چرا شوک بار باعث شد نیتروژن آمونیاکی پساب از حد استاندارد فراتر رود؟

همکاران ما در تصفیه فاضلاب احتمالاً با این سردرد مواجه شده‌اند: چند روز پیش، شاخص‌های مختلف پساب پایدار بودند و نیتروژن آمونیاکی و COD هر دو زیر خط مجاز بودند، اما ناگهان یک «شوک بار» وارد شد. ظرف دو روز، داده‌های آزمایشگاهی قرمز شدند و نیتروژن آمونیاکی به سرعت افزایش یافت. رهبران اصرار داشتند و بازرسی‌های زیست‌محیطی واقعاً دو چیز بزرگ بودند. امروز، من با همه در مورد چگونگی ایجاد تدریجی شوک بار برای فراتر رفتن نیتروژن آمونیاکی پساب از استاندارد صحبت خواهم کرد. ما درک روشنی داریم و باید از قبل آماده باشیم.

اولاً، باید مشخص شود که منظور از «شوک بار» چیست؟ به زبان ساده، «مصرف غذا» تصفیه‌خانه فاضلاب ناگهان از استاندارد فراتر رفت. ممکن است کارخانه بالادستی به طور مخفیانه فاضلاب با غلظت بالا تخلیه کرده باشد، یا ممکن است موج بزرگی از آلاینده‌ها توسط جریان مخلوط در شبکه خط لوله در روزهای بارانی وارد شده باشد، یا ممکن است ایستگاه پمپاژ جریان آب را به خوبی کنترل نکرده باشد، که ناگهان مقدار زیادی «غذا» را به مخزن بیوشیمیایی وارد کرده است. سیستم بیوشیمیایی ما مانند یک کافه تریا است. به طور معمول، همه طبق اشتهای خود غذا می‌خورند، اما ناگهان گروهی از پرخورها هجوم می‌آورند و باعث هرج و مرج در آشپزخانه می‌شوند. این وضعیت اساسی شوک بار است.

چه تغییراتی در ابتدای شوک بار در استخر بیوشیمیایی رخ خواهد داد؟ بارزترین چیز این است که «خوردن» بیش از حد وجود دارد و میکروارگانیسم‌ها نمی‌توانند خود را با آن هماهنگ کنند. همه ما می‌دانیم که تصفیه نیتروژن آمونیاکی عمدتاً به باکتری‌های نیتریفایر متکی است که بسیار ظریف هستند. آنها باید به اعتدال تغذیه شوند و محیطی راحت داشته باشند. در شرایط عادی، غلظت نیتروژن آمونیاکی و بار آلی در ورودی پایدار است و باکتری‌های نیتریفایر به آرامی تکثیر می‌شوند که می‌توانند نیتروژن آمونیاکی را به نیترات تبدیل کنند. اما به محض اینکه بار ناگهان افزایش یابد، به عنوان مثال زمانی که غلظت نیتروژن آمونیاکی در ورودی از 30 میلی‌گرم در لیتر معمول به 80 میلی‌گرم در لیتر کاهش می‌یابد، یا زمانی که ورودی دو برابر می‌شود، مقدار کل نیتروژن آمونیاکی در واحد حجم ناگهان افزایش می‌یابد و «بار کاری» باکتری‌های نیتریفایر ناگهان چندین برابر می‌شود، آنها ابتدا «گیج» خواهند شد.

بلافاصله پس از آن، اکسیژن محلول کافی وجود نداشت. تصفیه میکروبی آلاینده‌ها به کمک اکسیژن متکی است. هنگامی که بار زیاد است، میکروارگانیسم‌ها به شدت «تنفس» می‌کنند تا مواد آلی را تجزیه کنند، که منجر به افزایش شدید مصرف اکسیژن می‌شود. سیستم هوادهی ما دارای حداکثر ظرفیت تامین اکسیژن است که برای استفاده معمولی کافی است. هنگامی که شوک وجود دارد، غذا متوقف می‌شود. درست مثل گروهی از مردم که همزمان در یک اتاق کوچک می‌دوند، قطعاً اکسیژن کافی وجود ندارد و همه برای نفس کشیدن تلاش می‌کنند. غلظت اکسیژن محلول در استخر بیوشیمیایی به سرعت از 2-3 میلی‌گرم در لیتر معمول به زیر 1 میلی‌گرم در لیتر کاهش می‌یابد و حتی به صفر نزدیک می‌شود. باکتری‌های نیتریفایر به اکسیژن محلول حساس هستند و هنگام کار به حداقل 1-2 میلی‌گرم در لیتر اکسیژن محلول نیاز دارند. هنگامی که کمبود اکسیژن وجود دارد، آنها متوقف می‌شوند و راندمان تبدیل نیتروژن آمونیاکی مستقیماً کاهش می‌یابد. در این مرحله، هنگام اندازه‌گیری اکسیژن محلول در مخزن بیوشیمیایی، متوجه خواهید شد که مقدار به سرعت کاهش می‌یابد و حتی زمانی که هواده به حداکثر خود می‌رسد، نمی‌تواند آن را تحمل کند. حباب‌های روی سطح آب ضعیف و بی‌جان به نظر می‌رسند.

سپس مقدار pH کاهش می‌یابد که برای باکتری‌های نیتریفایر حتی بدتر است. هنگامی که میکروارگانیسم‌ها مواد آلی را تجزیه می‌کنند، اسیدهای آلی تولید می‌کنند و هرچه بار بیشتر باشد، اسیدهای بیشتری تولید می‌شود. در همین حال، خود واکنش نیتریفیکاسیون نیز قلیائیت را مصرف می‌کند و تقریباً 7.14 گرم قلیائیت معادل کربنات کلسیم برای هر 1 گرم تبدیل نیتروژن آمونیاکی نیاز دارد. تحت شوک بار، قلیائیت به سرعت مصرف می‌شود و بدون تجدید به موقع، و مقدار pH در مخزن بیوشیمیایی از 7.5-8.5 معمول به زیر 7 یا حتی به 6.5 کاهش می‌یابد. باکتری‌های نیتریفایر برای کار در محیط‌های قلیایی خنثی مناسب‌ترین هستند. با کاهش pH، فعالیت آنها مانند یخ زدن است و سرعت واکنش به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. در این مرحله، هنگامی که برای اندازه‌گیری pH می‌روید، متوجه خواهید شد که مقدار روز به روز تغییر می‌کند و به آرامی کاهش می‌یابد و نتیجه اندازه‌گیری شده توسط کیت آزمایش قلیائیت نیز به طرز وحشتناکی کم خواهد بود.

حتی مشکل‌سازتر این است که شوک بار می‌تواند باعث درگیری در جامعه میکروبی شود. استخر بیوشیمیایی ما نه تنها حاوی باکتری‌های نیتریفایر است، بلکه حاوی بسیاری از باکتری‌های هتروتروفی است که مواد آلی را تجزیه می‌کنند. باکتری‌های هتروتروفی بسیار غالب‌تر از باکتری‌های نیتریفایر هستند، زیرا به سرعت تکثیر می‌شوند و برای غذا به شدت رقابت می‌کنند. به طور معمول، همه در صلح زندگی می‌کنند، اما به محض رسیدن غلظت‌های بالای مواد آلی، باکتری‌های هتروتروفی مانند گرگ‌های گرسنه تکثیر می‌شوند و با باکتری‌های نیتریفایر برای اکسیژن و فضای زندگی رقابت می‌کنند. درست مثل گروهی از مردان قوی که برای گرفتن غذا در کافه تریا هجوم می‌آورند، باکتری‌های نیتریفایر که به آرامی می‌جوند نمی‌توانند رقابت کنند و فقط می‌توانند گرسنه بمانند. در این مرحله، معاینه میکروسکوپی نشان می‌دهد که کلنی‌های باکتریایی شل شده‌اند، پروتوزوآها کاهش یافته‌اند و تعداد باکتری‌های نیتریفایر که در ابتدا سهم معینی داشتند، به شدت کاهش یافته است. ساختار کل جامعه میکروبی مختل شده است.

با گذشت زمان، فعالیت و کمیت باکتری‌های نیتریفایر کاهش می‌یابد. به دلیل تأثیر بار، آنها نه تنها از گرسنگی، هیپوکسی و ناراحتی pH رنج می‌برند، بلکه ممکن است به دلیل تخریب محیطی نیز بمیرند. سرعت تولید مثل باکتری‌های نیتریفایر در حال حاضر کند است، با یک چرخه نسل چند روزه، برخلاف باکتری‌های هتروتروفی که می‌توانند چندین نسل در یک روز تولید مثل کنند. هنگامی که تعداد زیادی از باکتری‌های نیتریفایر می‌میرند، بازیابی آن دشوار می‌شود. در این مرحله، اگر برای اندازه‌گیری نیتروژن آمونیاکی در مخزن بیوشیمیایی بروید، متوجه خواهید شد که نیتروژن آمونیاکی در ورودی چندان کاهش نیافته است و هنوز در خروجی زیاد است، که نشان می‌دهد واکنش نیتریفیکاسیون تقریباً متوقف شده است. مقدار نیتروژن آمونیاکی در پساب از این نقطه شروع به افزایش می‌کند.

اگر تأثیر بار برای مدت طولانی ادامه داشته باشد یا شدت تأثیر به ویژه زیاد باشد، وضعیت حتی بدتر خواهد شد. سیستم نیتریفیکاسیون ممکن است به طور کامل فرو بریزد و حتی اگر بار ورودی کاهش یابد، نیتروژن آمونیاکی را نمی‌توان به عقب کاهش داد. از آنجایی که باکتری‌های نیتریفایر تقریباً مرده‌اند، «نیروی اصلی» در استخر بیوشیمیایی از بین رفته است و باید دوباره آموزش داده شود. این مانند این است که سرآشپز در آشپزخانه پشتی یک کافه تریا خسته شود و فرار کند. حتی اگر مشتریان کمتری وجود داشته باشند، دیگر کسی نمی‌تواند آشپزی کند، بنابراین ما باید افراد جدیدی را استخدام و آموزش دهیم. این فرآیند می‌تواند به کوتاهی یک یا دو هفته یا به طول یک یا دو ماه طول بکشد و نیتروژن آمونیاکی پساب قطعاً همچنان از استاندارد فراتر خواهد رفت.

سپس مقدار pH کاهش می‌یابد که برای باکتری‌های نیتریفایر حتی بدتر است. هنگامی که میکروارگانیسم‌ها مواد آلی را تجزیه می‌کنند، اسیدهای آلی تولید می‌کنند و هرچه بار بیشتر باشد، اسیدهای بیشتری تولید می‌شود. در همین حال، خود واکنش نیتریفیکاسیون نیز قلیائیت را مصرف می‌کند و تقریباً 7.14 گرم قلیائیت معادل کربنات کلسیم برای هر 1 گرم تبدیل نیتروژن آمونیاکی نیاز دارد. تحت شوک بار، قلیائیت به سرعت مصرف می‌شود و بدون تجدید به موقع، و مقدار pH در مخزن بیوشیمیایی از 7.5-8.5 معمول به زیر 7 یا حتی به 6.5 کاهش می‌یابد. باکتری‌های نیتریفایر برای کار در محیط‌های قلیایی خنثی مناسب‌ترین هستند. با کاهش pH، فعالیت آنها مانند یخ زدن است و سرعت واکنش به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد. در این مرحله، هنگامی که برای اندازه‌گیری pH می‌روید، متوجه خواهید شد که مقدار روز به روز تغییر می‌کند و به آرامی کاهش می‌یابد و نتیجه اندازه‌گیری شده توسط کیت آزمایش قلیائیت نیز به طرز وحشتناکی کم خواهد بود.

حتی مشکل‌سازتر این است که شوک بار می‌تواند باعث درگیری در جامعه میکروبی شود. استخر بیوشیمیایی ما نه تنها حاوی باکتری‌های نیتریفایر است، بلکه حاوی بسیاری از باکتری‌های هتروتروفی است که مواد آلی را تجزیه می‌کنند. باکتری‌های هتروتروفی بسیار غالب‌تر از باکتری‌های نیتریفایر هستند، زیرا به سرعت تکثیر می‌شوند و برای غذا به شدت رقابت می‌کنند. به طور معمول، همه در صلح زندگی می‌کنند، اما به محض رسیدن غلظت‌های بالای مواد آلی، باکتری‌های هتروتروفی مانند گرگ‌های گرسنه تکثیر می‌شوند و با باکتری‌های نیتریفایر برای اکسیژن و فضای زندگی رقابت می‌کنند. درست مثل گروهی از مردان قوی که برای گرفتن غذا در کافه تریا هجوم می‌آورند، باکتری‌های نیتریفایر که به آرامی می‌جوند نمی‌توانند رقابت کنند و فقط می‌توانند گرسنه بمانند. در این مرحله، معاینه میکروسکوپی نشان می‌دهد که کلنی‌های باکتریایی شل شده‌اند، پروتوزوآها کاهش یافته‌اند و تعداد باکتری‌های نیتریفایر که در ابتدا سهم معینی داشتند، به شدت کاهش یافته است. ساختار کل جامعه میکروبی مختل شده است.

با گذشت زمان، فعالیت و کمیت باکتری‌های نیتریفایر کاهش می‌یابد. به دلیل تأثیر بار، آنها نه تنها از گرسنگی، هیپوکسی و ناراحتی pH رنج می‌برند، بلکه ممکن است به دلیل تخریب محیطی نیز بمیرند. سرعت تولید مثل باکتری‌های نیتریفایر در حال حاضر کند است، با یک چرخه نسل چند روزه، برخلاف باکتری‌های هتروتروفی که می‌توانند چندین نسل در یک روز تولید مثل کنند. هنگامی که تعداد زیادی از باکتری‌های نیتریفایر می‌میرند، بازیابی آن دشوار می‌شود. در این مرحله، اگر برای اندازه‌گیری نیتروژن آمونیاکی در مخزن بیوشیمیایی بروید، متوجه خواهید شد که نیتروژن آمونیاکی در ورودی چندان کاهش نیافته است و هنوز در خروجی زیاد است، که نشان می‌دهد واکنش نیتریفیکاسیون تقریباً متوقف شده است. مقدار نیتروژن آمونیاکی در پساب از این نقطه شروع به افزایش می‌کند.

اگر تأثیر بار برای مدت طولانی ادامه داشته باشد یا شدت تأثیر به ویژه زیاد باشد، وضعیت حتی بدتر خواهد شد. سیستم نیتریفیکاسیون ممکن است به طور کامل فرو بریزد و حتی اگر بار ورودی کاهش یابد، نیتروژن آمونیاکی را نمی‌توان به عقب کاهش داد. از آنجایی که باکتری‌های نیتریفایر تقریباً مرده‌اند، «نیروی اصلی» در استخر بیوشیمیایی از بین رفته است و باید دوباره آموزش داده شود. این مانند این است که سرآشپز در آشپزخانه پشتی یک کافه تریا خسته شود و فرار کند. حتی اگر مشتریان کمتری وجود داشته باشند، دیگر کسی نمی‌تواند آشپزی کند، بنابراین ما باید افراد جدیدی را استخدام و آموزش دهیم. این فرآیند می‌تواند به کوتاهی یک یا دو هفته یا به طول یک یا دو ماه طول بکشد و نیتروژن آمونیاکی پساب قطعاً همچنان از استاندارد فراتر خواهد رفت.

نکته دیگری که به راحتی نادیده گرفته می‌شود این است که مخزن ته نشینی نیز پس از شوک بار مستعد مشکل است و به طور غیرمستقیم منجر به افزایش نیتروژن آمونیاکی می‌شود. تحت تأثیر، فعالیت میکروبی ضعیف است و اثر انعقاد لخته‌های میکروبی خوب نیست. این می‌تواند منجر به تورم لجن و نشت لجن در مخزن ته نشینی شود. تعداد زیادی از باکتری‌های نیتریفایر همراه با لجن از سیستم خارج می‌شوند و جمعیت میکروبی در استخر کاهش می‌یابد و به طور طبیعی باعث می‌شود ظرفیت تصفیه عقب بماند. در این مرحله، اگر به مخزن ته نشینی بروید و نگاه کنید، یک لایه لجن ریز روی سطح آب شناور خواهد بود و مقدار زیادی لجن نیز از سرریز خروجی خارج می‌شود. غلظت لجن (MLSS) را اندازه‌گیری کنید و متوجه خواهید شد که بسیار کمتر از حد معمول است.

ممکن است کسی بپرسد، چرا نیتروژن آمونیاکی پس از عبور شوک بار کاهش نیافته است؟ این به این دلیل است که بهبودی باکتری‌های نیتریفایر زمان می‌برد. درست مثل زمانی که یک فرد بیش از حد کار می‌کند و بیمار می‌شود، چیزی نیست که بتوان آن را فقط در یک روز استراحت درمان کرد، آنها باید به آرامی از خود مراقبت کنند. حتی اگر بار ورودی به حالت عادی بازگردد و عوامل محیطی مانند اکسیژن محلول و pH دوباره تنظیم شوند، باکتری‌های نیتریفایر باید دوباره تکثیر و جمع شوند که می‌تواند چندین روز یا هفته طول بکشد. در طول این دوره بهبودی، نیتروژن آمونیاکی پساب بالا باقی می‌ماند تا زمانی که عملکرد سیستم نیتریفیکاسیون به طور کامل بازیابی شود.

بیایید این فرآیند را خلاصه کنیم: افزایش ناگهانی بار → افزایش سریع مصرف اکسیژن میکروبی، اکسیژن محلول ناکافی → تجزیه مواد آلی برای تولید اسید، مصرف قلیائیت، کاهش pH → تکثیر زیاد باکتری‌های هتروتروفی، اشغال فضای زندگی باکتری‌های نیتریفایر → مهار فعالیت باکتریایی نیتریفایر، کاهش کمیت → کاهش قابل توجه راندمان تبدیل نیتروژن آمونیاکی → رواناب لجن از مخزن ته نشینی، تشدید تلفات میکروبی → افزایش مداوم نیتروژن آمونیاکی پساب → حتی پس از پایان تأثیر، سیستم نیتریفیکاسیون هنوز به زمان برای بهبودی نیاز دارد و نیتروژن آمونیاکی بالا باقی می‌ماند.

با درک این فرآیند، می‌توانیم بهتر از شوک‌های بار در زندگی روزمره خود جلوگیری و به آنها پاسخ دهیم. به عنوان مثال، تقویت نظارت بر ورودی آب برای تشخیص نوسانات غیرعادی از قبل؛ بهینه سازی سیستم هوادهی برای اطمینان از ظرفیت تامین اکسیژن کافی؛ ذخیره مقداری عوامل قلیایی و در صورت لزوم به موقع آنها را تجدید کنید؛ اطمینان از کنترل مناسب برگشت لجن برای جلوگیری از نشت لجن و سایر مسائل. با انجام خوب این وظایف، می‌توانیم تأثیر شوک بار بر نیتروژن آمونیاکی پساب را به حداقل برسانیم و سیستم تصفیه فاضلاب خود را پایدارتر و قابل اطمینان‌تر کنیم.