การบำบัดไนโตรเจน
18/08/2023

การบำบัดไนโตรเจน
18/08/2023

การบำบัดไนโตรเจน

การสะสมของธาตุอาหาร เช่น ไนโตรเจนและฟอสฟอรัสในแหล่งน้ำธรรมชาติ อาจทำให้เกิดปัญหาการเจริญเติบโตอย่างมากมายของสาหร่ายและพืชน้ำ (Algae Bloom) นอกจากนี้การระบายน้ำทิ้งที่มีแอมโมเนียลงไปในลำน้ำจะทำให้เกิดการใช้ออกซิเจนที่มีอยู่ในลำน้ำนั้นเพิ่มขึ้น โดยปกติสารประกอบไนโตรเจนที่พบในน้ำเสียมีอยู่ 4 ชนิด คือ แอมโมเนีย (NH3) สารอินทรีย์ไนโตรเจน (Organic Nitrogen) ไนไทรต์ (NO2-) และไนเทรต (NO3-) วิธีการกำจัดสารประกอบไนโตรเจนในนน้ำเสีย ประกอบด้วยวิธี ทางกายภาพ เช่น การไล่ก๊าซแอมโมเนีย (Ammonia Stripping) วิธีทางเคมี เช่น การแลกเปลี่ยนไอออน และวิธีทางชีวภาพ โดยอาศัยปฏิกิริยาไนทริฟิเคชัน-ดีไนทริฟิเคชัน (Nitrification-Denitrification)

ปฏิกิริยาไนทริฟิเคชัน-ดีไนทริฟิเคชัน สามารถนำมาประยุกต์ใช้ในการกำจัดสารประกอบไนโตรเจนได้ โดยขั้นตอนแรกคือปฏิกิริยาไนทริฟิเคชัน เป็นปฏิกิริยาทางชีวภาพที่ทำให้ไนโตรเจนในรูปของแอมโมเนียถูกออกซิไดซ์ให้เป็นไนไทรต์ (NO2-) และไนเทรต (NO3-) ในสภาพที่มีออกซิเจน โดยออโทโทรฟิกแบคทีเรียชนิดไนโตรโซโมนัส (Nitrosomonas) และไนโตรแบคเทอร์ (Nitrobactor)  ถัดมาขั้นตอนดีไนทริฟิเคชัน ไนไนร์ตและไนเทรตจะถูกเปลี่ยนเป็นก๊าซไนโตรเจนในสภาพที่ไม่มีออกซิเจนอิสระโดยเฮเทอโรโทรฟิกแบคทีเรียที่เป็นพวกแฟคัลเททีฟ ซึ่งสามารถหายใจด้วยออกซิเจนในสภาพที่มีอากาศ และย่อยสลายไนเทรตหรือไนไนรต์ในสภาพที่ไม่มีออกซิเจนโดยมีสารอินทรีย์คาร์บอนเป็นตัวอิเล็กตรอน

1) การใช้ระบบเอเอสบำบัดสารประกอบไนโตรเจนในน้ำเสีย

ระบบเอเอสทั่วไปใช้ในการกำจัดสารอินทรีย์คาร์บอน สามารถนำมาประยุกต์ใช้ในการกำจัดไนโตรเจนได้ โดยใช้ปฏิกิริยาไนทริฟิเคชันในการเปลี่ยนสารอินทรีย์ไนโตรเจน และแอมโมเนีย ไนโตรเจนให้เป็นไนเทรต และอาศัยปฏิกิริยาดีไนทริฟิเคชันในการเปลี่ยนไนเทรตให้เป็นก๊าซไนโตรเจน

ระบบเอเอสที่ดัดแปลงให้ใช้กำจัดไนโตรเจนได้มี 2 ประเภท คือ ระบบแยกเชื้อ (Separate Culture System หรือ Two Sludge System) และระบบเชื้อผสม (Combined Culture System หรือ Sing Sludge System)

1.1 ระบบแยกเชื้อ เป็นระบบที่ประกอบด้วยระบบเอเอสอย่างน้อย 2 ชุดต่ออนุกรมกัน ถังชุดแรกหรือถังแอโรบิกมีปฎิกิริยาไนทริฟิเคชันและแอโรบิกออกซิเดชันเกิดขึ้น ทำให้สามารถกำจัดบีโอดีพร้อมกับเปลี่ยนสารอินทรีย์ไนโตรเจนและแอมโมเนียไนโตรเจนให้เป็นไนเทรต โดยอาศัยออกซิเขนเป็นตัวรับอิเล็กตรอน ถังชุดที่สองหรือถังแอน็อกซิก (Anoxic) มีปฏิกิริยาดีไนทริฟิเคชันเกิดขึ้น ใช้ในการกำจัดไนเทรตที่เกิดขึ้นจากถังปฏิกิริยาชุดแรก โดยไนเทรตจะทำหน้าที่เป็นสารรับอิเล็กตรอน ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องมีการเติมออกซิเจนให้ระบบเอเอสชุดที่สอง

1.2 ระบบเชื้อผสม เป็นระบบที่ใช้ระบบเอเอสเพียงชุดเดียวทำหน้าที่ทั้ง 3 อย่าง คือ แอโรบิก-ออกซิเดชัน (กำจัดบีโอดี) ไนทริฟิเคชันและดีไนทริฟิเคชัน ระบบเชื้อผสมประกอบด้วย ถังปฏิกิริยา 2 ชนิด คือ ถังแอโรบิกและแอน็อกซิก จะคล้ายกับระบบแยกเชื้อ สิ่งที่แตกต่างกันคือระบบเชื้อผสมจะมีถังตกตะกอนเพียงชุดเดียว ทำให้ตะกอนในถังปฏิกิริยาทั้งสองชุดของระบบเชื้อผสมเป็นแบคทีเรียกลุ่มเดียวกัน โดยถังตกตะกอนจะอยู่ตำแหน่งสุดท้าย ตะกอนจะหมุนเวียนจากถังตกตะกอนมาเข้าถังปฏิกิริยาชุดแรก ซึ่งอาจเป็นถังแอโรบิกหรือแอน็อกซิกก็ได้ ตะกอนในถังปฏิริยาแรกจะไหลเข้าสู่ถังชุดที่สองโดยไม่มีการตกตะกอน

2) ปัจจัยที่มีผลต่อปฏิกิริยาไนทริฟิเคชัน-ดีไนทริฟิเคชัน

2.1 ปฏิกิริยาไนทริฟิเคชัน

• อายุตะกอน เนื่องจากอัตราการเติบโตของไนทริฟายเออร์จะช้ากว่าแบคทีเรียที่ทำการย่อยสลายสารอินทรีย์ในระบบเอเอส ปกติจะใช้อายุตะกอน 5-10 วัน การเกิดปฏิกิริยาไนทริฟิเคชัน จะเกิดได้ถ้าอายุตะกอนมากกว่า 10 วัน
• ค่าพีเอช มีผลต่อการเจริญเติบโตของไนทริฟายเออร์เป็นอย่างมาก ค่าพีเอชที่เหมาะสมต่อการเจริญเติบโตของไนโตรโซโมนัส และไนโตรแบคเทอร์ คือ 8.0-8.5 และ 7.0-8.0 ตามลำดับ นอกจากนี้ค่าพีเอชยังมีผลต่อปริมาณแอมโมเนีย และปริมาณไนไทรต์ซึ่งมีความเป็นพิษต่อไนทริฟายเออร์และความเป็นด่าง ดังนั้นจึงมีความจำเป็นต้องควบคุมค่าพีเอชให้มีความเหมาะสม โดยค่าพีเอชที่เหมาะสมต่อระบบคือ 7.5-8.5
• อุณหภูมิ มีผลต่อการเจริญเติบโตของไนทริฟายเออร์มากกว่าแบคทีเรียที่ทำการย่อยสลายสารอินทรีย์ ปฏิกิริบาไนทริฟิเคชันจะมีอัตราเร็วสูงขึ้นเมื่อน้ำมีอุณหภูมิสูงขึ้น
• สารพิษ สารประกอบอินทรีย์และอนินทรีย์หลายชนิดแสดงความเป็นพิษและขัดขวางการเจริญเติบโตของไนทริฟายเออร์ เช่น แอมโมเนียอิสระ กรดไนตรัสอิสระ
• ปริมาณออกซิเจนละลายที่เหมาะสมคือ 2-3 มิลลิกรัมต่อลิตร

2.2 ปฏิกิริยาดีไนทริฟิเคชัน

• สภาพแอนแอโรบิกที่เหมาะสม ควรมีค่าออกซิเดชัน-รีดักชันโพเทนเชียล (ORP) ประมาณ -200ถึง -300 มิลลิโวลท์
• มีปริมาณสารอินทรีย์เพื่อเป็นแหล่งคาร์บอนที่เหมาะสม สารอนทรีย์คาร์บอนอาจมาจากภายนอกเซลล์จุลินทรีย์ ได้แก่บีโอดีที่อยู่ในน้ำเสีย หรือารเคมีที่เติมลงไป เช่น เมทานอล กรดแอซีติก ในกรณีที่ไม่มีแหล่งคาร์บอนภายนอกเซลล์ดีไนทริฟิเคชันอาจยังเกิดขึ้นได้โดยใช้แหล่งคาร์บอนภายในเซลล์จุลินทรีย์

3) กระบวนการชารอนและอนาม็อก (Sharon and Anammox Process)

ในกรณีที่มีอัตราส่วนของปริมาณสารอินทรีย์ในรูปซีโอดีทั้งหมดต่อไนโตรเจนในรูปไนเทรตต่ำกว่า 3 หรือน้ำเสียที่มีปริมาณไนโตรเจนสูงๆ แต่ปริมาณคาร์บอนต่ำๆ เช่น น้ำเสียจากระบบบำบัดน้ำเสียกรุงเทพมหานคร น้ำเสียประเภทนี้จะเหมาะกับการใช้กระบวนการไนทริฟิเคชันจากไนไทรต์ (NO2-) ไม่ให้เป็นไนเทรต (NO3-) แล้วใช้ไนไทรต์เป็นตัวรับอิเล็กตรอนในกระบวนการดีไนทริฟิเคชัน ส่วนตัวให้อิเล็กตรอนคือ แอมโมเนีย (NH4+) แล้วเปลี่ยนเป็นก๊าซไนโตรเจน

วิธีบำบัดไนโตรเจนด้วยวิธีชีวภาพด้วยทางเลือกใหม่อีกทางเลือกหนึ่งซึ่งจุลินทรีย์เปลี่ยนแอมโมเนียมให้เป็นไนไทรต์ไม่ให้เป็นไนเทรต ข้อดีของกระบวนการชารอนและอนาม็อก มีดังต่อไปนี้

1. ใช้ออกซิเจนน้อยลง
2. ไม่ต้องการสารอินทรีย์ คือแทนที่ต้องเติมสารอินทรีย์จากภายนอกเข้าระบบ
3. มีตะกอนเกิดขึ้นเพียงเล็กน้อย

โดยทั่วไปกระบวนการไนทริฟิเคชันประกอบไปด้วยกระบวนการหลัก 2 ประการคือ จากแอมโมเนียไปเป้นไนไทรต์ และจากไนไทรต์เป็นไปไนเทรตทั้งสองกระบวนการนี้ขึ้นกับอุณหภูมิ ถ้าอุณหภูมิมากกว่า 26 องศาเซลเซียส กระบวนการแอมโมเนียมออกซิเดชันจะเกิดขึ้นได้ดีกว่ากระบวนการไนไทรต์ออกซิเดชัน ในการทำงานเพื่อควบคุมกระบวนการแอมโมเนียมออกซิเดชันและไนไทรต์ออกซิเดชัน ระยะเวลากักเก็บน้ำเสียในระบบ (HRT) ในกระบวนการชารอนเป็นปัจจัยสำคัญในการควบคุมการทำงาน คือค่าอายุตะกอน (SRT) และรพยพเวลาเก็บกักน้ำเสีย (HRT) ทั้งสองปัจจัยมีค่าเท่ากัน

ที่มา :

มงคล ดำรงค์ศรี และสุธา ขาวเธียร, ตำราระบบบำบัดมลพิษน้ำ, พิมพ์ครั้งที่ 9, กรมโรงงานอุตสาหกรรม, ปี 2562, หน้า 5-73.