Lời nói đầu:
Những người từng làm công việc vận hành hệ thống sinh hóa có thể gặp phải vấn đề này: độ pH trong bể kỵ khí và hiếu khí giảm. Rõ ràng là sự sụt giảm độ pH này chủ yếu là do chất lượng nước thô. Một số chất trong nước thô tạo ra các chất có tính axit hoặc tiêu tốn độ kiềm trong các phản ứng kỵ khí (như thủy phân và axit hóa) hoặc các phản ứng hiếu khí (như nitrat hóa), dẫn đến giảm độ pH.
Một mặt, sự giảm độ pH này là có thể đoán trước được. Với sự hiểu biết rõ ràng về chất lượng nước thô, việc giảm độ pH này được xem xét sớm trong thiết kế dự án xử lý nước thải và liều lượng kiềm thường được lắp đặt. Tôi từng làm việc trong một dự án xử lý nước thải tại khu vực dịch vụ đường cao tốc và tôi được biết rằng nước thải từ khu vực này chứa hàm lượng nitơ amoniac và tổng nitơ rất cao. Quá trình nitrat hóa nitơ amoniac chắc chắn tiêu tốn một lượng kiềm đáng kể, do đó, một thiết bị định lượng kiềm đã được-lắp đặt sẵn. Vào thời điểm đó, chúng tôi gặp phải tình trạng không bổ sung hóa chất kịp thời, dẫn đến hết xút. Kết quả là độ pH giảm từ 7,5 xuống 6,5 vào ngày đầu tiên và từ 6,5 xuống 5,5 vào ngày thứ hai. Tại thời điểm này, hệ thống sinh hóa về cơ bản đã sụp đổ, tạo ra bọt đáng kể và vượt quá tiêu chuẩn nước thải.
Mặt khác, hiện tượng pH giảm đột ngột thường xảy ra ở các nhà máy xử lý nước thải tại các khu công nghiệp. Cư dân của những công viên này liên tục thay đổi và lượng nước thải họ thải ra cũng rất đa dạng. Các nhà máy xử lý nước thải không tính đến những người cư trú trong tương lai trong quá trình thiết kế ban đầu. Năm ngoái, chúng tôi gặp phải tình trạng pH trong bể hiếu khí giảm không rõ nguyên nhân. Tất nhiên, bước đầu tiên là điều tra chất lượng ảnh hưởng. Chúng tôi quan sát thấy nước thô dễ tạo bọt khi đi vào bể điều hòa, cho thấy có sự hiện diện của chất hoạt động bề mặt. Ngoài việc kiểm tra độ pH của nước thô, việc kiểm tra độ kiềm cũng rất cần thiết.
Bài viết dưới đây sẽ phân tích một cách hệ thống các nguyên nhân làm giảm pH trong bể kỵ khí và hiếu khí từ ba góc độ: cơ chế phản ứng, quá trình trao đổi chất của vi sinh vật và các yếu tố môi trường.
I. Cơ chế giảm pH trong bể kỵ khí
1. Tích lũy axit hữu cơ
Quá trình phân hủy kỵ khí bao gồm bốn giai đoạn: thủy phân, axit hóa, sản xuất axit axetic và sản xuất metan. Trong giai đoạn axit hóa, vi khuẩn tùy ý (như Clostridium) phân hủy chất hữu cơ cao phân tử (carbohydrate và protein) thành axit béo dễ bay hơi (VFA, như axit axetic và axit propionic), rượu và CO₂. Nếu tải hệ thống quá mức hoặc hoạt động của metanogen bị ức chế (ví dụ do biến động nhiệt độ hoặc các chất độc hại), VFA không thể được chuyển đổi kịp thời thành CH₄ và CO₂, dẫn đến sự tích tụ các chất trung gian có tính axit và độ pH giảm đáng kể (có thể dưới 5,5).
2. Phá hủy hệ thống đệm cacbonat
Cặp đệm HCO₃⁻/CO₂ ban đầu trong nước thải được tiêu thụ trong điều kiện kỵ khí:
CO₂ hòa tan trong nước tạo thành H₂CO₃, H₂CO₃ phân ly thành H⁺ và HCO₃⁻;
Methanogens sử dụng HCO₃⁻ làm nguồn carbon, dẫn đến giảm khả năng đệm.
Khi nồng độ VFA vượt quá 2000 mg/L, khả năng trung hòa độ kiềm của hệ thống bị vượt quá, khiến độ pH giảm mạnh.
Sự hình thành sunfua;
Trong nước thải chứa sunfat{0}}(như nước thải dược phẩm và sản xuất giấy), vi khuẩn khử sunfat (SRB) khử SO₄²⁻ thành H₂S, tiêu tốn chất kiềm và giải phóng H⁺.
Mặc dù OH⁻ được tạo ra cục bộ, nhưng sau khi H₂S kết hợp với các ion kim loại như Fe²⁺ trong nước, OH⁻ không đủ để bù đắp độ axit của VFA.
II. Nguyên nhân làm giảm pH trong bể hiếu khí
1. Axit hóa mạnh từ quá trình nitrat hóa
Nitơ amoniac (NH₄⁺) bị oxy hóa thành NO₃⁻ bởi vi khuẩn nitro hóa (như Nitrosomonas) và vi khuẩn nitrat hóa (như Nitrobacter). Với mỗi mg NH₄⁺-N bị oxy hóa, 7,14 mg kiềm (được đo bằng CaCO₃) được tiêu thụ và 2 đơn vị H⁺ được giải phóng.
Trong nước thải có hàm lượng nitơ amoniac cao (chẳng hạn như nước thải nuôi trồng thủy sản), độ pH có thể giảm 1,5–2,0 đơn vị trong quá trình nitrat hóa.
2. Sản xuất axit bởi vi khuẩn dị dưỡng
Khi vi khuẩn dị dưỡng trong bể hiếu khí phân hủy chất hữu cơ còn sót lại nếu lượng oxy hòa tan (DO) không đủ (<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. Cân bằng hòa tan CO₂
CO₂ được tạo ra bởi quá trình hô hấp của vi sinh vật hòa tan trong nước tạo thành H₂CO₃. Khi cường độ sục khí không đủ, CO₂ không thể được loại bỏ một cách hiệu quả, dẫn đến nồng độ H⁺ trong pha lỏng tăng lên.
III. Tác dụng hiệp đồng và khuyến nghị kiểm soát
1. Tác dụng của việc kết hợp hệ thống kỵ khí{1}}hiếu khí
VFA trong nước thải từ bể kỵ khí trực tiếp vào bể hiếu khí, làm tăng tải lượng axit hóa.
Khi dung dịch nitrat hóa được đưa trở lại bể kỵ khí, quá trình khử nitơ NO₃⁻ tiêu thụ chất hữu cơ nhưng tạo ra độ kiềm (pH tăng 0,3-0,5). Vì vậy, tỷ lệ tuần hoàn cần được tối ưu hóa (thường là 30-70%).
2. Chiến lược kiểm soát
Bể kỵ khí: Thêm NaHCO₃ (100-500 mg/L) để duy trì độ kiềm; kiểm soát tải lượng hữu cơ (COD < 5000 mg/L); theo dõi ORP (-300-100 mV) để tránh hiện tượng axit hóa quá mức.
Bể hiếu khí: Duy trì DO > 2 mg/L; sử dụng dòng nước vào theo giai đoạn để pha loãng VFA; rồi thêm vôi (Ca(OH)₂) để trung hòa axit nitrat hóa.