Prefazione:
Coloro che hanno lavorato sulla messa in servizio del sistema biochimico potrebbero aver riscontrato questo problema: un calo del pH nei serbatoi anaerobici e aerobici. È chiaro che questo calo del pH è causato principalmente dalla qualità dell'acqua non depurata. Alcune sostanze nell'acqua non depurata producono sostanze acide o consumano alcalinità durante reazioni anaerobiche (come idrolisi e acidificazione) o reazioni aerobiche (come nitrificazione), portando ad un calo del pH.
Da un lato, questo calo del pH è prevedibile. Data una chiara comprensione della qualità dell’acqua non depurata, questo calo di pH viene preso in considerazione nelle prime fasi della progettazione del progetto di trattamento delle acque reflue e in genere viene installato il dosaggio degli alcali. Una volta ho lavorato a un progetto sulle acque reflue in un'area di servizio autostradale e ho appreso che le acque reflue di quest'area contenevano livelli molto elevati di azoto ammoniacale e azoto totale. Il processo di nitrificazione dell'azoto ammoniacale consuma inevitabilmente una quantità significativa di alcalinità, quindi è stato preinstallato un dispositivo di dosaggio degli alcali. A quel tempo, abbiamo riscontrato una situazione in cui non abbiamo reintegrato le sostanze chimiche in modo tempestivo, essenzialmente rimanendo a corto di scaglie di soda caustica. Di conseguenza, il pH è sceso da 7,5 a 6,5 il primo giorno e da 6,5 a 5,5 il secondo giorno. A questo punto, il sistema biochimico è sostanzialmente collassato, producendo una notevole schiuma e superando gli standard degli effluenti.
D’altro canto, negli impianti di trattamento delle acque reflue dei parchi industriali sono comuni cadute inattese del pH. Gli occupanti di questi parchi cambiano costantemente e le acque reflue che scaricano sono diverse. Gli impianti di trattamento delle acque reflue non tengono conto dei futuri occupanti durante la loro progettazione iniziale. L'anno scorso abbiamo riscontrato un inspiegabile calo del pH nella vasca aerobica. Il primo passo, ovviamente, è stato quello di indagare la qualità degli influenti. Abbiamo osservato che l'acqua non depurata formava facilmente schiuma entrando nel serbatoio di regolazione, suggerendo la presenza di tensioattivi. Oltre a testare il pH dell'acqua non depurata, era necessario anche testare l'alcalinità.
Il seguente articolo analizzerà sistematicamente le cause del calo del pH nei serbatoi anaerobici e aerobici da tre prospettive: meccanismo di reazione, metabolismo microbico e fattori ambientali.
I. Meccanismi di abbassamento del pH nei serbatoi anaerobici
1. Accumulo di acido organico
La digestione anaerobica consiste di quattro fasi: idrolisi, acidificazione, produzione di acido acetico e produzione di metano. Durante la fase di acidificazione, i batteri facoltativi (come il Clostridium) scompongono la materia organica macromolecolare (carboidrati e proteine) in acidi grassi volatili (VFA, come acido acetico e acido propionico), alcoli e CO₂. Se il carico del sistema è eccessivo o l'attività metanogena è inibita (ad esempio, da fluttuazioni di temperatura o da sostanze tossiche), i VFA non possono essere prontamente convertiti in CH₄ e CO₂, portando all'accumulo di intermedi acidi e ad un calo significativo del pH (probabilmente inferiore a 5,5).
2. Distruzione del sistema tampone del carbonato
La coppia tampone HCO₃⁻/CO₂ originale nelle acque reflue viene consumata in condizioni anaerobiche:
La CO₂ si dissolve in acqua per formare H₂CO₃, che si dissocia in H⁺ e HCO₃⁻;
I metanogeni utilizzano HCO₃⁻ come fonte di carbonio, con conseguente diminuzione della capacità tampone.
Quando le concentrazioni di VFA superano i 2000 mg/L, la capacità di neutralizzazione dell'alcalinità del sistema viene superata, provocando un forte calo del pH.
Formazione di solfuri;
Nelle acque reflue-contenenti solfati (come le acque reflue farmaceutiche e della produzione della carta), i batteri solfato{1}}riduttori (SRB) riducono SO₄²⁻ in H₂S, consumando l'alcalinità e rilasciando H⁺.
Sebbene OH⁻ sia generato localmente, dopo che H₂S si combina con ioni metallici come Fe²⁺ nell'acqua, OH⁻ è insufficiente per compensare l'acidità dei VFA.
II. Fattori di diminuzione del pH nelle vasche aerobiche
1. Forte acidificazione da nitrificazione
L'azoto ammoniacale (NH₄⁺) viene ossidato a NO₃⁻ da batteri nitrosanti (come Nitrosomonas) e batteri nitrificanti (come Nitrobacter). Per ogni mg di NH₄⁺-N ossidato, vengono consumati 7,14 mg di alcalinità (misurata come CaCO₃) e vengono rilasciate 2 unità H⁺.
Nelle acque reflue-ad alto contenuto di azoto ammoniacale (come le acque reflue dell'acquacoltura), il pH può scendere di 1,5–2,0 unità durante la nitrificazione.
2. Produzione di acido da parte di batteri eterotrofi
Quando i batteri eterotrofi in vasche aerobiche degradano la materia organica residua, se l'ossigeno disciolto (DO) è insufficiente (<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. Equilibrio di dissoluzione della CO₂
La CO₂ prodotta dalla respirazione microbica si dissolve in acqua per formare H₂CO₃. Quando l’intensità dell’aerazione è insufficiente, la CO₂ non può essere eliminata in modo efficace, con conseguente aumento della concentrazione di H⁺ nella fase liquida.
III. Effetti sinergici e raccomandazioni di controllo
1. Effetti dell'accoppiamento del sistema anaerobico-aerobico
I VFA presenti nell'effluente del serbatoio anaerobico entrano direttamente nel serbatoio aerobico, aumentando il carico di acidificazione.
Quando la soluzione nitrificata viene restituita al serbatoio anaerobico, la denitrificazione di NO₃⁻ consuma materia organica ma produce alcalinità (il pH aumenta di 0,3-0,5). Pertanto, il rapporto di ricircolo deve essere ottimizzato (tipicamente 30-70%).
2. Strategia di controllo
Serbatoio anaerobico: aggiungere NaHCO₃ (100-500 mg/L) per mantenere l'alcalinità; controllare il carico organico (COD < 5000 mg/L); monitorare l'ORP (-300-100 mV) per evitare un'eccessiva acidificazione.
Serbatoio aerobico: mantenere DO > 2 mg/L; utilizzare l'afflusso graduale di acqua per diluire i VFA; e aggiungere calce (Ca(OH)₂) per neutralizzare l'acido nitrificante.