Effecten van pH op gelijktijdige verwijdering van stikstof en mangaan in MBBR
Impact van pH op MBBR-prestaties
De pH speelt een cruciale rol in de efficiëntie van Moving Bed Biofilm Reactors (MBBR) door de microbiële activiteit en biochemische reactiesnelheden rechtstreeks te beïnvloeden. Als belangrijke omgevingsfactor hebben pH-variaties invloed op:
- Structuur van de biofilmgemeenschap- Verschuivingen in de pH veranderen de dominantie van nitrificerende/denitrificerende bacteriën en mangaan-oxiderende micro-organismen.
- Enzymatische activiteit- Optimale pH-bereiken bepalen de prestaties van nitrietoxidoreductase (pH 7-8) en mangaanoxidase (pH 6-7).
- Redoxreactiekinetiek- pH bepaalt het evenwicht tussen Mn²⁺/Mn⁴⁺-transformaties en stikstofomzettingsroutes.
- Neerslagpotentieel - Higher pH (>8) bevordert Mn²⁺-oxidatie en fosfaatprecipitatie, terwijl zure omstandigheden (pH<6) may inhibit these processes.
Het systeem vertoont een opmerkelijk aanpassingsvermogen, waarbij bepaalde microbiële populaties hun functionaliteit behouden over een breed pH-bereik (5-9), hoewel optimale verwijderingsefficiënties voor verschillende verontreinigingen optreden bij specifieke pH-niveaus.
MBBR-prestaties onder verschillende pH-omstandigheden
Een recent onderzoek uitgevoerd door een Chinese universiteit onderzocht de prestaties van Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR)-systemen onder variërende pH-omstandigheden (pH 5-9), en ook onder de voorwaarde van een influent Mn²⁺-concentratie van 10 mg·L⁻¹. De influent- en effluentconcentraties van NH₄⁺-N, TN, TP, COD, Mn²⁺, NO₂⁻-N en NO₃⁻-N tijdens operationele fase IV worden hieronder samengevat.
(1)NH₄⁺-N verwijderingsefficiëntie
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 (>96% efficiëntie) ongeacht de pH-variatie. Hoewel de verwijderingsefficiëntie aanvankelijk toenam van pH 5 naar 6 (met een piek van 98,89%) voordat deze geleidelijk afnam bij hogere pH-niveaus, was de algehele impact van de pH op de NH₄⁺-N-verwijdering minimaal. Dit suggereert een sterk aanpassingsvermogen van nitrificerende bacteriën in de biofilm aan pH-schommelingen.
(2) TN-verwijderingsefficiëntie
De totale stikstofverwijdering vertoonde een aanzienlijke pH-afhankelijkheid:
- pH 5: 40,13%
- pH 6: 42,66%
- pH 7: 49,20%
- pH 8: 52,74%
- pH 9:69.79%(piekprestaties)
De verbetering van 29,66% van pH 5 naar 9 benadrukt de verbeterde denitrificerende microbiële activiteit onder alkalische omstandigheden.
(3) Efficiëntie van COD-verwijdering
De verwijdering van CZV volgde een bel-vormige curve:
- Optimale neutrale pH: 94,27% bij pH 7
- Daling bij extremen:
- pH 5: 90,85%
- pH 9: 53,81%
The sharp drop at pH>7 suggereert remming van heterotrofe bacteriën in alkalische omgevingen.
(4)Mn²⁺-verwijderingsefficiëntie
De verwijdering van Mn²⁺ was het meest efficiënt bij een bijna-neutrale pH:
- pH 6: 95,74% (optimaal voor Mn²⁺→MnOx-oxidatie)
- pH 5/9: <60% efficiency
Dit komt overeen met mangaan-oxiderende microbiële activiteitstrends.
(5) TP-verwijderingsefficiëntie
De fosforverwijdering verbeterde lineair met de pH:
- pH 5: 20,70% → pH 9:51.76%
De laagste TP van het effluent (2,80 mg/l bij pH 9) duidt op alkalische-begunstigde PAO-activiteit.
(6)NO₃⁻-N & NO₂⁻-N-dynamiek
- NO₃⁻-N-minimalisatie bij pH 9: 5,89 mg/l (vs. . 11.63 mg/l bij pH 5)
- Stabiele NO₂⁻-N-accumulatie (0,16–0,19 mg/l) in alle fasen
Dit bevestigt synergetische nitrificatie-denitrificatie bij alkalische pH.
Conclusie
Onder de voorwaarde van een influent Mn²⁺-concentratie van 10 mg·L⁻¹ onderzocht deze studie verder de impact van variërende pH-niveaus op de MBBR-prestaties voor afvalwaterzuivering. De resultaten toonden aan dat wanneer de pH van het influent werd verhoogd tot 9, de gemiddelde verwijderingsefficiëntie van NH₄⁺-N, TN en TP bereikte96,69%, 69,79% en 51,76%respectievelijk. Vergeleken met Fase I (pH 5) is de verwijderingsefficiëntie van TN en TP aanzienlijk toegenomen29,66% en 31,06%respectievelijk.
Belangrijkste bevindingen
1. Optimale prestaties bij pH 9
- Hoogste N&P-verwijdering: De MBBR toonde zich van zijn beste kantdenitrificatie en fosforverwijderingcapaciteiten onder alkalische omstandigheden (pH 9), met minimale NO₃⁻-N-generatie en bijna-volledige NH₄⁺-N-omzetting.
- Verbeterde microbiële activiteit: deEffectief totaal oppervlak (ETSA)van de biofilm nam proportioneel toe met de pH (7-9), met een piek bij pH 9, wat wijst op superieure metabolische activiteit onder alkalische omstandigheden. Dit komt waarschijnlijk door de overvloed aan vrije hydroxide-ionen (OH⁻), die deze versterkengelijktijdige nitrificatie-denitrificatie-efficiëntie (SND)..
2. Mn²⁺-verwijderingsmechanisme
- Extracellulaire adsorptiedominantie: Over alle fasen heen (I-V), voorbij75% verwijdering van Mn²⁺werd bereikt via extracellulaire adsorptie door biofilmmicro-organismen.
3. Microbiële gemeenschapsdynamiek
- Alkalische-Favoriete denitrificeerders: Belangrijke denitrificerende geslachten zoals Comamonas en Hyphomicrobium vertoonden een grotere relatieve overvloed bij hogere pH-niveaus, wat hun aanpassing aan alkalische omgevingen bevestigt.
- Comamonas Aquatica LNL3 vertoonde een uitzonderlijke metabolische veelzijdigheid, waarbij zowel NH₄⁺-N → NO₂⁻-N als NH₄⁺-N → N₂ werd omgezet.
- Verbeterde biodiversiteit bij pH 9: Unieke Operationele Taxonomische Eenheden (OTU's) toegenomen van2 (pH 5) tot 13 (pH 9), wat een grotere microbiële rijkdom weerspiegelt onder alkalische omstandigheden.
4. Functionele implicaties
- Synergetische verwijdering van voedingsstoffen: Alkalische pH (9) bevorderde de activiteit vanpolyfosfaat-accumulerende organismen (PAO's)Endenitrificerende bacteriën(bijv. Acinetobacter), waardoor de gelijktijdige N-P-verwijdering wordt geoptimaliseerd.
- Processtabiliteit: The MBBR maintained robust Mn²⁺ adsorption (>75%) ongeacht pH-verschuivingen, wat de veerkracht van het systeem benadrukt.
Praktische implicaties
- Aanbevolen operationele pH: 8,5–9,0voor maximale TN/TP-verwijdering in Mn²⁺-gewijzigde MBBR-systemen.
- Microbieel beheer: Bioaugmentatie met Comamonas- of Hyphomicrobium-stammen zou de denitrificatie in alkalische reactoren verder kunnen verbeteren.