آثار الرقم الهيدروجيني على إزالة النيتروجين والمنغنيز في وقت واحد في MBBR
تأثير الرقم الهيدروجيني على أداء MBBR
يلعب الرقم الهيدروجيني دورًا حاسمًا في كفاءة مفاعلات الأغشية الحيوية ذات السرير المتحرك (MBBR) من خلال التأثير المباشر على النشاط الميكروبي ومعدلات التفاعل الكيميائي الحيوي. كعامل بيئي رئيسي، تؤثر تغيرات الرقم الهيدروجيني على:
- هيكل مجتمع البيوفيلم- تغير التحولات في الرقم الهيدروجيني من هيمنة البكتيريا المؤكسدة/المنترة والمنغنيز-الكائنات الحية الدقيقة المؤكسدة.
- نشاط الانزيم- تتحكم نطاقات الأس الهيدروجيني المثالية في أداء أكسيدوريدوكتاز النتريت (الرقم الهيدروجيني 7-8) وأكسيداز المنغنيز (الرقم الهيدروجيني 6-7).
- حركية تفاعل الأكسدة والاختزال- يحدد الرقم الهيدروجيني التوازن بين تحويلات Mn²⁺/Mn⁴⁺ ومسارات تحويل النيتروجين.
- احتمال هطول الأمطار - Higher pH (>8) يعزز أكسدة Mn²⁺ وترسيب الفوسفات، بينما الظروف الحمضية (pH)<6) may inhibit these processes.
يُظهر النظام قدرة ملحوظة على التكيف، حيث تحافظ بعض المجموعات الميكروبية على وظائفها عبر نطاقات واسعة من الأس الهيدروجيني (5-9)، على الرغم من أن كفاءات الإزالة المثلى للملوثات المختلفة تحدث عند مستويات محددة من الأس الهيدروجيني.
أداء MBBR في ظل ظروف الرقم الهيدروجيني المختلفة
بحثت دراسة حديثة أجرتها إحدى الجامعات الصينية في أداء أنظمة مفاعل الأغشية الحيوية ذات الطبقة المتحركة (MBBR) في ظل ظروف مختلفة من الأس الهيدروجيني (الرقم الهيدروجيني 5-9)، وأيضًا في ظل ظروف تركيز Mn²⁺ المؤثر بمقدار 10 مجم·لتر⁻¹. تم تلخيص تركيزات المتدفقة والنفايات السائلة لـ NH₄⁺-N وTN وTP وCOD وMn²⁺ وNO₂⁻-N وNO₃⁻-N خلال المراحل التشغيلية الرابعة أدناه.
(1) كفاءة إزالة NH₄⁺-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 (>كفاءة 96%) بغض النظر عن اختلاف درجة الحموضة. في حين زادت كفاءة الإزالة في البداية من الرقم الهيدروجيني 5 إلى 6 (بلغت ذروتها عند 98.89%) قبل أن تتناقص تدريجيًا عند مستويات الرقم الهيدروجيني الأعلى، فإن التأثير الإجمالي للأس الهيدروجيني على إزالة NH₄⁺-N كان ضئيلًا. يشير هذا إلى قدرة قوية على التكيف للبكتيريا الآزوتية داخل الأغشية الحيوية مع تقلبات الأس الهيدروجيني.
(2) كفاءة إزالة TN
أظهر إجمالي إزالة النيتروجين اعتماداً كبيراً على الرقم الهيدروجيني:
- الرقم الهيدروجيني 5: 40.13%
- الرقم الهيدروجيني 6: 42.66%
- الرقم الهيدروجيني 7: 49.20%
- الرقم الهيدروجيني 8: 52.74%
- الرقم الهيدروجيني 9:69.79%(ذروة الأداء)
يسلط التحسن بنسبة 29.66% من الرقم الهيدروجيني 5 إلى 9 الضوء على النشاط الميكروبي المعزز لإزالة النتروجين في ظل الظروف القلوية.
(3) كفاءة إزالة COD
اتبعت عملية إزالة COD-منحنى على شكل جرس:
- درجة حموضة محايدة مثالية: 94.27% عند الرقم الهيدروجيني 7
- تراجع في أقصى الحدود:
- الرقم الهيدروجيني 5: 90.85%
- الرقم الهيدروجيني 9: 53.81%
The sharp drop at pH>7 يشير إلى تثبيط البكتيريا غير المتجانسة في البيئات القلوية.
(4)Mn²⁺ كفاءة الإزالة
كانت عملية إزالة Mn²⁺ أكثر فعالية عند درجة الحموضة القريبة من-الرقم الهيدروجيني المتعادل:
- الرقم الهيدروجيني 6: 95.74% (الأمثل لأكسدة Mn²⁺←MnOx)
- الرقم الهيدروجيني 5/9: <60% efficiency
ويرتبط هذا باتجاهات النشاط الميكروبي المؤكسد-للمنغنيز.
(5) كفاءة إزالة TP
تم تحسين إزالة الفوسفور خطيًا باستخدام الرقم الهيدروجيني:
- الرقم الهيدروجيني 5: 20.70% ← الرقم الهيدروجيني 9:51.76%
يشير أدنى تدفق TP (2.80 مجم/لتر عند درجة الحموضة 9) إلى نشاط PAOs القلوي - المفضل.
(6)NO₃⁻-N & NO₂⁻-N ديناميات
- تقليل NO₃⁻-N إلى الحد الأدنى عند الرقم الهيدروجيني 9: 5.89 ملجم / لتر (مقابل . 11.63 ملجم / لتر عند الرقم الهيدروجيني 5)
- تراكم NO₂⁻-N مستقر (0.16–0.19 مجم/لتر) عبر جميع المراحل
وهذا يؤكد عملية إزالة النتروجين -التآزرية عند درجة الحموضة القلوية.
خاتمة
في ظل حالة وجود تركيز Mn²⁺ مؤثر يبلغ 10 ملجم·لتر⁻¹، بحثت هذه الدراسة بشكل أكبر في تأثير مستويات الأس الهيدروجيني المتغيرة على أداء MBBR لمعالجة مياه الصرف الصحي. أظهرت النتائج أنه عند زيادة الرقم الهيدروجيني المؤثر إلى 9، يصل متوسط كفاءة إزالة NH₄⁺-N وTN وTP إلى96.69%، 69.79%، و51.76%، على التوالى. بالمقارنة مع المرحلة الأولى (الرقم الهيدروجيني 5)، زادت كفاءة إزالة TN وTP بشكل ملحوظ29.66% و 31.06%، على التوالى.
النتائج الرئيسية
1. الأداء الأمثل عند الرقم الهيدروجيني 9
- أعلى إزالة N&P: أظهر MBBR أفضل ما لديهنزع النتروجين وإزالة الفوسفورالقدرات في ظل الظروف القلوية (الرقم الهيدروجيني 9)، مع الحد الأدنى من توليد NO₃⁻-N وتحويل قريب من -NH₄⁺-N كامل.
- النشاط الميكروبي المعزز: الالمساحة السطحية الإجمالية الفعالة (ETSA)من الأغشية الحيوية زادت بشكل متناسب مع الرقم الهيدروجيني (7-9)، وبلغت ذروتها عند الرقم الهيدروجيني 9، مما يشير إلى نشاط أيضي متفوق في ظل الظروف القلوية. ويرجع ذلك على الأرجح إلى وفرة أيونات الهيدروكسيد الحرة (OH⁻)، التي تعززكفاءة النترجة المتزامنة-نزع النتروجين (SND)..
2. آلية إزالة Mn²⁺
- هيمنة الامتزاز خارج الخلية: عبر جميع المراحل (I-V)، انتهىإزالة 75% من Mn²⁺تم تحقيقه عن طريق الامتزاز خارج الخلية بواسطة الكائنات الحية الدقيقة في الأغشية الحيوية.
3. ديناميات المجتمع الميكروبي
- قلوية-مزيلات النتروجين المفضلة: أظهرت الأجناس الرئيسية لإزالة النتروجين مثل Comamonas وHyphomicrobium وفرة نسبية متزايدة عند مستويات الرقم الهيدروجيني الأعلى، مما يؤكد تكيفها مع البيئات القلوية.
- أظهر Comamonas aquatica LNL3 تنوعًا استقلابيًا استثنائيًا، حيث قام بتحويل كلا من NH₄⁺-N → NO₂⁻-N وNH₄⁺-N → N₂.
- تعزيز التنوع البيولوجي عند الرقم الهيدروجيني 9: زيادة وحدات التصنيف التشغيلية الفريدة (OTUs) من2 (الرقم الهيدروجيني 5) إلى 13 (الرقم الهيدروجيني 9)مما يعكس قدرًا أكبر من الثراء الميكروبي في ظل الظروف القلوية.
4. الآثار الوظيفية
- إزالة المغذيات التآزرية: الرقم الهيدروجيني القلوي (9) يعزز نشاطالكائنات الحية المتراكمة للفوسفات-(PAOs)وإزالة البكتيريا(على سبيل المثال، Acinetobacter)، مما يؤدي إلى تحسين إزالة N-P المتزامنة.
- استقرار العملية: The MBBR maintained robust Mn²⁺ adsorption (>75%) بغض النظر عن تحولات الأس الهيدروجيني، مما يسلط الضوء على مرونة النظام.
الآثار العملية
- درجة الحموضة التشغيلية الموصى بها: 8.5-9.0لإزالة الحد الأقصى من TN/TP في أنظمة MBBR المعدلة Mn²⁺-.
- إدارة الميكروبية: التعزيز الحيوي باستخدام سلالات Comamonas أو Hyphomicrobium يمكن أن يزيد من تعزيز عملية نزع النتروجين في المفاعلات القلوية.