في السنوات الأخيرة، ظهرت العديد من عمليات نزع النتروجين الجديدة محليًا ودوليًا، مما يوفر طرقًا جديدة لمعالجة مياه الصرف الصحي ذات التركيز العالي من نيتروجين الأمونيا. وتشمل هذه في المقام الأول النترجة ونزع النتروجين بطريقة قصيرة المدى، ونزع النتروجين الهوائي، وأكسدة الأمونيا اللاهوائية (ANAMMOX).

1. النترجة ونزع النتروجين بطريقة مختصرة

في عام 1975، اكتشف فويتس وآخرون ظاهرة تراكم NO2-N أثناء عملية النترجة أثناء دراسة معالجة مياه الصرف الصحي ذات التركيز العالي من نيتروجين الأمونيا، واقترحوا أولاً مفهوم النترجة القصيرة ونزع النتروجين.

وبما أن أكسدة نيتروجين الأمونيا تتطلب كمية كبيرة من الأكسجين، فإن تكاليف التهوية تصبح الإنفاق الأساسي لطريقة نزع النيتروجين هذه. النترجة ونزع النتروجين المختصرة (أكسدة نيتروجين الأمونيا فقط إلى نيتروجين النتريت قبل نزع النتروجين) يمكن أن توفر ليس فقط الأكسجين المطلوب لأكسدة الأمونيا ولكن أيضًا مصدر الكربون اللازم لنزع النتروجين. استخدم رويزا وآخرون مياه الصرف الصحي الاصطناعية (محاكاة مياه الصرف الصناعي التي تحتوي على تركيزات عالية من نيتروجين الأمونيا) لتحديد الظروف اللازمة لتحقيق تراكم النتريت. لتحقيق تراكم النتريت، لا يعد الرقم الهيدروجيني معلمة تحكم حرجة، لأنه عندما يتراوح الرقم الهيدروجيني بين 6.45 و8.95، تحدث النترجة الكلية لتكوين النترات؛ عندما يكون الرقم الهيدروجيني <6.45 أو الرقم الهيدروجيني> 8.95، يتم تثبيط النترجة ويتراكم نيتروجين الأمونيا. عندما يكون D O = 0.7 ملجم/لتر، يمكن تجميع 65% من نيتروجين الأمونيا في شكل نتريت، مع معدل تحويل نيتروجين الأمونيا يزيد عن 98%. عندما DO < 0.5 ملغم/لتر، يحدث تراكم نيتروجين الأمونيا؛ عندما تفعل> 1.7 ملغم / لتر، يحدث النترجة الكلية لتكوين النترات. أجرى ليو جونشين وآخرون تحليلًا مقارنًا لتأثيرات نزع النتروجين من نوع النتريت ونوع النترات في مياه الصرف الصحي ذات التركيز العالي من نيتروجين الأمونيا مع نسبة منخفضة من الكربون إلى النيتروجين. تظهر النتائج التجريبية أن نزع النيتروجين من نوع النتريت يمكن أن يحسن بشكل كبير إجمالي كفاءة إزالة النيتروجين، ويمكن مضاعفة أحمال نيتروجين الأمونيا والنيتروجين النترات تقريبًا. بالإضافة إلى ذلك، فإن عوامل مثل الرقم الهيدروجيني وتركيز نيتروجين الأمونيا لها تأثير مهم على نوع نزع النتروجين.

تظهر نتائج النطاق التجريبي لمعالجة مياه الصرف الصحي لفحم الكوك عن طريق النترجة القصيرة ونزع النتروجين أنه عندما تكون التركيزات المؤثرة لـ COD ونيتروجين الأمونيا وTN والفينول هي 1201.6 و510.4 و540.1 و110.4 ملغم/لتر على التوالي، يكون متوسط تركيزات النفايات السائلة 197.1 و14.2 و181.5 و0.4 ملغم/لتر. معدلات الإزالة المقابلة هي 83.6%، 97.2%، 66.4%، و99.6% على التوالي. بالمقارنة مع عمليات نزع النتروجين البيولوجية التقليدية، تحتوي هذه العملية على حمولة أعلى من نيتروجين الأمونيا ويمكن أن تزيد من معدل إزالة TN في ظل ظروف انخفاض قيم C / N.

2. أكسدة الأمونيا اللاهوائية (ANAMMOX)

تشير أكسدة الأمونيا اللاهوائية (ANAMMOX) إلى العملية التي يتم فيها أكسدة نيتروجين الأمونيا مباشرة إلى غاز النيتروجين باستخدام النتريت كمستقبل للإلكترون في ظل الظروف اللاهوائية.

معادلة التفاعل الكيميائي الحيوي لـ ANAMMOX هي:
NH₄⁺ + NO₂⁻ → N₂↑ + 2H₂O

تعد بكتيريا ANAMMOX من الكائنات ذاتية التغذية اللاهوائية، مما يجعلها مناسبة للغاية لمعالجة مياه الصرف الصحي المصنوعة من نيتروجين الأمونيا والتي تحتوي على NO₂⁻ ونسب C/N منخفضة. بالمقارنة مع العمليات التقليدية، فإن عملية نزع النيتروجين المعتمدة على أكسدة الأمونيا اللاهوائية تتميز بتدفق عملية بسيط، ولا تتطلب مصدرًا خارجيًا للكربون العضوي، وتمنع التلوث الثانوي، ولها آفاق تطبيق كبيرة. هناك تطبيقان رئيسيان لأكسدة الأمونيا اللاهوائية: عملية CANON والتكامل مع مفاعل واحد لإزالة الأمونيا عالية النشاط فوق النتريت (SHARON) لتشكيل عملية SHARON-ANAMMOX المدمجة.

3. إزالة النيتروجين ذاتي التغذية بالكامل عبر النتريت (CANON)

عملية CANON هي طريقة تستخدم الكائنات الحية الدقيقة ذاتية التغذية تمامًا لإزالة نيتروجين الأمونيا والنتريت في وقت واحد في ظل ظروف محدودة الأكسجين. ومن حيث شكل التفاعل فهو عبارة عن مزيج من عمليتي شارون وأناموكس التي يتم تنفيذها في نفس المفاعل. وجد منغ لياو وآخرون في محطة معالجة راشح النفايات الصلبة في Shenzhen Xiaping أنه عند التحكم في الأكسجين المذاب عند حوالي 1 مجم/لتر، ونيتروجين الأمونيا السائل أقل من 800 مجم/لتر، وحمل نيتروجين الأمونيا <0.46 كجم NH₄⁺/(m³•d)، يمكن تحقيق عملية CANON باستخدام مفاعل SBR، بمعدل إزالة نيتروجين الأمونيا > 95% ومعدل إزالة النيتروجين الإجمالي > 90%.

تُظهر الأبحاث التي أجراها سليكرز وآخرون أن عمليتي ANAMMOX وCANON يمكنهما العمل بشكل جيد في مفاعلات رفع الغاز وتحقيق معدلات تحويل عالية جدًا للنيتروجين. من خلال التحكم في الأكسجين المذاب عند حوالي 0.5 ملجم/لتر في مفاعل رفع الغاز، وصل معدل نزع النتروجين في عملية ANAMMOX إلى 8.9 كجم N/(m³•d)، بينما وصلت عملية CANON إلى 1.5 كجم N/(m³•d).

4. النترجة ونزع النتروجين في وقت واحد (SND)

وفقًا لنظرية نزع النتروجين البيولوجية التقليدية، يتضمن مسار نزع النتروجين بشكل عام مرحلتين: النترجة ونزع النتروجين. يجب تنفيذ هاتين العمليتين في مفاعلين معزولين، أو في نفس المفاعل مع بيئات نقص الأكسجين والهوائية المتناوبة التي تم إنشاؤها في الزمان أو المكان. في الواقع، منذ سنوات مضت، في بعض عمليات الحمأة المنشطة دون مراحل نقص الأكسجين واللاهوائية الواضحة، لوحظت ظاهرة فقدان النيتروجين غير الاستيعابي عدة مرات، كما لوحظ أيضًا اختفاء النيتروجين بشكل متكرر في أنظمة التهوية.

في أنظمة المعالجة هذه، غالبًا ما تحدث تفاعلات النترجة ونزع النتروجين تحت نفس ظروف المعالجة وفي نفس مساحة المعالجة؛ لذلك، تسمى هذه الظواهر النترجة/نزع النتروجين المتزامن (SND). حاليًا، العملية التمثيلية للنترجة ونزع النتروجين المتزامنة هي MBBR.

5. نزع النتروجين الهوائية

تقول نظرية نزع النتروجين التقليدية أن البكتيريا النازعة للنتروجين هي بكتيريا اختيارية، وأن سلسلتها التنفسية تستخدم الأكسجين كمستقبل طرفي للإلكترون في ظل الظروف الهوائية والنترات كمستقبل طرفي للإلكترون في ظل ظروف نقص الأكسجين. لذلك، إذا حدث تفاعل نزع النتروجين، فيجب أن يكون في بيئة خالية من الأكسجين. في السنوات الأخيرة، تم اكتشاف ظاهرة نزع النتروجين الهوائية بشكل مستمر والإبلاغ عنها، واكتسبت الاهتمام تدريجياً. تم عزل بعض بكتيريا نزع النتروجين الهوائية، وبعضها يمكنه إجراء عملية نزع النتروجين الهوائية والنترجة غير المتجانسة في نفس الوقت (مثل T. pantotropica LMD82.5 المعزولة والمفحوصة بواسطة روبرتسون وآخرين). وهذا يسمح بالنترجة ونزع النتروجين بشكل متزامن بالمعنى الحقيقي داخل نفس المفاعل، مما يبسط تدفق العملية ويوفر الطاقة.

أثبتت النتائج التجريبية لمفاعل SBR الذي يعالج مياه الصرف الصحي لنيتروجين الأمونيا وجود عملية نزع النتروجين الهوائية. تتناقص قدرة إزالة النتروجين الهوائية مع زيادة تركيز الأكسجين المذاب في السائل المختلط. عندما يكون تركيز الأكسجين المذاب 0.5 ملجم/لتر، فإن إجمالي معدل إزالة النيتروجين يمكن أن يصل إلى 66.0%.

تظهر الأبحاث التجريبية الديناميكية المستمرة أنه بالنسبة لسائل نيتروجين الأمونيا عالي التركيز، فإن معدل إزالة النيتروجين الإجمالي لعملية نزع النتروجين الهوائية مع الحمأة المنشطة الشائعة يمكن أن يصل إلى أكثر من 10%. ينخفض ​​معدل تفاعل النترجة مع انخفاض تركيز الأكسجين المذاب، في حين يزيد معدل تفاعل إزالة النتروجين مع انخفاض تركيز الأكسجين المذاب. يوضح التحليل الحركي للنترجة ونزع النتروجين أنه عندما يكون الأكسجين المذاب حوالي 0.14 ملغم / لتر، ستحدث النترجة ونزع النتروجين في وقت واحد عندما يكون معدل النترجة ومعدل نزع النتروجين متساويين. المعدل هو 4.7 مجم/(لتر•ساعة)، مع ثابت تفاعل النترجة KN = 0.37 مجم/لتر وثابت تفاعل نزع النتروجين KD = 0.48 مجم/لتر.

يتم إنتاج أكسيد النيتروز، وهو أحد غازات الدفيئة، أثناء عملية نزع النتروجين، مما يسبب تلوثًا جديدًا. إن الأبحاث حول الآليات المرتبطة بها ليست عميقة بما فيه الكفاية بعد، ولا تزال العديد من العمليات في مرحلة المختبر، وتتطلب المزيد من الدراسة قبل أن يمكن تطبيقها بفعالية في الهندسة العملية. بالإضافة إلى ذلك، لا تزال عمليات مثل عملية نزع النتروجين ذاتية التغذية تمامًا والنترجة ونزع النتروجين المتزامنة في مرحلة البحث التجريبي، وكلها تتمتع بآفاق تطبيقية كبيرة.

مصفوفة المراقبة الأساسية YexSensor لتكامل النظام

الأسئلة المتداولة (الأسئلة الشائعة)

س 1: لماذا يعتبر التحكم في الأكسجين المذاب (DO) أمرًا بالغ الأهمية في النترجة المختصرة؟
   ج: يسمح التحكم الدقيق في DO ببقاء البكتيريا المؤكسدة للأمونيا (AOB) مع تثبيط البكتيريا المؤكسدة للنيتريت (NOB). الحفاظ على DO عند حوالي 0.7 ملغم/لتر يضمن أن الأمونيا تتأكسد فقط إلى النتريت، وهو حجر الزاوية في العملية المختصرة.

س2: ما هي المزايا الأساسية لعملية ANAMMOX لمتكاملي الأنظمة؟
   ج: بالنسبة للمشاريع واسعة النطاق، يلغي ANAMMOX الحاجة إلى مصادر الكربون الخارجية ويقلل متطلبات الأكسجين بنسبة 60%، مما يقلل بشكل كبير من النفقات التشغيلية (OPEX) وبصمة المصنع.

س 3: كيف يضمن YexSensor استقرار البيانات في بيئات الأمونيا عالية التركيز؟
   ج: يستخدم منتجنا YEX-NHN-206 قطبًا كهربائيًا انتقائيًا أيونيًا متقدمًا مع خوارزميات تعويض التداخل المتكاملة، المصممة خصيصًا لمقاومة تأثيرات "التسمم" الموجودة بشكل شائع في مياه الصرف الصحي ذات القوة الصناعية.

س4: هل يمكن تنفيذ عملية CANON في مفاعل واحد؟
   ج: نعم. تجمع CANON بين النترات الجزئية وANAMMOX في مفاعل واحد عن طريق التحكم في مستويات الأكسجين للسماح لكل من البكتيريا الهوائية واللاهوائية ذاتية التغذية بالتعايش في طبقات مختلفة من الأغشية الحيوية أو الكتلة.

س5: ما فائدة اتصال RS485 Modbus RTU لمشاريع الصرف الصحي؟
   ج: إنه يسهل التكامل السلس في أنظمة PLC وSCADA، مما يسمح بنقل البيانات لمسافات طويلة (حتى 1200 متر) والتسلسل التعاقبي لأجهزة استشعار متعددة على كابل واحد، مما يقلل من تعقيد التثبيت.

س6: هل تؤثر درجة الحرارة على دقة مراقبة نيتروجين الأمونيا؟
   ج: نعم، تؤثر درجة الحرارة بشكل كبير على نشاط الأيونات. لذلك، يشتمل YEX-NHN-206 على مستشعر درجة حرارة داخلي عالي الدقة للتعويض التلقائي في الوقت الفعلي لضمان سلامة البيانات عبر درجات الحرارة الموسمية المختلفة.

س7: لماذا تعتبر مراقبة الأس الهيدروجيني ضرورية لتحقيق تراكم النتريت؟
   ج: في حين أن DO هو المحرك الأساسي، فإن الرقم الهيدروجيني خارج نطاق 6.45-8.95 يمكن أن يمنع النترجة تمامًا. بالنسبة للعمليات القصيرة، يضمن الحفاظ على الرقم الهيدروجيني الأمثل بقاء AOB نشطًا مع المساعدة في قمع نمو NOB.

س 8: هل النترجة ونزع النتروجين المتزامنين (SND) مناسبان لمياه الصرف الصناعي ذات الأحمال العالية؟
   ج: يعتبر SND فعالاً للغاية عند استخدامه مع حاملات الأغشية الحيوية مثل MBBR، والتي تنشئ المناطق الدقيقة الهوائية/نقص الأكسجين اللازمة. إنه مفيد بشكل خاص للمشاريع ذات المساحة المحدودة ويتطلب تحكمًا دقيقًا في DO عند حوالي 0.1-0.5 مجم / لتر.

ملخص: قيادة مستقبل إزالة النيتروجين

يمثل الانتقال من إزالة النيتروجين التقليدية إلى العمليات ذاتية التغذية والقصيرة المتقدمة قفزة كبيرة في كفاءة الهندسة البيئية. من خلال دمج تكنولوجيا الاستشعار عالية الأداء مثلسلسلة YexSensor YEX-206ومن خلال العمليات المبتكرة مثل ANAMMOX وCANON، يمكن لمتخصصي تكامل الأنظمة تقديم حلول ليست متوافقة فحسب، ولكنها أيضًا مستدامة للغاية.

مع استمرار تشديد المعايير العالمية للنيتروجين الإجمالي (TN)، فإن القدرة على مراقبة هذه العمليات البيولوجية الحساسة والتحكم فيها في الوقت الفعلي ستكون العامل الحاسم في نجاح مشاريع معالجة مياه الصرف الصناعي الحديثة.

دعم المشروع والتكامل:
       للحصول على خرائط تسجيل Modbus التفصيلية، أو تصميمات خلايا التدفق المخصصة، أو دعم التكامل لمشاريع إزالة النيتروجين واسعة النطاق، يرجى الاتصال بفريق الهندسة الفني في YexSensor.