dosificació d'àlcali. En aquell moment, ens vam trobar amb una situació en què no vam reposar els productes químics de manera oportuna, essencialment quedant-nos sense flocs de sosa càustica. Com a resultat, el pH va baixar de 7,5 a 6,5 el primer dia i de 6,5 a 5,5 el segon dia. En aquest punt, el sistema bioquímic es va col·lapsar essencialment, produint escuma important i superant els estàndards d'efluents.
D'altra banda, les caigudes de pH inesperades són habituals a les depuradores d'aigües residuals dels polígons industrials. Els ocupants d'aquests parcs canvien constantment i les aigües residuals que aboquen són diverses. Les depuradores d'aigües residuals no tenen en compte els futurs ocupants durant el seu disseny inicial. L'any passat, vam trobar una caiguda de pH inexplicable al tanc aeròbic. El primer pas, per descomptat, va ser investigar la qualitat de l'influent. Vam observar que l'aigua bruta feia escuma fàcilment en entrar al dipòsit regulador, cosa que suggereix la presència de tensioactius. A més de provar el pH de l'aigua bruta, també va ser necessària la prova d'alcalinitat.
El següent article analitzarà sistemàticament les causes de la caiguda del pH en tancs anaeròbics i aeròbics des de tres perspectives: mecanisme de reacció, metabolisme microbià i factors ambientals.
I. Mecanismes de caiguda de pH en tancs anaeròbics
1. Acumulació d'àcid orgànic
La digestió anaeròbica consta de quatre etapes: hidròlisi, acidificació, producció d'àcid acètic i producció de metà. Durant la fase d'acidificació, els bacteris facultatius (com el Clostridium) descomponen la matèria orgànica macromolecular (hidrats de carboni i proteïnes) en àcids grassos volàtils (AGV, com l'àcid acètic i l'àcid propiònic), alcohols i CO₂. Si la càrrega del sistema és excessiva o l'activitat del metanogen s'inhibeix (per exemple, per fluctuacions de temperatura o substàncies tòxiques), els VFA no es poden convertir ràpidament en CH₄ i CO₂, provocant l'acumulació d'intermedis àcids i una caiguda significativa del pH (possiblement per sota de 5,5).
2. Destrucció del sistema tampó de carbonat
El parell tampó HCO₃⁻/CO₂ original de les aigües residuals es consumeix en condicions anaeròbiques:
El CO₂ es dissol en aigua per formar H₂CO₃, que es dissocia en H⁺ i HCO₃⁻;
Els metanògens utilitzen HCO₃⁻ com a font de carboni, el que resulta en una disminució de la capacitat d'amortiment.
Quan les concentracions de VFA superen els 2000 mg/L, es supera la capacitat de neutralització de l'alcalinitat del sistema, provocant una forta caiguda del pH.
formació de sulfurs;
A les aigües residuals que contenen sulfat-(com les aigües residuals farmacèutiques i de fabricació de paper), els bacteris-reductors de sulfat (SRB) redueixen SO₄²⁻ a H₂S, consumint alcalinitat i alliberant H⁺.
Tot i que l'OH⁻ es genera localment, després que l'H₂S es combina amb ions metàl·lics com el Fe²⁺ a l'aigua, l'OH⁻ és insuficient per compensar l'acidesa dels VFA.
II. Factors de la disminució del pH en tancs aeròbics
1. Acidificació forta per nitrificació
El nitrogen amoníac (NH₄⁺) s'oxida a NO₃⁻ per bacteris nitrosants (com Nitrosomonas) i bacteris nitrificants (com Nitrobacter). Per cada mg de NH₄⁺-N oxidat, es consumeixen 7,14 mg d'alcalinitat (mesurada com a CaCO₃) i s'alliberen 2 unitats H⁺.
A les aigües residuals amb alt-amoníac en nitrogen (com les aigües residuals d'aqüicultura), el pH pot baixar entre 1,5 i 2,0 unitats durant la nitrificació.
2. Producció d'àcid per bacteris heteròtrofs
Quan els bacteris heteròtrofs dels tancs aeròbics degraden la matèria orgànica residual, si l'oxigen dissolt (DO) és insuficient (<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. Equilibri de dissolució del CO₂
El CO₂ produït per la respiració microbiana es dissol en aigua per formar H₂CO₃. Quan la intensitat de l'aireació és insuficient, el CO₂ no es pot eliminar eficaçment, donant lloc a un augment de la concentració d'H⁺ a la fase líquida.
III. Efectes sinèrgics i recomanacions de control
1. Efectes de l'acoblament del sistema anaeròbic-aeròbic
Els VFA de l'efluent del dipòsit anaeròbic entren directament al tanc aeròbic, augmentant la càrrega d'acidificació.
Quan la solució nitrificada es torna al dipòsit anaeròbic, la desnitrificació de NO₃⁻ consumeix matèria orgànica però produeix alcalinitat (el pH augmenta entre 0,3 i 0,5). Per tant, s'ha d'optimitzar la relació de recirculació (normalment 30-70%).
2. Estratègia de control
Tanc anaeròbic: afegiu NaHCO₃ (100-500 mg/L) per mantenir l'alcalinitat; controlar la càrrega orgànica (DQO < 5000 mg/L); controlar l'ORP (-300-100 mV) per evitar una acidificació excessiva.
Tanc aeròbic: Mantenir DO > 2 mg/L; utilitzar l'entrada d'aigua per etapes per diluir els VFA; i afegir calç (Ca(OH)₂) per neutralitzar l'àcid nitrificant.