Влияние pH на одновременное удаление азота и марганца в МББР
Влияние pH на производительность MBBR
pH играет решающую роль в эффективности биопленочных реакторов с подвижным слоем (MBBR), напрямую влияя на микробную активность и скорость биохимических реакций. Изменения pH, являясь ключевым фактором окружающей среды, влияют на:
- Структура сообщества биопленок- Изменения pH изменяют доминирование нитрифицирующих/денитрифицирующих бактерий и марганец-окисляющих микроорганизмов.
- Ферментативная активность- Оптимальные диапазоны pH определяют эффективность нитритоксидоредуктазы (pH 7–8) и марганцевой оксидазы (pH 6–7).
- Кинетика окислительно-восстановительной реакции- pH определяет равновесие между превращениями Mn²⁺/Mn⁴⁺ и путями конверсии азота.
- Потенциал осадков - Higher pH (>8) способствует окислению Mn²⁺ и осаждению фосфатов, тогда как в кислых условиях (pH<6) may inhibit these processes.
Система демонстрирует замечательную адаптируемость: определенные популяции микробов сохраняют функциональность в широком диапазоне pH (5–9), хотя оптимальная эффективность удаления различных загрязнений достигается при определенных уровнях pH.
Производительность MBBR при различных условиях pH
Недавнее исследование, проведенное китайским университетом, изучало эффективность систем биопленочных реакторов с подвижным слоем (MBBR) при различных условиях pH (pH 5-9), а также при условии концентрации входящего Mn²⁺ 10 мг·л⁻¹. Концентрации NH₄⁺-N, TN, TP, COD, Mn²⁺, NO₂⁻-N и NO₃⁻-N на входе и выходе приведены ниже в ходе Фазы IV эксплуатации.
(1)NH₄⁺-Эффективность удаления 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 (>эффективность 96%) независимо от изменения pH. Хотя эффективность удаления первоначально увеличивалась с pH 5 до 6 (достигая пика 98,89%), а затем постепенно снижалась при более высоких уровнях pH, общее влияние pH на удаление NH₄⁺-N было минимальным. Это предполагает сильную адаптацию нитрифицирующих бактерий внутри биопленки к колебаниям pH.
(2) Эффективность удаления TN
Общее удаление азота имеет значительную зависимость от pH:
- pH 5: 40,13%
- pH 6: 42,66%
- pH 7: 49,20%
- pH 8: 52,74%
- рН 9:69.79%(пиковая производительность)
Улучшение pH на 29,66% с 5 до 9 свидетельствует об усилении денитрифицирующей микробной активности в щелочных условиях.
(3)Эффективность удаления ХПК
Удаление наложенного платежа происходило по колоколообразной-кривой:
- Оптимальный нейтральный pH: 94,27% при pH 7
- Крайнее снижение:
- pH 5: 90,85 %
- pH 9: 53,81 %
The sharp drop at pH>7 предполагает ингибирование гетеротрофных бактерий в щелочной среде.
(4) Эффективность удаления Mn²⁺
Удаление Mn²⁺ было наиболее эффективным при pH, близком к-нейтральному:
- рН 6: 95,74% (оптимально для окисления Mn²⁺→MnOx)
- pH 5/9: <60% efficiency
Это коррелирует с тенденциями-окисляющей марганец микробной активности.
(5) Эффективность удаления TP
Удаление фосфора линейно улучшается в зависимости от pH:
- pH 5: 20,70% → pH 9:51.76%
Самое низкое TP в сточных водах (2,80 мг/л при pH 9) указывает на щелочную-активность ПАО.
(6)NO₃⁻-N и NO₂⁻-N Динамика
- NO₃⁻-N минимизация при pH 9: 5,89 мг/л (по сравнению с . 11.63 мг/л при pH 5)
- Стабильное накопление NO₂⁻-N (0,16–0,19 мг/л) во всех фазах.
Это подтверждает синергетический эффект нитрификации-денитрификации при щелочном pH.
Заключение
При условии концентрации входящего Mn²⁺ 10 мг·л⁻¹ в этом исследовании дополнительно изучалось влияние различных уровней pH на эффективность MBBR при очистке сточных вод. Результаты показали, что при увеличении pH поступающей воды до 9 средняя эффективность удаления NH₄⁺-N, TN и TP достигала96,69%, 69,79% и 51,76%, соответственно. По сравнению с фазой I (pH 5) эффективность удаления TN и TP значительно увеличилась на29,66% и 31,06%, соответственно.
Ключевые выводы
1. Оптимальная производительность при pH 9.
- Наивысшее удаление N&P: МББР показал себя с лучшей стороныденитрификация и удаление фосфоравозможности в щелочных условиях (pH 9), с минимальным образованием NO₃⁻-N и почти-полным преобразованием NH₄⁺-N.
- Повышенная микробная активность:Эффективная общая площадь поверхности (ETSA)Биопленка увеличивалась пропорционально pH (7-9), достигая максимума при pH 9, что указывает на превосходную метаболическую активность в щелочных условиях. Вероятно, это связано с обилием свободных гидроксид-ионов (OH⁻), которые усиливаютэффективность одновременной нитрификации-денитрификации (SND).
2. Механизм удаления Mn²⁺
- Доминирование внеклеточной адсорбции: По всем фазам (I-V), болееУдаление 75% Mn²⁺был достигнут за счет внеклеточной адсорбции биопленочными микроорганизмами.
3. Динамика микробного сообщества
- Щелочные-предпочтительные денитрификаторы: Ключевые денитрифицирующие роды, такие как Comamonas и Hyphomicrobium, показали повышенную относительную численность при более высоких уровнях pH, что подтверждает их адаптацию к щелочной среде.
- Comamonas aquatica LNL3 продемонстрировала исключительную метаболическую универсальность, превращая как NH₄⁺-N → NO₂⁻-N, так и NH₄⁺-N → N₂.
- Повышенное биоразнообразие при pH 9: Количество уникальных оперативных таксономических единиц (OTU) увеличено сот 2 (pH 5) до 13 (pH 9), что отражает большее микробное богатство в щелочных условиях.
4. Функциональные последствия
- Синергетическое удаление питательных веществ: Щелочной pH (9) способствует активностиорганизмы, накапливающие полифосфаты-(ПАО)иденитрифицирующие бактерии(например, Acinetobacter), оптимизируя одновременное удаление N-P.
- Стабильность процесса: The MBBR maintained robust Mn²⁺ adsorption (>75%) независимо от изменений pH, что подчеркивает устойчивость системы.
Практические последствия
- Рекомендуемый рабочий pH: 8,5–9,0.для максимального удаления TN/TP в системах MBBR с поправками Mn²⁺-.
- Микробиологическое управление: Биоаугментация штаммами Comamonas или Hyphomicrobium может еще больше усилить денитрификацию в щелочных реакторах.