Driften af den aktiverede slamproces kræver korrekt styring af adskillige parametre, herunder styring af MLSS, en af de hyppigst anvendte indikatorer i den daglige drift af spildevandssystemer.
1. Definition af MLSS
Koncentration af aktiveret slam refererer til indholdet af suspenderede faste stoffer i den blandede væske ved udløbet af beluftningstanken, angivet med symbolet MLSS, med enheder på mg/L. Den bruges til at måle mængden af aktiveret slam i beluftningstanken. Den samlede mængde af MLSS inkluderer følgende fire aspekter:
Aktive mikroorganismer;
Ikke-biologisk nedbrydeligt organisk materiale adsorberet på det aktiverede slam;
Rest fra mikrobiel selv-oxidation;
Uorganisk stof.
Under drift er det særligt vigtigt at bemærke, at MLSS kun refererer til koncentrationen af den blandede væske i beluftningstanken, eksklusive koncentrationen af den blandede væske i den sekundære sedimentationstank. Ved overvågning af blandingsvæskens koncentration i beluftningstanken er det endvidere afgørende at bruge koncentrationen af blandingsvæsken ved udløbet af beluftningstanken som standard til at måle koncentrationen af aktiveret slam i hele beluftningstanken.
2. Forholdet mellem slamkoncentration og andre kontrolindikatorer
1. Forholdet mellem aktiveret slamkoncentration og slamalderen
Slamalderen er et operationelt middel til at nå slamaldermålet ved at fjerne aktivt slam. Et rimeligt interval til at kontrollere koncentrationen af aktiveret slam kan gives gennem en rimelig slamalder og forholdet mellem fødevare- og-mikrobe. Faktisk, hvis koncentrationen af aktiveret slam øges for meget, vil slamalderen være særlig lang og overstige den normalt kontrollerede slamaldersværdi, selv når den indgående organiske stofkoncentration ikke er høj. Dette indikerer tydeligt, at koncentrationen af aktiveret slam bliver kontrolleret for højt, hvilket er meget mere præcist end at vurdere, om koncentrationen af aktiveret slam skal kontrolleres ud fra dens absolutte værdi.
2. Sammenhæng mellem koncentration af aktivt slam og vandtemperatur
Væksten, reproduktionen og metabolismen af aktiveret slam i den biologiske behandlingsbeholder er tæt forbundet med vandtemperaturen. For hver 10 graders fald i vandtemperaturen vil aktiviteten af aktiveret slam falde med det halve; når vandtemperaturen er under 10 grader, er behandlingseffekten klart dårlig. For at løse dette kan koncentrationen af aktiveret slam justeres til at klare ændringer i vandtemperaturen:
Når vandtemperaturen er lav, kan koncentrationen af aktiveret slam øges for at opveje den negative påvirkning af reduceret aktivslamaktivitet, og derved opnå øget fjernelseseffektivitet ved lave vandtemperaturer.
Når vandtemperaturen er høj, er den aktiverede slamaktivitet kraftig. For høj koncentration af aktiveret slam er skadelig for bundfældning af aktiveret slam. I dette tilfælde kan en reduktion af koncentrationen af aktiveret slam forhindre dannelsen af ubundne flokke og grumset supernatant.
3. Forholdet mellem aktiveret slamkoncentration og aktiveret slamafsætningsforhold
Aktiveret slamkoncentration påvirker det endelige bundfældningsforhold. En højere koncentration af aktivt slam resulterer i et højere slutsætningsforhold og omvendt. Dette skyldes, at en højere koncentration af aktivt slam fører til en større biologisk mængde, hvilket resulterer i et højere bundfældningsforhold efter kompression og sedimentering. En vigtig forskel fra andre faktorer, der kan øge bundfældningsforholdet, er at observere, om det komprimerede aktiverede slam er tæt, og om dets farve er mørkebrun. I tilfælde, hvor øget ikke-aktiveret slamkoncentration fører til et højere bundfældningsforhold, skyldes det normalt dårlig komprimering og en matere farve.
For lav koncentration af aktiveret slam påvirker naturligvis også bundfældningsforholdet væsentligt. Dette er dog ofte ikke forårsaget af, at operatører bevidst sænker koncentrationen af aktiveret slam, men snarere af en for lav koncentration af organisk stof. I sådanne tilfælde forsøger operatører, der føler, at koncentrationen af aktiveret slam er for lav, at øge den, hvilket resulterer i ældning af aktiveret slam. Den endelige bundfældningsforholdsobservation vil afsløre typiske tegn på aktiveret slamældning: høj komprimerbarhed, mørk farve og en klar supernatant indeholdende fine flokke.
Hvis der opstår et lavt bundfældningsforhold på grund af unormal slamudledning, vil observation også afsløre, at det bundfældede aktiverede slam er bleg i farven, har dårlig komprimerbarhed og er sparsomt.
3. Indvirkningen af slamkoncentration på nitrifikation og denitrifikation
1. Indvirkningen af slamkoncentration på nitrifikation
Mange miljøfaktorer påvirker nitrifikation, herunder pH, temperatur, SRT, DO, BOD/TKN, slamkoncentration og giftige stoffer. I egentlige spildevandsrensningsanlæg kan kun parametre som SRT, DO, BOD/TKN og slamkoncentration kontrolleres under procesdrift.
en. Ved aerob nitrifikation resulterer højere slamkoncentrationer i en relativt højere koncentration af nitrificerende bakterier, hvilket fører til en højere hastighed af aerob nitrifikation under forhold med høj slamkoncentration.
b. En vis slamalder er nødvendig for at sikre tilstedeværelsen af nitrificerende bakterier i biologisk slam. At skabe gunstige levevilkår for nitrificerende bakterier øger yderligere deres andel i det mikrobielle samfund og øger derved deres koncentration. Ved høje slamkoncentrationer forbruges mere BOD i det anaerobe stadie, hvilket resulterer i et relativt lavere BOD/TKN-forhold i det aerobe stadie.
Nogle undersøgelser har vist en omvendt sammenhæng mellem andelen af nitrificerende bakterier i aktiveret slam og BOD/TKN. Da nitrificerende bakterier er autotrofe, er koncentrationen af organisk substrat ikke en begrænsende faktor for deres vækst. Men hvis den organiske substratkoncentration er for høj, vil det få heterotrofe bakterier med høj-vækst-hastighed til at formere sig hurtigt og konkurrere om opløst oxygen. Dette bremser væksten af autotrofe bakterier og forhindrer aerobe nitrificerende bakterier i at få en fordel, hvilket resulterer i en reduceret nitrifikationshastighed.
c. Opløst oxygen (DO) er generelt en vigtig indikator i nitrifikationsstadiet på spildevandsrensningsanlæg, typisk over 2 mg/L. I de fleste oxidationsgrøft-processer er den gennemsnitlige DO-værdi i grøften svær at nå 2 mg/L, forbliver generelt på 1 mg/L eller lavere. Nitrifikationseffekten er dog stadig god. Årsagen til dette er, at den relativt høje slamkoncentration, der er unik for oxidationsgrøfter, selv om den resulterer i en lavere DO-værdi, forstærker andre faktorer, der befordrer nitrifikation.
Øget slamkoncentration øger den biologiske behandlingstanks effektive volumen, samtidig med at belastningen reduceres. Fra et andet perspektiv øger stigende slamkoncentration også mikroorganismernes aerobe kapacitet. Under de samme beluftningsforhold bør måleraflæsningen for opløst oxygen også være lavere. Ovenstående punkter forklarer, at en forøgelse af slamkoncentrationen passende kan reducere værdien af opløst ilt (DO) i den biologiske behandlingsbeholder og samtidig opretholde et godt nitrifikationsniveau.
d. For at sikre normal vækst og reproduktion af nitrificerende bakterier i aktiveret slam bør slamalderen generelt kontrolleres til mere end 8 dage. For at sikre en forholdsvis afbalanceret konkurrencefordel for nitrificerende bakterier mod andre heterotrofe bakterier bør slamalderen dog øges uden at forårsage alvorlig ældning af slammet, hvilket tilsvarende øger slamkoncentrationen i det biologiske system.
2. Indvirkningen af slamkoncentration på denitrifikation
Biologisk denitrifikation er den proces, hvorved denitrificerende bakterier udnytter den ioniske oxygen i nitrater til at nedbryde organisk stof under anoxiske forhold. Nitrat reduceres til N2, hvilket fuldender denitrifikationsprocessen. Denitrificerende bakterier er heterotrofe fakultative bakterier, der er rigelige i spildevandsbehandlingssystemer. Under aerobe forhold udnytter de ilt til respiration og oxidativ nedbrydning af organisk stof.
Under forhold uden molekylær oxygen, når nitrat- og nitritioner er til stede samtidigt, kan de udnytte oxygenet i disse ioner til respiration, oxidering og nedbrydning af organisk stof. Denitrificerende bakterier kan bruge en lang række organiske substrater som elektrondonorer i denitrifikationsprocessen, herunder kulhydrater, organiske syrer, alkoholer og endda forbindelser som alkaner, benzoater og andre benzenderivater, som ofte er hovedkomponenterne i spildevand. Mange faktorer påvirker denitrifikationshastigheden, herunder pH, temperatur, opløst oxygen (DO), kulstof-til-nitrogenforhold (C/N-forhold) og slamkoncentration. I egentlige spildevandsrensningsanlæg er det kun parametre som DO og slamkoncentration, der kan kontrolleres under procesdrift. Selvom C/N-forholdet er den vigtigste påvirkningsfaktor i denitrifikationsreaktionen, er det i høj grad afhængigt af den indgående vandkvalitet og er generelt vanskeligt at kontrollere i praksis.
en. Denitrifikation kræver fravær af molekylær oxygen for at tillade denitrificerende bakterier at udnytte den ioniske oxygen i nitrater og nitritter til at nedbryde organisk stof. Som tidligere nævnt kan biologiske systemer med høje slamkoncentrationer passende reducere opløst ilt (DO) under nitrifikation og samtidig bevare nitrifikationseffektiviteten. Derfor reducerer en sænkning af DO ved slutningen af nitrifikationen effektivt DO-indholdet i nitratreturvæsken, hvilket mindsker påvirkningen af molekylær oxygen på denitrifikationsprocessen i den anoxiske zone og forbedrer denitrificerende bakteriers evne til at udnytte kulstofkilder.
Samtidig resulterer høje slamkoncentrationer også i en relativt stærk endogen metabolisk aerob kapacitet, hvilket yderligere forbruger opløst ilt i retur- og anoxiske zoner. Ydermere ændrer meget høje slamkoncentrationer viskositeten af den blandede væske, hvilket øger diffusionsmodstanden og dermed reducerer den DO, der føres i returvæsken. I nogle behandlingsprocesser, der anvender åbne kanaler som returkanaler, kan dette reducere den nødvendige iltning til returstrøm. Sammenfattende spiller høje slamkoncentrationer en væsentlig rolle i reduktionen af DO under denitrifikationsstadiet i egentlig procesdrift.
b. Da denitrificerende bakterier er heterotrofe fakultative bakterier og er rigelige i spildevandsbehandlingssystemer, kan en forøgelse af slamkoncentrationen i systemet effektivt øge koncentrationen af denitrificerende bakterier. Denitrifikationshastigheden er stort set uafhængig af nitrat- og nitritkoncentrationer, men udviser en første-reaktion med koncentrationen af denitrificerende bakterier.
Derfor kan høje slamkoncentrationer i faktisk procesdrift forkorte denitrifikationstiden og reducere det effektive volumen af den anoxiske zone. Givet et fast effektivt volumen i den anoxiske zone giver høje slamkoncentrationer mulighed for bedre udnyttelse af relativt vanskeligt-at-nedbrydeligt organisk stof i den organiske matrix som kulstofkilde. Dette er især vigtigt for processer til fjernelse af nitrogen og fosfor, især når kulstofkilderne er utilstrækkelige.
c. Høje slamkoncentrationer resulterer i relativt større mikrobielle flokdiametre. Under nitrifikation fører det lave niveau af opløst ilt til en mindre ilttrykgradient, hvilket gør det lettere for anoxiske miljøer at dannes i flokkene, hvilket fremmer denitrifikation. Derfor kan høje slamkoncentrationer fremme samtidig denitrifikation.
4. Indvirkningen af slamkoncentration på biologisk fosforfjernelse
Nøglen til biologisk fosforfjernelse er at øge andelen af polyphosphat-akkumulerende bakterier i det aktiverede slamsystem, samtidig med at de fremmer deres hurtige vækst og reproduktion under driften af systemet og opretholder et højt fosforindhold i de polyphosphat-akkumulerende bakterier ved udledning.
For at øge andelen af polyphosphat-akkumulerende (PAC) bakterier i det aktiverede slam i systemet, er det nødvendigt at skabe et mere gunstigt miljø og hydrauliske betingelser for deres vækst og reproduktion. Det betyder at have et godt anaerobt og aerobt miljø i procesflowet. Kontrol af miljøfaktorer i den anaerobe zone er særlig vigtig for vækst og reproduktion af PAC-bakterier og opnåelse af fosforfjernelse. En høj slamkoncentration i den anaerobe zone er mere gavnlig for PAC-bakterier.
Effektiviteten af biologisk fosforfjernelse er tæt forbundet med slammets alder. Kun med en vis slamalder (omkring 3 dage) kan overskydende fosfor effektivt fjernes, hvorved fosforfjernelsesfunktionen opnås. Givet en fast indstrømning af suspenderede stoffer (SS), da slamkoncentrationen er direkte proportional med slamalderen, jo højere slamkoncentrationen er ud over et vist område, jo værre er fosforfjernelseseffekten.
en. Mens man opretholder en slamalder, der er tilstrækkelig til effektiviteten af fosforfjernelse, resulterer en øget slamkoncentration i den anaerobe zone i en tilsvarende højere koncentration af PAC-bakterier. Dette øger mængden af fosfor-frigivende mikroorganismer, hvilket igen øger mængden af efterfølgende aerobe fosfor-absorberende mikroorganismer, og dermed øger systemets samlede fosforfjernelseseffekt.
b. I den anaerobe zone absorberer polyphosphat-akkumulerende bakterier VFA og frigiver fosfor. Samtidig, under forhold med høj slamkoncentration, kan den anaerobe zone tjene som den anaerobe forsuringssektion af systemet, der anaerobt hydrolyserer høj-molekylær-vægtigt, genstridigt organisk stof i vandet. Den energi, der frigives under fosforfrigivelsen af polyphosphat-akkumulerende bakterier, kan bruges til aktivt at absorbere eddikesyre, H+ osv., danne PHB og lagre det i bakterierne. Dette fremmer forsuringsprocessen af organisk materiale, forbedrer den biologiske nedbrydelighed af spildevand og øger kulstofkilden, der bruges til denitrifikationsreaktioner i efterfølgende behandlingsprocesser.