Wpływ pH na jednoczesne usuwanie azotu i manganu w MBBR
Wpływ pH na wydajność MBBR
pH odgrywa kluczową rolę w wydajności reaktorów z biofilmem z ruchomym złożem (MBBR), bezpośrednio wpływając na aktywność drobnoustrojów i szybkość reakcji biochemicznych. Jako kluczowy czynnik środowiskowy, zmiany pH wpływają na:
- Struktura społeczności biofilmu- Zmiany pH zmieniają dominację bakterii nitryfikacyjnych/denitryfikacyjnych i mikroorganizmów-utleniających mangan.
- Aktywność enzymatyczna- Optymalne zakresy pH regulują działanie oksydoreduktazy azotynowej (pH 7-8) i oksydazy manganowej (pH 6-7).
- Kinetyka reakcji redoks- pH określa równowagę pomiędzy przemianami Mn²⁺/Mn⁴⁺ a ścieżkami konwersji azotu.
- Potencjał opadów - Higher pH (>8) sprzyja utlenianiu Mn²⁺ i wytrącaniu fosforanów, podczas gdy warunki kwaśne (pH<6) may inhibit these processes.
System wykazuje niezwykłą zdolność adaptacji, przy czym niektóre populacje drobnoustrojów zachowują funkcjonalność w szerokim zakresie pH (5-9), chociaż optymalna skuteczność usuwania różnych zanieczyszczeń występuje przy określonych poziomach pH.
Wydajność MBBR w różnych warunkach pH
W niedawnym badaniu przeprowadzonym na chińskim uniwersytecie sprawdzano działanie systemów reaktorów biofilmowych z ruchomym złożem (MBBR) w różnych warunkach pH (pH 5-9), a także pod warunkiem wpływającego stężenia Mn²⁺ wynoszącego 10 mg·L⁻¹. Poniżej podsumowano stężenia NH₄⁺-N, TN, TP, ChZT, Mn²⁺, NO₂⁻-N i NO₃⁻-N na dopływie i wylocie.
(1)NH₄⁺-Skuteczność usuwania N
The MBBR demonstrated consistently high NH₄⁺-N removal across all pH levels, with average efficiencies of 96.22% (pH 5), 98.89% (pH 6), 98.70% (pH 7), 98.65% (pH 8), and 96.69% (pH 9). These results indicate robust nitrification performance (>Wydajność 96%) niezależnie od zmian pH. Chociaż skuteczność usuwania początkowo wzrosła z pH 5 do 6 (osiągając maksimum przy 98,89%), po czym stopniowo spadała przy wyższych poziomach pH, ogólny wpływ pH na usuwanie NH₄⁺-N był minimalny. Sugeruje to silną zdolność adaptacji bakterii nitryfikacyjnych w biofilmie do wahań pH.
(2) Skuteczność usuwania TN
Całkowite usunięcie azotu wykazywało znaczną zależność od pH:
- pH 5: 40,13%
- pH 6: 42,66%
- pH 7: 49,20%
- pH 8: 52,74%
- pH 9:69.79%(szczytowa wydajność)
Poprawa o 29,66% od pH 5 do 9 podkreśla zwiększoną aktywność drobnoustrojów denitryfikacyjnych w warunkach zasadowych.
(3) Skuteczność usuwania ChZT
Usuwanie ChZT przebiegało według krzywej-w kształcie dzwonu:
- Optymalne neutralne pH: 94,27% przy pH 7
- Spadek w skrajnościach:
- pH 5: 90,85%
- pH 9: 53,81%
The sharp drop at pH>7 sugeruje hamowanie bakterii heterotroficznych w środowiskach zasadowych.
(4) Skuteczność usuwania Mn²⁺
Usuwanie Mn²⁺ było najskuteczniejsze przy pH bliskim-neutralnym:
- pH 6: 95,74% (optymalnie dla utleniania Mn²⁺ → MnOx)
- pH 5/9: <60% efficiency
Koreluje to z tendencjami w zakresie aktywności drobnoustrojów{{0}oksydacyjnych manganu.
(5) Skuteczność usuwania TP
Usuwanie fosforu poprawia się liniowo wraz ze wzrostem pH:
- pH 5: 20,70% → pH 9:51.76%
Najniższa wartość TP na wylocie (2,80 mg/l przy pH 9) wskazuje na preferowaną-alkaliczną aktywność PAO.
(6)NO₃⁻-N i NO₂⁻-N Dynamika
- Minimalizacja NO₃⁻-N przy pH 9: 5,89 mg/L (vs. 11.63 mg/L przy pH 5)
- Stabilna akumulacja NO₂⁻-N (0,16–0,19 mg/l) we wszystkich fazach
Potwierdza to synergistyczną nitryfikację-denitryfikację przy zasadowym pH.
Wniosek
Pod warunkiem, że dopływające stężenie Mn²⁺ wynosi 10 mg·L⁻¹, w tym badaniu zbadano dalej wpływ różnych poziomów pH na wydajność MBBR w oczyszczaniu ścieków. Wyniki wykazały, że gdy pH na dopływie zwiększono do 9, średnia skuteczność usuwania NH₄⁺-N, TN i TP osiągnęła96,69%, 69,79% i 51,76%odpowiednio. W porównaniu z fazą I (pH 5) skuteczność usuwania TN i TP znacznie wzrosła o29,66% i 31,06%odpowiednio.
Kluczowe ustalenia
1. Optymalna wydajność przy pH 9
- Najwyższe usuwanie N&P: MBBR pokazało się z jak najlepszej stronydenitryfikacja i usuwanie fosforumożliwości w warunkach zasadowych (pH 9), przy minimalnym wytwarzaniu NO₃⁻-N i prawie-całkowitej konwersji NH₄⁺-N.
- Zwiększona aktywność mikrobiologiczna:Efektywna powierzchnia całkowita (ETSA)biofilmu wzrastała proporcjonalnie do pH (7-9), osiągając maksimum przy pH 9, co wskazuje na lepszą aktywność metaboliczną w warunkach zasadowych. Jest to prawdopodobnie spowodowane dużą ilością wolnych jonów wodorotlenkowych (OH⁻), które wzmacniająwydajność jednoczesnej nitryfikacji-denitryfikacji (SND)..
2. Mechanizm usuwania Mn²⁺
- Dominacja adsorpcji zewnątrzkomórkowej: We wszystkich fazach (I-V), koniec75% usunięcia Mn²⁺uzyskano poprzez adsorpcję zewnątrzkomórkową przez mikroorganizmy biofilmu.
3. Dynamika społeczności drobnoustrojów
- Alkaliczne-Ulubione środki denitrujące: Kluczowe rodzaje denitryfikacyjne, takie jak Comamonas i Hyphomicrobium, wykazały zwiększoną względną liczebność przy wyższych poziomach pH, potwierdzając ich adaptację do środowisk zasadowych.
- Comamonas aquatica LNL3 wykazała się wyjątkową wszechstronnością metaboliczną, przekształcając zarówno NH₄⁺-N → NO₂⁻-N, jak i NH₄⁺-N → N₂.
- Zwiększona różnorodność biologiczna przy pH 9: Zwiększono unikalne operacyjne jednostki taksonomiczne (OTU).2 (pH 5) do 13 (pH 9), co odzwierciedla większe bogactwo mikrobiologiczne w warunkach zasadowych.
4. Implikacje funkcjonalne
- Synergistyczne usuwanie składników odżywczych: Alkaliczne pH (9) sprzyja aktywnościorganizmy akumulujące polifosforany-(PAO)Ibakterie denitryfikacyjne(np. Acinetobacter), optymalizując jednoczesne usuwanie N-P.
- Stabilność procesu: The MBBR maintained robust Mn²⁺ adsorption (>75%) niezależnie od zmian pH, podkreślając odporność systemu.
Praktyczne implikacje
- Zalecane pH operacyjne: 8,5–9,0dla maksymalnego usuwania TN/TP w Mn²⁺-zmienionych systemach MBBR.
- Zarządzanie mikrobiologiczne: Bioaugmentacja szczepami Comamonas lub Hyphomicrobium może dodatkowo usprawnić denitryfikację w reaktorach alkalicznych.