ทําไมการกระแทกของภาระจึงทําให้อะโมเนียกไนโตรเจนในน้ําเสียเกินมาตรฐาน

เพื่อนร่วมงานของเราในโรงบำบัดน้ำเสียอาจเคยประสบปัญหาปวดหัวนี้: เมื่อไม่กี่วันก่อน ตัวบ่งชี้ต่างๆ ของน้ำทิ้งมีความเสถียร และไนโตรเจนแอมโมเนียและ COD ทั้งหมดอยู่ต่ำกว่าเกณฑ์ที่กำหนด แต่จู่ๆ ก็เกิด "โหลดช็อก" ขึ้น ภายในสองวัน ข้อมูลในห้องปฏิบัติการเปลี่ยนเป็นสีแดง และไนโตรเจนแอมโมเนียเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ผู้นำเร่งเร้าและการตรวจสอบด้านสิ่งแวดล้อมเป็นสองสิ่งที่ยิ่งใหญ่จริงๆ วันนี้ ผมจะมาพูดคุยกับทุกคนเกี่ยวกับวิธีที่โหลดช็อกค่อยๆ ทำให้ไนโตรเจนแอมโมเนียในน้ำทิ้งเกินมาตรฐาน เรามีความเข้าใจที่ชัดเจนและควรเตรียมพร้อมล่วงหน้า

ประการแรก ต้องชี้แจงว่า 'โหลดช็อก' หมายถึงอะไร? พูดง่ายๆ ก็คือ "ปริมาณอาหาร" ของโรงบำบัดน้ำเสียเกินมาตรฐานอย่างกะทันหัน อาจเป็นไปได้ว่าโรงงานต้นน้ำปล่อยน้ำเสียที่มีความเข้มข้นสูงอย่างลับๆ หรืออาจเป็นไปได้ว่ามีสารมลพิษจำนวนมากถูกนำเข้ามาโดยการไหลผสมในเครือข่ายท่อในวันที่ฝนตก หรืออาจเป็นไปได้ว่าสถานีสูบน้ำไม่สามารถควบคุมการไหลของน้ำได้ดี ซึ่งทำให้ "อาหาร" จำนวนมากเกินไปเข้าไปในถังชีวเคมี ระบบชีวเคมีของเราเปรียบเสมือนโรงอาหาร โดยปกติแล้ว ทุกคนจะกินตามความอยากอาหาร แต่จู่ๆ ก็มีกลุ่มคนกินจุเข้ามา ทำให้เกิดความวุ่นวายในครัว นี่คือสถานการณ์พื้นฐานของโหลดช็อก

อะไรจะเปลี่ยนแปลงในสระชีวเคมีในช่วงเริ่มต้นของโหลดช็อก? สิ่งที่เห็นได้ชัดเจนที่สุดคือมี 'การกิน' มากเกินไปและจุลินทรีย์ไม่สามารถตามทันได้ เราทุกคนรู้ว่าการบำบัดไนโตรเจนแอมโมเนียส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับแบคทีเรียไนตริไฟอิง ซึ่งมีความละเอียดอ่อนมาก พวกเขาต้องกินในปริมาณที่พอเหมาะและมีสภาพแวดล้อมที่สะดวกสบาย ภายใต้สถานการณ์ปกติ ความเข้มข้นของไนโตรเจนแอมโมเนียและภาระอินทรีย์ในน้ำเข้ามีความเสถียร และแบคทีเรียไนตริไฟอิงจะทวีคูณอย่างช้าๆ ซึ่งสามารถเปลี่ยนไนโตรเจนแอมโมเนียให้เป็นไนเตรตได้ แต่เมื่อโหลดเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหัน เช่น เมื่อความเข้มข้นของไนโตรเจนแอมโมเนียในน้ำไหลเข้าลดลงจาก 30 มก./ลิตร เป็น 80 มก./ลิตร หรือเมื่อน้ำไหลเข้าเป็นสองเท่า ปริมาณรวมของไนโตรเจนแอมโมเนียต่อหน่วยปริมาตรจะเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหัน และ "ภาระงาน" ของแบคทีเรียไนตริไฟอิงจะเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหันหลายเท่า พวกเขาจะ "สับสน" ก่อน

ทันทีหลังจากนั้น ออกซิเจนละลายน้ำไม่เพียงพอ การบำบัดสารมลพิษด้วยจุลินทรีย์ขึ้นอยู่กับการช่วยเหลือของออกซิเจน เมื่อโหลดสูง จุลินทรีย์จะ "หายใจ" อย่างสุดกำลังเพื่อสลายสารอินทรีย์ ส่งผลให้การใช้ออกซิเจนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ระบบเติมอากาศของเรามีความสามารถในการจ่ายออกซิเจนสูงสุด ซึ่งเพียงพอสำหรับการใช้งานตามปกติ เมื่อเกิดการกระแทก อาหารจะหยุด เหมือนกับกลุ่มคนที่วิ่งในห้องเล็กๆ ในเวลาเดียวกัน จะมีออกซิเจนไม่เพียงพออย่างแน่นอน และทุกคนจะหอบหายใจ ความเข้มข้นของออกซิเจนละลายน้ำในสระชีวเคมีจะลดลงอย่างรวดเร็วจากปกติ 2-3 มก./ลิตร เหลือต่ำกว่า 1 มก./ลิตร และใกล้เคียงศูนย์ แบคทีเรียไนตริไฟอิงมีความไวต่อออกซิเจนละลายน้ำเป็นพิเศษ และต้องการออกซิเจนละลายน้ำอย่างน้อย 1-2 มก./ลิตร เมื่อทำงาน เมื่อขาดออกซิเจน พวกเขาจะหยุดทำงานและประสิทธิภาพของการเปลี่ยนไนโตรเจนแอมโมเนียจะลดลงโดยตรง ณ จุดนี้ เมื่อวัดออกซิเจนละลายน้ำในถังชีวเคมี คุณจะพบว่าค่าลดลงอย่างรวดเร็ว และแม้ว่าเครื่องเติมอากาศจะถูกเปิดจนสุด ก็ไม่สามารถทนได้ ฟองอากาศบนผิวน้ำดูอ่อนแอและไร้ชีวิตชีวา

จากนั้นค่า pH จะลดลง ซึ่งแย่กว่าเดิมสำหรับแบคทีเรียไนตริไฟอิง เมื่อจุลินทรีย์สลายสารอินทรีย์ พวกมันจะผลิตกรดอินทรีย์ และยิ่งโหลดสูงเท่าไหร่ กรดก็จะยิ่งผลิตมากขึ้นเท่านั้น ในขณะเดียวกัน ปฏิกิริยาไนตริฟิเคชันเองก็ใช้ความเป็นด่างเช่นกัน โดยต้องใช้ความเป็นด่างเทียบเท่าคาร์บอเนตแคลเซียมประมาณ 7.14 กรัม สำหรับการเปลี่ยนไนโตรเจนแอมโมเนียทุกๆ 1 กรัม ภายใต้โหลดช็อก ความเป็นด่างจะถูกใช้ไปอย่างรวดเร็วโดยไม่มีการเติมทันเวลา และค่า pH ในถังชีวเคมีจะลดลงจากปกติ 7.5-8.5 เหลือต่ำกว่า 7 หรือแม้แต่ 6.5 แบคทีเรียไนตริไฟอิงเหมาะสมที่สุดสำหรับการทำงานในสภาพแวดล้อมที่เป็นกลางเป็นด่าง เมื่อค่า pH ลดลง กิจกรรมของพวกมันจะเหมือนถูกแช่แข็ง และอัตราการเกิดปฏิกิริยาลดลงอย่างมาก ณ จุดนี้ เมื่อคุณไปวัดค่า pH คุณจะพบว่าค่ามีการเปลี่ยนแปลงทุกวันและลดลงอย่างช้าๆ และผลลัพธ์ที่วัดได้จากชุดทดสอบความเป็นด่างก็จะต่ำอย่างน่ากลัวเช่นกัน

สิ่งที่น่ากังวลยิ่งกว่าคือโหลดช็อกสามารถทำให้เกิดความขัดแย้งภายในชุมชนจุลินทรีย์ได้ สระชีวเคมีของเราไม่เพียงแต่มีแบคทีเรียไนตริไฟอิงเท่านั้น แต่ยังมีแบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิกจำนวนมากที่สลายสารอินทรีย์ แบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิกมีความโดดเด่นกว่าแบคทีเรียไนตริไฟอิงมาก เนื่องจากพวกมันขยายพันธุ์อย่างรวดเร็วและแข่งขันกันอย่างดุเดือดเพื่อหาอาหาร โดยปกติแล้ว ทุกคนจะอยู่ร่วมกันอย่างสงบสุข แต่เมื่อสารอินทรีย์ที่มีความเข้มข้นสูงมาถึง แบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิกจะทวีคูณเหมือนหมาป่าหิวโหย แข่งขันกับแบคทีเรียไนตริไฟอิงเพื่อหาออกซิเจนและพื้นที่ใช้สอย เหมือนกับกลุ่มชายฉกรรจ์ที่รีบไปแย่งอาหารในโรงอาหาร แบคทีเรียไนตริไฟอิงที่เคี้ยวช้าไม่สามารถแข่งขันได้และทำได้เพียงอดอาหาร ณ จุดนี้ การตรวจด้วยกล้องจุลทรรศน์จะเปิดเผยว่าอาณานิคมของแบคทีเรียหลวมลง โปรโตซัวลดลง และจำนวนแบคทีเรียไนตริไฟอิง ซึ่งเดิมคิดเป็นสัดส่วนหนึ่ง ได้ลดลงอย่างรวดเร็ว โครงสร้างของชุมชนจุลินทรีย์ทั้งหมดถูกรบกวน

เมื่อเวลาผ่านไป กิจกรรมและปริมาณของแบคทีเรียไนตริไฟอิงลดลง เนื่องจากการกระแทกของโหลด พวกเขาไม่เพียงแต่ต้องทนทุกข์ทรมานจากความหิว ภาวะขาดออกซิเจน และความรู้สึกไม่สบายจากค่า pH เท่านั้น แต่อาจตายเนื่องจากการเสื่อมสภาพของสิ่งแวดล้อม อัตราการสืบพันธุ์ของแบคทีเรียไนตริไฟอิงนั้นช้าอยู่แล้ว โดยมีวงจรการสร้างรุ่นหลายวัน ซึ่งแตกต่างจากแบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิกที่สามารถสืบพันธุ์ได้หลายรุ่นในหนึ่งวัน เมื่อแบคทีเรียไนตริไฟอิงจำนวนมากตายไปแล้ว การฟื้นตัวจะกลายเป็นเรื่องยาก ณ จุดนี้ หากคุณไปวัดไนโตรเจนแอมโมเนียในถังชีวเคมี คุณจะพบว่าไนโตรเจนแอมโมเนียที่ทางเข้าไม่ได้ลดลงมากนัก และยังคงสูงที่ทางออก ซึ่งบ่งชี้ว่าปฏิกิริยาไนตริฟิเคชันเกือบจะหยุดนิ่ง ค่าของไนโตรเจนแอมโมเนียในน้ำทิ้งเริ่มเพิ่มขึ้นจากจุดนี้

หากผลกระทบของโหลดกินเวลานานหรือความเข้มข้นของผลกระทบสูงเป็นพิเศษ สถานการณ์จะยิ่งแย่ลง ระบบไนตริฟิเคชันอาจพังทลายโดยสิ้นเชิง และแม้ว่าโหลดน้ำเข้าจะลดลง ไนโตรเจนแอมโมเนียก็ไม่สามารถลดลงได้อีกต่อไป เนื่องจากแบคทีเรียไนตริไฟอิงเกือบจะตายไปแล้ว "กองกำลังหลัก" ในสระชีวเคมีจึงหายไปและต้องได้รับการฝึกฝนใหม่ เหมือนกับเชฟในครัวหลังของโรงอาหารที่เหนื่อยและวิ่งหนี แม้ว่าจะมีลูกค้าน้อยลง แต่ก็ไม่มีใครทำอาหารได้อีกต่อไป ดังนั้นเราจึงต้องรับสมัครและฝึกอบรมคนใหม่ กระบวนการนี้อาจใช้เวลาเพียงหนึ่งหรือสองสัปดาห์ หรือนานถึงหนึ่งหรือสองเดือน และไนโตรเจนแอมโมเนียในน้ำทิ้งจะยังคงเกินมาตรฐานอย่างแน่นอน

จากนั้นค่า pH จะลดลง ซึ่งแย่กว่าเดิมสำหรับแบคทีเรียไนตริไฟอิง เมื่อจุลินทรีย์สลายสารอินทรีย์ พวกมันจะผลิตกรดอินทรีย์ และยิ่งโหลดสูงเท่าไหร่ กรดก็จะยิ่งผลิตมากขึ้นเท่านั้น ในขณะเดียวกัน ปฏิกิริยาไนตริฟิเคชันเองก็ใช้ความเป็นด่างเช่นกัน โดยต้องใช้ความเป็นด่างเทียบเท่าคาร์บอเนตแคลเซียมประมาณ 7.14 กรัม สำหรับการเปลี่ยนไนโตรเจนแอมโมเนียทุกๆ 1 กรัม ภายใต้โหลดช็อก ความเป็นด่างจะถูกใช้ไปอย่างรวดเร็วโดยไม่มีการเติมทันเวลา และค่า pH ในถังชีวเคมีจะลดลงจากปกติ 7.5-8.5 เหลือต่ำกว่า 7 หรือแม้แต่ 6.5 แบคทีเรียไนตริไฟอิงเหมาะสมที่สุดสำหรับการทำงานในสภาพแวดล้อมที่เป็นกลางเป็นด่าง เมื่อค่า pH ลดลง กิจกรรมของพวกมันจะเหมือนถูกแช่แข็ง และอัตราการเกิดปฏิกิริยาลดลงอย่างมาก ณ จุดนี้ เมื่อคุณไปวัดค่า pH คุณจะพบว่าค่ามีการเปลี่ยนแปลงทุกวันและลดลงอย่างช้าๆ และผลลัพธ์ที่วัดได้จากชุดทดสอบความเป็นด่างก็จะต่ำอย่างน่ากลัวเช่นกัน

สิ่งที่น่ากังวลยิ่งกว่าคือโหลดช็อกสามารถทำให้เกิดความขัดแย้งภายในชุมชนจุลินทรีย์ได้ สระชีวเคมีของเราไม่เพียงแต่มีแบคทีเรียไนตริไฟอิงเท่านั้น แต่ยังมีแบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิกจำนวนมากที่สลายสารอินทรีย์ แบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิกมีความโดดเด่นกว่าแบคทีเรียไนตริไฟอิงมาก เนื่องจากพวกมันขยายพันธุ์อย่างรวดเร็วและแข่งขันกันอย่างดุเดือดเพื่อหาอาหาร โดยปกติแล้ว ทุกคนจะอยู่ร่วมกันอย่างสงบสุข แต่เมื่อสารอินทรีย์ที่มีความเข้มข้นสูงมาถึง แบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิกจะทวีคูณเหมือนหมาป่าหิวโหย แข่งขันกับแบคทีเรียไนตริไฟอิงเพื่อหาออกซิเจนและพื้นที่ใช้สอย เหมือนกับกลุ่มชายฉกรรจ์ที่รีบไปแย่งอาหารในโรงอาหาร แบคทีเรียไนตริไฟอิงที่เคี้ยวช้าไม่สามารถแข่งขันได้และทำได้เพียงอดอาหาร ณ จุดนี้ การตรวจด้วยกล้องจุลทรรศน์จะเปิดเผยว่าอาณานิคมของแบคทีเรียหลวมลง โปรโตซัวลดลง และจำนวนแบคทีเรียไนตริไฟอิง ซึ่งเดิมคิดเป็นสัดส่วนหนึ่ง ได้ลดลงอย่างรวดเร็ว โครงสร้างของชุมชนจุลินทรีย์ทั้งหมดถูกรบกวน

เมื่อเวลาผ่านไป กิจกรรมและปริมาณของแบคทีเรียไนตริไฟอิงลดลง เนื่องจากการกระแทกของโหลด พวกเขาไม่เพียงแต่ต้องทนทุกข์ทรมานจากความหิว ภาวะขาดออกซิเจน และความรู้สึกไม่สบายจากค่า pH เท่านั้น แต่อาจตายเนื่องจากการเสื่อมสภาพของสิ่งแวดล้อม อัตราการสืบพันธุ์ของแบคทีเรียไนตริไฟอิงนั้นช้าอยู่แล้ว โดยมีวงจรการสร้างรุ่นหลายวัน ซึ่งแตกต่างจากแบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิกที่สามารถสืบพันธุ์ได้หลายรุ่นในหนึ่งวัน เมื่อแบคทีเรียไนตริไฟอิงจำนวนมากตายไปแล้ว การฟื้นตัวจะกลายเป็นเรื่องยาก ณ จุดนี้ หากคุณไปวัดไนโตรเจนแอมโมเนียในถังชีวเคมี คุณจะพบว่าไนโตรเจนแอมโมเนียที่ทางเข้าไม่ได้ลดลงมากนัก และยังคงสูงที่ทางออก ซึ่งบ่งชี้ว่าปฏิกิริยาไนตริฟิเคชันเกือบจะหยุดนิ่ง ค่าของไนโตรเจนแอมโมเนียในน้ำทิ้งเริ่มเพิ่มขึ้นจากจุดนี้

หากผลกระทบของโหลดกินเวลานานหรือความเข้มข้นของผลกระทบสูงเป็นพิเศษ สถานการณ์จะยิ่งแย่ลง ระบบไนตริฟิเคชันอาจพังทลายโดยสิ้นเชิง และแม้ว่าโหลดน้ำเข้าจะลดลง ไนโตรเจนแอมโมเนียก็ไม่สามารถลดลงได้อีกต่อไป เนื่องจากแบคทีเรียไนตริไฟอิงเกือบจะตายไปแล้ว "กองกำลังหลัก" ในสระชีวเคมีจึงหายไปและต้องได้รับการฝึกฝนใหม่ เหมือนกับเชฟในครัวหลังของโรงอาหารที่เหนื่อยและวิ่งหนี แม้ว่าจะมีลูกค้าน้อยลง แต่ก็ไม่มีใครทำอาหารได้อีกต่อไป ดังนั้นเราจึงต้องรับสมัครและฝึกอบรมคนใหม่ กระบวนการนี้อาจใช้เวลาเพียงหนึ่งหรือสองสัปดาห์ หรือนานถึงหนึ่งหรือสองเดือน และไนโตรเจนแอมโมเนียในน้ำทิ้งจะยังคงเกินมาตรฐานอย่างแน่นอน

อีกประเด็นหนึ่งที่มองข้ามได้ง่ายคือ ถังตกตะกอนก็มีแนวโน้มที่จะเกิดปัญหาหลังจากโหลดช็อกเช่นกัน ซึ่งนำไปสู่การเพิ่มขึ้นของไนโตรเจนแอมโมเนียโดยอ้อม ภายใต้ผลกระทบ กิจกรรมของจุลินทรีย์ไม่ดี และผลการแข็งตัวของตะกอนจุลินทรีย์ก็ไม่ดี สิ่งนี้สามารถนำไปสู่การบวมของตะกอนและการรั่วไหลของตะกอนในถังตกตะกอน แบคทีเรียไนตริไฟอิงจำนวนมากไหลออกจากระบบพร้อมกับตะกอน และประชากรจุลินทรีย์ในสระลดลง ซึ่งทำให้ความสามารถในการบำบัดลดลงตามธรรมชาติ ณ จุดนี้ หากคุณไปที่ถังตกตะกอนและมอง จะมีชั้นของตะกอนละเอียดลอยอยู่บนผิวน้ำ และตะกอนจำนวนมากจะถูกนำออกจากทางออกวัดด้วย วัดความเข้มข้นของตะกอน (MLSS) และคุณจะพบว่ามันต่ำกว่าปกติมาก

บางคนอาจถามว่า ทำไมไนโตรเจนแอมโมเนียถึงไม่ลดลงหลังจากโหลดช็อกผ่านไป? นั่นเป็นเพราะการฟื้นตัวของแบคทีเรียไนตริไฟอิงต้องใช้เวลา เหมือนกับเมื่อคนทำงานหนักเกินไปและป่วย ไม่ใช่สิ่งที่สามารถรักษาได้ในวันพักผ่อนเพียงวันเดียว พวกเขาต้องดูแลตัวเองอย่างช้าๆ แม้ว่าโหลดน้ำไหลเข้าจะกลับสู่ภาวะปกติและปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อม เช่น ออกซิเจนละลายน้ำและค่า pH จะถูกปรับกลับ แบคทีเรียไนตริไฟอิงจะต้องขยายพันธุ์และสะสมอีกครั้ง ซึ่งอาจใช้เวลาหลายวันหรือหลายสัปดาห์ ในช่วงระยะเวลาการฟื้นตัวนี้ ไนโตรเจนแอมโมเนียในน้ำทิ้งจะยังคงสูงจนกว่าการทำงานของระบบไนตริฟิเคชันจะได้รับการฟื้นฟูอย่างเต็มที่

มาสรุปกระบวนการนี้กัน: การเพิ่มขึ้นของโหลดอย่างกะทันหัน → การเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วของการใช้ออกซิเจนของจุลินทรีย์, ออกซิเจนละลายน้ำไม่เพียงพอ → การสลายตัวของสารอินทรีย์เพื่อผลิตกรด, การใช้ความเป็นด่าง, ค่า pH ลดลง → การแพร่กระจายของแบคทีเรียเฮเทอโรโทรฟิกจำนวนมาก, ครอบครองพื้นที่ใช้สอยของแบคทีเรียไนตริไฟอิง → การยับยั้งกิจกรรมของแบคทีเรียไนตริไฟอิง, การลดปริมาณ → ประสิทธิภาพการเปลี่ยนไนโตรเจนแอมโมเนียลดลงอย่างมาก → การไหลบ่าของตะกอนจากถังตกตะกอน, การสูญเสียจุลินทรีย์ที่รุนแรงขึ้น → การเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องของไนโตรเจนแอมโมเนียในน้ำทิ้ง → แม้หลังจากผลกระทบสิ้นสุดลง ระบบไนตริฟิเคชันยังคงต้องใช้เวลาในการฟื้นตัว และไนโตรเจนแอมโมเนียยังคงสูง

ด้วยการทำความเข้าใจกระบวนการนี้ เราสามารถป้องกันและตอบสนองต่อโหลดช็อกในชีวิตประจำวันของเราได้ดียิ่งขึ้น ตัวอย่างเช่น การเสริมสร้างการตรวจสอบน้ำไหลเข้าเพื่อตรวจจับความผันผวนที่ผิดปกติล่วงหน้า ปรับปรุงระบบเติมอากาศเพื่อให้แน่ใจว่ามีความสามารถในการจ่ายออกซิเจนเพียงพอ สำรองสารอัลคาไลน์บางชนิดและเติมให้ทันเวลาหากจำเป็น ตรวจสอบให้แน่ใจว่ามีการควบคุมการไหลย้อนกลับของตะกอนอย่างเหมาะสมเพื่อป้องกันการรั่วไหลของตะกอนและปัญหาอื่นๆ ด้วยการทำงานเหล่านี้ให้ดี เราสามารถลดผลกระทบของโหลดช็อกต่อไนโตรเจนแอมโมเนียในน้ำทิ้ง ทำให้ระบบบำบัดน้ำเสียของเรามีเสถียรภาพและเชื่อถือได้มากขึ้น