Οι συνάδελφοι μας στην επεξεργασία λυμάτων έχουν πιθανώς αντιμετωπίσει αυτόν τον πονοκέφαλο: πριν από λίγες μέρες, διάφοροι δείκτες των εκροών ήταν σταθεροί και το άζωτο αμμωνίας και το COD ήταν όλα κάτω από το όριο, αλλά ξαφνικά ένα «σοκ φορτίου» χτύπησε. Μέσα σε δύο μέρες, τα εργαστηριακά δεδομένα έγιναν κόκκινα και το άζωτο αμμωνίας αυξήθηκε γρήγορα. Οι ηγέτες παρότρυναν και οι περιβαλλοντικές επιθεωρήσεις ήταν πραγματικά δύο μεγάλα πράγματα. Σήμερα, θα μιλήσω σε όλους για το πώς το σοκ φορτίου προκάλεσε σταδιακά την υπέρβαση του αζώτου αμμωνίας των εκροών του προτύπου. Έχουμε μια σαφή κατανόηση και θα πρέπει να είμαστε προετοιμασμένοι εκ των προτέρων.
Πρώτον, πρέπει να διευκρινιστεί τι εννοούμε με τον όρο «σοκ φορτίου»; Με απλά λόγια, η «πρόσληψη τροφής» της μονάδας επεξεργασίας λυμάτων ξεπέρασε ξαφνικά το πρότυπο. Θα μπορούσε να είναι ότι το ανάντη εργοστάσιο απέβαλε μυστικά λύματα υψηλής συγκέντρωσης, ή θα μπορούσε να είναι ότι ένα μεγάλο κύμα ρύπων μεταφέρθηκε από μικτή ροή στο δίκτυο αγωγών τις βροχερές μέρες, ή θα μπορούσε να είναι ότι ο σταθμός άντλησης δεν έλεγξε καλά τη ροή του νερού, η οποία ξαφνικά έβαλε πάρα πολλή «τροφή» στη βιοχημική δεξαμενή. Το βιοχημικό μας σύστημα είναι σαν μια καφετέρια. Κανονικά, όλοι τρώνε ανάλογα με την όρεξή τους, αλλά ξαφνικά μια ομάδα μεγάλων φαγάδων ορμάει μέσα, προκαλώντας χάος στην κουζίνα. Αυτή είναι η βασική κατάσταση του σοκ φορτίου.
Τι αλλαγές θα συμβούν στη βιοχημική δεξαμενή στην αρχή του σοκ φορτίου; Το πιο εμφανές πράγμα είναι ότι υπάρχει πάρα πολύ «φαγητό» και οι μικροοργανισμοί δεν μπορούν να συμβαδίσουν. Όλοι γνωρίζουμε ότι η επεξεργασία του αζώτου αμμωνίας βασίζεται κυρίως σε βακτήρια νιτροποίησης, τα οποία είναι πολύ ευαίσθητα. Πρέπει να τρώγονται με μέτρο και να έχουν ένα άνετο περιβάλλον. Υπό κανονικές συνθήκες, η συγκέντρωση αζώτου αμμωνίας και το οργανικό φορτίο στην εισροή είναι σταθερά και τα βακτήρια νιτροποίησης πολλαπλασιάζονται αργά, τα οποία μπορούν να μετατρέψουν το άζωτο αμμωνίας σε νιτρικό. Αλλά μόλις το φορτίο αυξηθεί ξαφνικά, όπως όταν η συγκέντρωση αζώτου αμμωνίας στην εισροή πέφτει από τα συνηθισμένα 30mg/L σε 80mg/L, ή όταν η εισροή διπλασιαστεί, η συνολική ποσότητα αζώτου αμμωνίας ανά μονάδα όγκου αυξάνεται ξαφνικά και το «φόρτος εργασίας» των βακτηρίων νιτροποίησης διπλασιάζεται ξαφνικά αρκετές φορές, θα είναι πρώτα «μπερδεμένα».
Αμέσως μετά, δεν υπήρχε αρκετό διαλυμένο οξυγόνο. Η μικροβιακή επεξεργασία των ρύπων βασίζεται στη βοήθεια οξυγόνου. Όταν το φορτίο είναι υψηλό, οι μικροοργανισμοί θα «αναπνέουν» απεγνωσμένα για να αποσυνθέσουν την οργανική ύλη, με αποτέλεσμα απότομη αύξηση της κατανάλωσης οξυγόνου. Το σύστημα αερισμού μας έχει μέγιστη ικανότητα παροχής οξυγόνου, η οποία είναι επαρκής για κανονική χρήση. Όταν υπάρχει σοκ, το φαγητό θα σταματήσει. Ακριβώς όπως μια ομάδα ανθρώπων τρέχει σε ένα μικρό δωμάτιο ταυτόχρονα, σίγουρα δεν υπάρχει αρκετό οξυγόνο και όλοι θα λαχανιάσουν. Η συγκέντρωση διαλυμένου οξυγόνου στη βιοχημική δεξαμενή θα πέσει γρήγορα από τα συνηθισμένα 2-3mg/L σε κάτω από 1mg/L, και ακόμη και κοντά στο μηδέν. Τα βακτήρια νιτροποίησης είναι ιδιαίτερα ευαίσθητα στο διαλυμένο οξυγόνο και χρειάζονται τουλάχιστον 1-2mg/L διαλυμένου οξυγόνου κατά την εργασία. Όταν υπάρχει έλλειψη οξυγόνου, θα απεργήσουν και η απόδοση της μετατροπής αζώτου αμμωνίας θα μειωθεί άμεσα. Σε αυτό το σημείο, όταν μετράτε το διαλυμένο οξυγόνο στη βιοχημική δεξαμενή, θα διαπιστώσετε ότι η τιμή πέφτει γρήγορα και ακόμη και όταν ο αεριστήρας είναι γυρισμένος στο μέγιστο, δεν μπορεί να το αντέξει. Οι φυσαλίδες στην επιφάνεια του νερού φαίνονται αδύναμες και άψυχες.
Τότε η τιμή του pH θα πέσει, κάτι που είναι ακόμη χειρότερο για τα βακτήρια νιτροποίησης. Όταν οι μικροοργανισμοί αποσυνθέτουν την οργανική ύλη, παράγουν οργανικά οξέα και όσο υψηλότερο είναι το φορτίο, τόσο περισσότερα οξέα παράγονται. Εν τω μεταξύ, η ίδια η αντίδραση νιτροποίησης καταναλώνει επίσης αλκαλικότητα, απαιτώντας περίπου 7,14 g ισοδύναμης αλκαλικότητας ανθρακικού ασβεστίου για κάθε 1 g μετατροπής αζώτου αμμωνίας. Υπό σοκ φορτίου, η αλκαλικότητα καταναλώνεται γρήγορα χωρίς έγκαιρη αναπλήρωση και η τιμή του pH στη βιοχημική δεξαμενή θα πέσει από τα συνηθισμένα 7,5-8,5 σε κάτω από 7, ή ακόμη και σε 6,5. Τα βακτήρια νιτροποίησης είναι πιο κατάλληλα για εργασία σε ουδέτερα αλκαλικά περιβάλλοντα. Καθώς το pH μειώνεται, η δραστηριότητά τους είναι σαν να είναι παγωμένη και ο ρυθμός αντίδρασης μειώνεται σημαντικά. Σε αυτό το σημείο, όταν πάτε να μετρήσετε το pH, θα διαπιστώσετε ότι η τιμή αλλάζει μέρα με τη μέρα και πέφτει αργά και το αποτέλεσμα που μετράται από το κιτ δοκιμής αλκαλικότητας θα είναι επίσης τρομακτικά χαμηλό.
Ακόμη πιο προβληματικό είναι ότι το σοκ φορτίου μπορεί να προκαλέσει συγκρούσεις εντός της μικροβιακής κοινότητας. Η βιοχημική μας δεξαμενή δεν περιέχει μόνο βακτήρια νιτροποίησης, αλλά και πολλά ετερότροφα βακτήρια που αποσυνθέτουν την οργανική ύλη. Τα ετερότροφα βακτήρια είναι πολύ πιο κυρίαρχα από τα βακτήρια νιτροποίησης, καθώς αναπαράγονται γρήγορα και ανταγωνίζονται έντονα για τροφή. Κανονικά, όλοι ζουν ειρηνικά, αλλά μόλις φτάσουν υψηλές συγκεντρώσεις οργανικής ύλης, τα ετερότροφα βακτήρια θα πολλαπλασιαστούν σαν πεινασμένοι λύκοι, ανταγωνιζόμενα με τα βακτήρια νιτροποίησης για οξυγόνο και χώρο διαβίωσης. Ακριβώς όπως μια ομάδα δυνατών ανδρών ορμάει να πιάσει φαγητό στην καφετέρια, τα αργά μασώμενα βακτήρια νιτροποίησης δεν μπορούν να ανταγωνιστούν και μπορούν μόνο να πεινάσουν. Σε αυτό το σημείο, η μικροσκοπική εξέταση θα αποκαλύψει ότι οι βακτηριακές αποικίες έχουν χαλαρώσει, τα πρωτόζωα έχουν μειωθεί και ο αριθμός των βακτηρίων νιτροποίησης, που αρχικά αντιπροσώπευαν ένα ορισμένο ποσοστό, έχει μειωθεί απότομα. Η δομή ολόκληρης της μικροβιακής κοινότητας έχει διαταραχθεί.
Με την πάροδο του χρόνου, η δραστηριότητα και η ποσότητα των βακτηρίων νιτροποίησης μειώνονται. Λόγω της επίδρασης του φορτίου, όχι μόνο υποφέρουν από πείνα, υποξία και δυσφορία pH, αλλά μπορεί επίσης να πεθάνουν λόγω της υποβάθμισης του περιβάλλοντος. Ο ρυθμός αναπαραγωγής των βακτηρίων νιτροποίησης είναι ήδη αργός, με κύκλο γενεών αρκετών ημερών, σε αντίθεση με τα ετερότροφα βακτήρια που μπορούν να αναπαράγουν αρκετές γενεές σε μια μέρα. Μόλις πεθάνουν μεγάλος αριθμός βακτηρίων νιτροποίησης, γίνεται δύσκολο να ανακάμψουν. Σε αυτό το σημείο, εάν πάτε να μετρήσετε το άζωτο αμμωνίας στη βιοχημική δεξαμενή, θα διαπιστώσετε ότι το άζωτο αμμωνίας στην είσοδο δεν έχει μειωθεί πολύ και είναι ακόμα υψηλό στην έξοδο, υποδεικνύοντας ότι η αντίδραση νιτροποίησης έχει σχεδόν σταματήσει. Η τιμή του αζώτου αμμωνίας στις εκροές αρχίζει να αυξάνεται από αυτό το σημείο.
Εάν η επίδραση του φορτίου διαρκέσει για μεγάλο χρονικό διάστημα ή η ένταση της επίδρασης είναι ιδιαίτερα υψηλή, η κατάσταση θα είναι ακόμη χειρότερη. Το σύστημα νιτροποίησης μπορεί να καταρρεύσει εντελώς και ακόμη και αν το φορτίο εισροής μειωθεί, το άζωτο αμμωνίας δεν μπορεί να μειωθεί ξανά. Επειδή τα βακτήρια νιτροποίησης έχουν σχεδόν πεθάνει, η «κύρια δύναμη» στη βιοχημική δεξαμενή έχει φύγει και πρέπει να εκπαιδευτεί ξανά. Είναι σαν ο σεφ στην πίσω κουζίνα μιας καφετέριας να κουράζεται και να φεύγει. Ακόμα κι αν υπάρχουν λιγότεροι πελάτες, κανείς δεν μπορεί να μαγειρέψει πια, οπότε πρέπει να προσλάβουμε και να εκπαιδεύσουμε νέους ανθρώπους. Αυτή η διαδικασία μπορεί να διαρκέσει από μία ή δύο εβδομάδες, ή έως και έναν ή δύο μήνες, και το άζωτο αμμωνίας των εκροών θα συνεχίσει σίγουρα να υπερβαίνει το πρότυπο.
Τότε η τιμή του pH θα πέσει, κάτι που είναι ακόμη χειρότερο για τα βακτήρια νιτροποίησης. Όταν οι μικροοργανισμοί αποσυνθέτουν την οργανική ύλη, παράγουν οργανικά οξέα και όσο υψηλότερο είναι το φορτίο, τόσο περισσότερα οξέα παράγονται. Εν τω μεταξύ, η ίδια η αντίδραση νιτροποίησης καταναλώνει επίσης αλκαλικότητα, απαιτώντας περίπου 7,14 g ισοδύναμης αλκαλικότητας ανθρακικού ασβεστίου για κάθε 1 g μετατροπής αζώτου αμμωνίας. Υπό σοκ φορτίου, η αλκαλικότητα καταναλώνεται γρήγορα χωρίς έγκαιρη αναπλήρωση και η τιμή του pH στη βιοχημική δεξαμενή θα πέσει από τα συνηθισμένα 7,5-8,5 σε κάτω από 7, ή ακόμη και σε 6,5. Τα βακτήρια νιτροποίησης είναι πιο κατάλληλα για εργασία σε ουδέτερα αλκαλικά περιβάλλοντα. Καθώς το pH μειώνεται, η δραστηριότητά τους είναι σαν να είναι παγωμένη και ο ρυθμός αντίδρασης μειώνεται σημαντικά. Σε αυτό το σημείο, όταν πάτε να μετρήσετε το pH, θα διαπιστώσετε ότι η τιμή αλλάζει μέρα με τη μέρα και πέφτει αργά και το αποτέλεσμα που μετράται από το κιτ δοκιμής αλκαλικότητας θα είναι επίσης τρομακτικά χαμηλό.
Ακόμη πιο προβληματικό είναι ότι το σοκ φορτίου μπορεί να προκαλέσει συγκρούσεις εντός της μικροβιακής κοινότητας. Η βιοχημική μας δεξαμενή δεν περιέχει μόνο βακτήρια νιτροποίησης, αλλά και πολλά ετερότροφα βακτήρια που αποσυνθέτουν την οργανική ύλη. Τα ετερότροφα βακτήρια είναι πολύ πιο κυρίαρχα από τα βακτήρια νιτροποίησης, καθώς αναπαράγονται γρήγορα και ανταγωνίζονται έντονα για τροφή. Κανονικά, όλοι ζουν ειρηνικά, αλλά μόλις φτάσουν υψηλές συγκεντρώσεις οργανικής ύλης, τα ετερότροφα βακτήρια θα πολλαπλασιαστούν σαν πεινασμένοι λύκοι, ανταγωνιζόμενα με τα βακτήρια νιτροποίησης για οξυγόνο και χώρο διαβίωσης. Ακριβώς όπως μια ομάδα δυνατών ανδρών ορμάει να πιάσει φαγητό στην καφετέρια, τα αργά μασώμενα βακτήρια νιτροποίησης δεν μπορούν να ανταγωνιστούν και μπορούν μόνο να πεινάσουν. Σε αυτό το σημείο, η μικροσκοπική εξέταση θα αποκαλύψει ότι οι βακτηριακές αποικίες έχουν χαλαρώσει, τα πρωτόζωα έχουν μειωθεί και ο αριθμός των βακτηρίων νιτροποίησης, που αρχικά αντιπροσώπευαν ένα ορισμένο ποσοστό, έχει μειωθεί απότομα. Η δομή ολόκληρης της μικροβιακής κοινότητας έχει διαταραχθεί.
Με την πάροδο του χρόνου, η δραστηριότητα και η ποσότητα των βακτηρίων νιτροποίησης μειώνονται. Λόγω της επίδρασης του φορτίου, όχι μόνο υποφέρουν από πείνα, υποξία και δυσφορία pH, αλλά μπορεί επίσης να πεθάνουν λόγω της υποβάθμισης του περιβάλλοντος. Ο ρυθμός αναπαραγωγής των βακτηρίων νιτροποίησης είναι ήδη αργός, με κύκλο γενεών αρκετών ημερών, σε αντίθεση με τα ετερότροφα βακτήρια που μπορούν να αναπαράγουν αρκετές γενεές σε μια μέρα. Μόλις πεθάνουν μεγάλος αριθμός βακτηρίων νιτροποίησης, γίνεται δύσκολο να ανακάμψουν. Σε αυτό το σημείο, εάν πάτε να μετρήσετε το άζωτο αμμωνίας στη βιοχημική δεξαμενή, θα διαπιστώσετε ότι το άζωτο αμμωνίας στην είσοδο δεν έχει μειωθεί πολύ και είναι ακόμα υψηλό στην έξοδο, υποδεικνύοντας ότι η αντίδραση νιτροποίησης έχει σχεδόν σταματήσει. Η τιμή του αζώτου αμμωνίας στις εκροές αρχίζει να αυξάνεται από αυτό το σημείο.
Εάν η επίδραση του φορτίου διαρκέσει για μεγάλο χρονικό διάστημα ή η ένταση της επίδρασης είναι ιδιαίτερα υψηλή, η κατάσταση θα είναι ακόμη χειρότερη. Το σύστημα νιτροποίησης μπορεί να καταρρεύσει εντελώς και ακόμη και αν το φορτίο εισροής μειωθεί, το άζωτο αμμωνίας δεν μπορεί να μειωθεί ξανά. Επειδή τα βακτήρια νιτροποίησης έχουν σχεδόν πεθάνει, η «κύρια δύναμη» στη βιοχημική δεξαμενή έχει φύγει και πρέπει να εκπαιδευτεί ξανά. Είναι σαν ο σεφ στην πίσω κουζίνα μιας καφετέριας να κουράζεται και να φεύγει. Ακόμα κι αν υπάρχουν λιγότεροι πελάτες, κανείς δεν μπορεί να μαγειρέψει πια, οπότε πρέπει να προσλάβουμε και να εκπαιδεύσουμε νέους ανθρώπους. Αυτή η διαδικασία μπορεί να διαρκέσει από μία ή δύο εβδομάδες, ή έως και έναν ή δύο μήνες, και το άζωτο αμμωνίας των εκροών θα συνεχίσει σίγουρα να υπερβαίνει το πρότυπο.
Ένα άλλο εύκολα παραβλεπόμενο σημείο είναι ότι η δεξαμενή καθίζησης είναι επίσης επιρρεπής σε προβλήματα μετά το σοκ φορτίου, οδηγώντας έμμεσα σε αύξηση του αζώτου αμμωνίας. Υπό την επίδραση, η μικροβιακή δραστηριότητα είναι κακή και το αποτέλεσμα πήξης των μικροβιακών νιφάδων δεν είναι καλό. Αυτό μπορεί να οδηγήσει σε πρήξιμο ιλύος και διαρροή ιλύος στη δεξαμενή καθίζησης. Ένας μεγάλος αριθμός βακτηρίων νιτροποίησης ρέει έξω από το σύστημα με την ιλύ, και ο μικροβιακός πληθυσμός στη δεξαμενή μειώνεται, προκαλώντας φυσικά την πτώση της ικανότητας επεξεργασίας. Σε αυτό το σημείο, εάν πάτε στη δεξαμενή καθίζησης και κοιτάξετε, θα υπάρχει ένα στρώμα λεπτής ιλύος που επιπλέει στην επιφάνεια του νερού και πολλή ιλύς θα μεταφερθεί επίσης από την έξοδο. Μετρήστε τη συγκέντρωση ιλύος (MLSS) και θα διαπιστώσετε ότι είναι πολύ χαμηλότερη από το συνηθισμένο.
Κάποιος μπορεί να ρωτήσει, γιατί το άζωτο αμμωνίας δεν έχει μειωθεί μετά το πέρασμα του σοκ φορτίου; Αυτό συμβαίνει επειδή η ανάκαμψη των βακτηρίων νιτροποίησης χρειάζεται χρόνο. Ακριβώς όπως όταν ένα άτομο είναι υπερβολικά κουρασμένο και άρρωστο, δεν είναι κάτι που μπορεί να θεραπευτεί σε μια μόνο μέρα ξεκούρασης, πρέπει να φροντίσουν τον εαυτό τους αργά. Ακόμη και αν το φορτίο εισροής επανέλθει στο φυσιολογικό και περιβαλλοντικοί παράγοντες όπως το διαλυμένο οξυγόνο και το pH ρυθμιστούν ξανά, τα βακτήρια νιτροποίησης θα πρέπει να αναπαραχθούν και να συσσωρευτούν ξανά, κάτι που μπορεί να διαρκέσει αρκετές ημέρες ή εβδομάδες. Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου ανάκαμψης, το άζωτο αμμωνίας των εκροών θα παραμείνει υψηλό μέχρι να αποκατασταθεί πλήρως η λειτουργία του συστήματος νιτροποίησης.
Ας συνοψίσουμε αυτή τη διαδικασία: ξαφνική αύξηση του φορτίου → ταχεία αύξηση της μικροβιακής κατανάλωσης οξυγόνου, ανεπαρκές διαλυμένο οξυγόνο → αποσύνθεση οργανικής ύλης για την παραγωγή οξέος, κατανάλωση αλκαλικότητας, μείωση του pH → μεγάλη εξάπλωση ετερότροφων βακτηρίων, που καταλαμβάνουν τον χώρο διαβίωσης των βακτηρίων νιτροποίησης → αναστολή της δραστηριότητας των βακτηρίων νιτροποίησης, μείωση της ποσότητας → σημαντική μείωση της απόδοσης μετατροπής αζώτου αμμωνίας → εκροή ιλύος από τη δεξαμενή καθίζησης, εντατικοποίηση της μικροβιακής απώλειας → συνεχής αύξηση του αζώτου αμμωνίας των εκροών → ακόμη και μετά το τέλος της επίδρασης, το σύστημα νιτροποίησης εξακολουθεί να χρειάζεται χρόνο για να ανακάμψει και το άζωτο αμμωνίας παραμένει υψηλό.
Κατανοώντας αυτή τη διαδικασία, μπορούμε να αποτρέψουμε και να ανταποκριθούμε καλύτερα στα σοκ φορτίου στην καθημερινή μας ζωή. Για παράδειγμα, ενίσχυση της παρακολούθησης της εισροής νερού για την ανίχνευση μη φυσιολογικών διακυμάνσεων εκ των προτέρων. Βελτιστοποίηση του συστήματος αερισμού για τη διασφάλιση επαρκούς ικανότητας παροχής οξυγόνου. Διατηρήστε ορισμένα αλκαλικά μέσα και αναπληρώστε τα έγκαιρα εάν είναι απαραίτητο. Διασφαλίστε τον σωστό έλεγχο της επαναφοράς ιλύος για την αποφυγή διαρροής ιλύος και άλλα ζητήματα. Κάνοντας καλά αυτά τα καθήκοντα, μπορούμε να ελαχιστοποιήσουμε την επίδραση του σοκ φορτίου στο άζωτο αμμωνίας των εκροών, καθιστώντας το σύστημα επεξεργασίας λυμάτων μας πιο σταθερό και αξιόπιστο.
