สารเคมีและกระบวนการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนออกจากน้ำ

1. แอมโมเนียไนโตรเจนคืออะไร?

แอมโมเนียไนโตรเจน หมายถึง แอมโมเนียในรูปของแอมโมเนียอิสระ (หรือแอมโมเนียที่ไม่แตกตัวเป็นไอออน, NH3) หรือแอมโมเนียที่แตกตัวเป็นไอออน (NH4+) ค่า pH สูง จะมีสัดส่วนของแอมโมเนียอิสระสูง ในทางตรงกันข้าม สัดส่วนของเกลือแอมโมเนียมจะสูง

แอมโมเนียไนโตรเจนเป็นสารอาหารในน้ำ ซึ่งอาจนำไปสู่ภาวะน้ำเสีย และเป็นสารมลพิษหลักที่บริโภคออกซิเจนในน้ำ ซึ่งเป็นพิษต่อปลาและสิ่งมีชีวิตในน้ำบางชนิด

ผลเสียหลักของแอมโมเนียไนโตรเจนต่อสิ่งมีชีวิตในน้ำคือแอมโมเนียอิสระ ซึ่งมีความเป็นพิษมากกว่าเกลือแอมโมเนียมหลายสิบเท่า และจะเพิ่มขึ้นตามค่าความเป็นด่างที่เพิ่มขึ้น ความเป็นพิษของแอมโมเนียไนโตรเจนมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับค่า pH และอุณหภูมิของน้ำในสระ โดยทั่วไป ยิ่งค่า pH และอุณหภูมิของน้ำสูง ความเป็นพิษก็จะยิ่งรุนแรงขึ้น

วิธีการตรวจวัดแอมโมเนียโดยใช้สีที่มีความไวใกล้เคียงกันสองวิธีที่นิยมใช้กันทั่วไป ได้แก่ วิธีการใช้สารละลายเนสเลอร์ และวิธีการใช้ฟีนอล-ไฮโปคลอไรต์ นอกจากนี้ การไทเทรตและวิธีการทางไฟฟ้าก็ใช้กันทั่วไปในการตรวจวัดแอมโมเนียเช่นกัน เมื่อปริมาณไนโตรเจนในแอมโมเนียสูง สามารถใช้วิธีการไทเทรตโดยการกลั่นได้ (มาตรฐานระดับชาติ ได้แก่ วิธีการใช้สารละลายนาธ วิธีการสเปกโทรโฟโตเมตรีของกรดซาลิไซลิก และวิธีการไทเทรตโดยการกลั่น)

2. กระบวนการกำจัดไนโตรเจนด้วยวิธีทางกายภาพและเคมี

① วิธีการตกตะกอนทางเคมี

วิธีการตกตะกอนทางเคมี หรือที่เรียกว่าวิธีการตกตะกอน MAP คือการเติมแมกนีเซียมและกรดฟอสฟอริกหรือไฮโดรเจนฟอสเฟตลงในน้ำเสียที่มีแอมโมเนียไนโตรเจน เพื่อให้ NH4+ ในน้ำเสียทำปฏิกิริยากับ Mg+ และ PO4- ในสารละลายในน้ำ เกิดเป็นตะกอนแอมโมเนียมแมกนีเซียมฟอสเฟต ซึ่งมีสูตรโมเลกุลคือ MgNH4P04.6H20 เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ในการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจน แมกนีเซียมแอมโมเนียมฟอสเฟต หรือที่รู้จักกันทั่วไปว่า สตรูไวต์ สามารถใช้เป็นปุ๋ยหมัก สารปรับปรุงดิน หรือสารหน่วงไฟสำหรับผลิตภัณฑ์โครงสร้างอาคาร สมการปฏิกิริยามีดังนี้:

Mg++ NH4 + + PO4 – = MgNH4PO4

ปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการบำบัดด้วยการตกตะกอนทางเคมี ได้แก่ ค่า pH อุณหภูมิ ความเข้มข้นของแอมโมเนียไนโตรเจน และอัตราส่วนโมล (n(Mg+) : n(NH4+) : n(P04-)) ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่า เมื่อค่า pH เท่ากับ 10 และอัตราส่วนโมลของแมกนีเซียม ไนโตรเจน และฟอสฟอรัส เท่ากับ 1.2:1:1.2 ประสิทธิภาพการบำบัดจะดีขึ้น

จากการใช้แมกนีเซียมคลอไรด์และไดโซเดียมไฮโดรเจนฟอสเฟตเป็นสารตกตะกอน ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพการบำบัดดีขึ้นเมื่อค่า pH อยู่ที่ 9.5 และอัตราส่วนโมลของแมกนีเซียม ไนโตรเจน และฟอสฟอรัสอยู่ที่ 1.2:1:1

ผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่า MgC12+Na3PO4.12H20 มีประสิทธิภาพเหนือกว่าสารตกตะกอนแบบผสมอื่นๆ เมื่อค่า pH เท่ากับ 10.0 อุณหภูมิ 30℃ อัตราส่วน n(Mg+) : n(NH4+) : n(P04-)= 1:1:1 ความเข้มข้นของแอมโมเนียไนโตรเจนในน้ำเสียหลังจากการกวนเป็นเวลา 30 นาทีลดลงจาก 222 มิลลิกรัม/ลิตร ก่อนการบำบัดเหลือ 17 มิลลิกรัม/ลิตร และอัตราการกำจัดอยู่ที่ 92.3%

มีการนำวิธีการตกตะกอนทางเคมีและวิธีการใช้เยื่อเหลวมาผสมผสานกันเพื่อบำบัดน้ำเสียที่มีแอมโมเนียไนโตรเจนความเข้มข้นสูงจากภาคอุตสาหกรรม ภายใต้เงื่อนไขการปรับกระบวนการตกตะกอนให้เหมาะสม อัตราการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนสูงถึง 98.1% และเมื่อทำการบำบัดเพิ่มเติมด้วยวิธีการใช้เยื่อเหลว ความเข้มข้นของแอมโมเนียไนโตรเจนจะลดลงเหลือ 0.005 กรัม/ลิตร ซึ่งเป็นไปตามมาตรฐานการปล่อยมลพิษระดับหนึ่งของประเทศ

งานวิจัยนี้ศึกษาผลการกำจัดไอออนโลหะสองวาเลนซ์ (Ni+, Mn+, Zn+, Cu+, Fe+) ที่ไม่ใช่ Mg+ ต่อไนโตรเจนในแอมโมเนียภายใต้การทำงานของฟอสเฟต และได้เสนอวิธีการใหม่ในการตกตะกอนด้วย CaSO4 ร่วมกับการตกตะกอนด้วย MAP สำหรับน้ำเสียแอมโมเนียมซัลเฟต ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าสารควบคุม NaOH แบบดั้งเดิมสามารถแทนที่ด้วยปูนขาวได้

ข้อดีของวิธีการตกตะกอนทางเคมีคือ เมื่อความเข้มข้นของแอมโมเนียไนโตรเจนในน้ำเสียสูง วิธีการอื่นๆ เช่น วิธีทางชีวภาพ วิธีการคลอรีนแบบจุดแตกหัก วิธีการแยกด้วยเยื่อ วิธีการแลกเปลี่ยนไอออน ฯลฯ จะมีข้อจำกัดในการใช้งาน ในกรณีเช่นนี้ วิธีการตกตะกอนทางเคมีสามารถใช้เป็นวิธีการบำบัดเบื้องต้นได้ ประสิทธิภาพในการกำจัดของวิธีการตกตะกอนทางเคมีดีกว่า และไม่จำกัดด้วยอุณหภูมิ และการดำเนินการก็ง่าย กากตะกอนที่ประกอบด้วยแมกนีเซียมแอมโมเนียมฟอสเฟตสามารถนำไปใช้เป็นปุ๋ยผสมเพื่อใช้ประโยชน์จากของเสีย ช่วยลดต้นทุนได้บางส่วน หากสามารถนำไปใช้ร่วมกับโรงงานอุตสาหกรรมที่ผลิตน้ำเสียฟอสเฟตและโรงงานที่ผลิตน้ำเกลือ จะช่วยประหยัดต้นทุนด้านยาและอำนวยความสะดวกในการนำไปใช้ในวงกว้างได้

ข้อเสียของวิธีการตกตะกอนทางเคมีคือ เนื่องจากข้อจำกัดของค่าผลคูณการละลายของแอมโมเนียมแมกนีเซียมฟอสเฟต เมื่อแอมโมเนียไนโตรเจนในน้ำเสียมีความเข้มข้นถึงระดับหนึ่งแล้ว ประสิทธิภาพในการกำจัดจะไม่ชัดเจน และต้นทุนจะสูงขึ้นมาก ดังนั้น วิธีการตกตะกอนทางเคมีจึงควรใช้ร่วมกับวิธีการอื่นที่เหมาะสมสำหรับการบำบัดขั้นสูง ปริมาณสารเคมีที่ใช้มีมาก ตะกอนที่เกิดขึ้นมีมาก และต้นทุนการบำบัดสูง การปนเปื้อนของไอออนคลอไรด์และฟอสฟอรัสตกค้างในระหว่างการเติมสารเคมีอาจทำให้เกิดมลพิษทุติยภูมิได้ง่าย

ผู้ผลิตและจำหน่ายอะลูมิเนียมซัลเฟตแบบขายส่ง | EVERBRIGHT (cnchemist.com)

ผู้ผลิตและจำหน่ายโซเดียมฟอสเฟตไดเบสิกแบบขายส่ง | EVERBRIGHT (cnchemist.com)

②วิธีเป่าลมออก

การกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนด้วยวิธีการเป่าลม คือการปรับค่า pH ให้เป็นด่าง เพื่อให้ไอออนแอมโมเนียในน้ำเสียเปลี่ยนเป็นแอมโมเนีย ทำให้ส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปของแอมโมเนียอิสระ จากนั้นจึงนำแอมโมเนียอิสระนี้ออกจากน้ำเสียโดยใช้ก๊าซพาหะ เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ในการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจน ปัจจัยหลักที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพการเป่าลม ได้แก่ ค่า pH อุณหภูมิ อัตราส่วนก๊าซต่อของเหลว อัตราการไหลของก๊าซ ความเข้มข้นเริ่มต้น และอื่นๆ ปัจจุบัน วิธีการเป่าลมถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการบำบัดน้ำเสียที่มีแอมโมเนียไนโตรเจนความเข้มข้นสูง

ได้มีการศึกษาการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนออกจากน้ำชะขยะจากหลุมฝังกลบโดยวิธีเป่าลม พบว่าปัจจัยสำคัญที่ควบคุมประสิทธิภาพของการเป่าลม ได้แก่ อุณหภูมิ อัตราส่วนก๊าซต่อของเหลว และค่า pH เมื่ออุณหภูมิน้ำสูงกว่า 2590 องศาเซลเซียส อัตราส่วนก๊าซต่อของเหลวประมาณ 3500 และค่า pH ประมาณ 10.5 อัตราการกำจัดสามารถสูงกว่า 90% สำหรับน้ำชะขยะที่มีความเข้มข้นของแอมโมเนียไนโตรเจนสูงถึง 2000-4000 มิลลิกรัม/ลิตร ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่า เมื่อค่า pH เท่ากับ 11.5 อุณหภูมิในการเป่าลม 80 องศาเซลเซียส และเวลาในการเป่าลม 120 นาที อัตราการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนในน้ำเสียสามารถสูงถึง 99.2%

ได้ทำการศึกษาประสิทธิภาพการระบายแอมโมเนียไนโตรเจนความเข้มข้นสูงโดยใช้หอระบายแบบไหลสวนทาง ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพการระบายเพิ่มขึ้นตามค่า pH ที่เพิ่มขึ้น ยิ่งอัตราส่วนของแก๊สต่อของเหลวมากเท่าใด แรงขับเคลื่อนในการถ่ายเทมวลเพื่อแยกแอมโมเนียก็จะยิ่งมากขึ้น และประสิทธิภาพการแยกก็จะเพิ่มขึ้นด้วย

การกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนด้วยวิธีการเป่าลมมีประสิทธิภาพ ใช้งานง่าย และควบคุมง่าย แอมโมเนียไนโตรเจนที่เป่าออกมาสามารถนำไปใช้เป็นสารดูดซับร่วมกับกรดซัลฟิวริก และกรดซัลฟิวริกที่เกิดขึ้นสามารถนำไปใช้เป็นปุ๋ยได้ วิธีการเป่าลมเป็นเทคโนโลยีที่ใช้กันทั่วไปสำหรับการกำจัดไนโตรเจนทั้งทางกายภาพและทางเคมีในปัจจุบัน อย่างไรก็ตาม วิธีการเป่าลมมีข้อเสียบางประการ เช่น การเกิดตะกรันในหอเป่าลมบ่อยครั้ง ประสิทธิภาพการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนต่ำที่อุณหภูมิต่ำ และมลพิษทุติยภูมิที่เกิดจากก๊าซที่เป่าออกมา โดยทั่วไปแล้ว วิธีการเป่าลมจะใช้ร่วมกับวิธีการบำบัดน้ำเสียที่มีแอมโมเนียไนโตรเจนเข้มข้นสูงอื่นๆ เพื่อบำบัดเบื้องต้น

③การเติมคลอรีนตามจุดแตกหัก

กลไกการกำจัดแอมโมเนียโดยการคลอริเนชันแบบจุดแตกหักคือ ก๊าซคลอรีนทำปฏิกิริยากับแอมโมเนียเพื่อผลิตก๊าซไนโตรเจนที่ไม่เป็นอันตราย และ N2 จะระเหยออกสู่ชั้นบรรยากาศ ทำให้แหล่งกำเนิดปฏิกิริยาดำเนินต่อไปทางด้านขวา สูตรปฏิกิริยาคือ:

HOCl NH4 + + 1.5 – > 0.5 N2 H20 H++ Cl – 1.5 + 2.5 + 1.5)

เมื่อปริมาณก๊าซคลอรีนถูกส่งเข้าไปในน้ำเสียถึงจุดหนึ่ง ปริมาณคลอรีนอิสระในน้ำจะต่ำ และความเข้มข้นของแอมโมเนียจะเป็นศูนย์ เมื่อปริมาณก๊าซคลอรีนผ่านจุดนั้นไป ปริมาณคลอรีนอิสระในน้ำจะเพิ่มขึ้น ดังนั้น จุดนั้นจึงเรียกว่าจุดเปลี่ยน และการคลอริเนชั่นในสภาวะนี้เรียกว่าการคลอริเนชั่นแบบจุดเปลี่ยน

วิธีการคลอริเนชันแบบจุดแตกหัก (break point chlorination) ถูกนำมาใช้ในการบำบัดน้ำเสียจากการขุดเจาะหลังจากเป่าแอมโมเนียไนโตรเจน และผลการบำบัดได้รับผลกระทบโดยตรงจากกระบวนการเป่าแอมโมเนียไนโตรเจนก่อนการบำบัด เมื่อกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนในน้ำเสียได้ 70% ด้วยกระบวนการเป่า และจากนั้นบำบัดด้วยคลอริเนชันแบบจุดแตกหัก ความเข้มข้นของแอมโมเนียไนโตรเจนในน้ำทิ้งจะน้อยกว่า 15 มิลลิกรัม/ลิตร Zhang Shengli และคณะ ใช้ตัวอย่างน้ำเสียแอมโมเนียไนโตรเจนจำลองที่มีความเข้มข้น 100 มิลลิกรัม/ลิตร เป็นวัตถุวิจัย และผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าปัจจัยหลักและปัจจัยรองที่มีผลต่อการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนโดยการออกซิเดชันของโซเดียมไฮโปคลอไรต์ คือ อัตราส่วนปริมาณของคลอรีนต่อแอมโมเนียไนโตรเจน เวลาในการทำปฏิกิริยา และค่า pH

วิธีการคลอริเนชั่นแบบจุดแตกหักมีประสิทธิภาพในการกำจัดไนโตรเจนสูง อัตราการกำจัดสามารถสูงถึง 100% และความเข้มข้นของแอมโมเนียในน้ำเสียสามารถลดลงเหลือศูนย์ได้ ผลลัพธ์มีความเสถียรและไม่ได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิ ใช้อุปกรณ์ลงทุนน้อย ตอบสนองรวดเร็วและสมบูรณ์ และมีผลในการฆ่าเชื้อและทำความสะอาดแหล่งน้ำ ขอบเขตการใช้งานของวิธีการคลอริเนชั่นแบบจุดแตกหักคือ น้ำเสียที่มีแอมโมเนียไนโตรเจนความเข้มข้นต่ำกว่า 40 มิลลิกรัม/ลิตร ดังนั้นวิธีการคลอริเนชั่นแบบจุดแตกหักจึงมักใช้สำหรับการบำบัดน้ำเสียที่มีแอมโมเนียไนโตรเจนในระดับสูง ข้อกำหนดด้านความปลอดภัยในการใช้งานและการจัดเก็บสูง ต้นทุนการบำบัดสูง และสารประกอบคลอรามีนและสารอินทรีย์คลอรีนที่เป็นผลพลอยได้จะก่อให้เกิดมลพิษรอง

④ วิธีออกซิเดชันแบบเร่งปฏิกิริยา

วิธีการออกซิเดชันแบบเร่งปฏิกิริยา คือการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาภายใต้อุณหภูมิและความดันที่กำหนด ผ่านการออกซิเดชันในอากาศ เพื่อออกซิไดซ์และสลายตัวสารอินทรีย์และแอมโมเนียในน้ำเสียให้กลายเป็นสารที่ไม่เป็นอันตราย เช่น CO2, N2 และ H2O เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ในการบำบัด

ปัจจัยที่มีผลต่อประสิทธิภาพของการออกซิเดชันแบบเร่งปฏิกิริยา ได้แก่ คุณลักษณะของตัวเร่งปฏิกิริยา อุณหภูมิ เวลาในการทำปฏิกิริยา ค่า pH ความเข้มข้นของแอมโมเนียไนโตรเจน ความดัน ความแรงในการกวน และอื่นๆ

ได้มีการศึกษาถึงกระบวนการย่อยสลายของแอมโมเนียไนโตรเจนที่ผ่านกระบวนการโอโซน ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่า เมื่อค่า pH เพิ่มขึ้น จะเกิดอนุมูลอิสระ HO ชนิดหนึ่งที่มีฤทธิ์ออกซิเดชันสูง และอัตราการออกซิเดชันจะเร่งตัวขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ การศึกษาแสดงให้เห็นว่าโอโซนสามารถออกซิไดซ์แอมโมเนียไนโตรเจนเป็นไนไตรต์ และไนไตรต์เป็นไนเตรต ความเข้มข้นของแอมโมเนียไนโตรเจนในน้ำจะลดลงเมื่อเวลาผ่านไป และอัตราการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนอยู่ที่ประมาณ 82% มีการใช้ CuO-MnO2-CeO2 เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาแบบผสมในการบำบัดน้ำเสียที่มีแอมโมเนียไนโตรเจน ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่ากิจกรรมการออกซิเดชันของตัวเร่งปฏิกิริยาแบบผสมที่เตรียมขึ้นใหม่นั้นดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ และสภาวะกระบวนการที่เหมาะสมคือ 255℃, 4.2MPa และ pH=10.8 ในการบำบัดน้ำเสียที่มีแอมโมเนียไนโตรเจนความเข้มข้นเริ่มต้น 1023 มิลลิกรัม/ลิตร อัตราการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนสามารถสูงถึง 98% ภายใน 150 นาที ซึ่งเป็นไปตามมาตรฐานการปล่อยน้ำเสียระดับรองของประเทศ (50 มิลลิกรัม/ลิตร)

ได้มีการศึกษาประสิทธิภาพการเร่งปฏิกิริยาของตัวเร่งปฏิกิริยาแสง TiO2 ที่รองรับด้วยซีโอไลต์ โดยศึกษาอัตราการย่อยสลายของแอมโมเนียไนโตรเจนในสารละลายกรดซัลฟิวริก ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าปริมาณที่เหมาะสมของตัวเร่งปฏิกิริยาแสง TiO2/ซีโอไลต์ คือ 1.5 กรัม/ลิตร และเวลาในการทำปฏิกิริยาคือ 4 ชั่วโมง ภายใต้การฉายรังสีอัลตราไวโอเลต อัตราการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนจากน้ำเสียสามารถสูงถึง 98.92% นอกจากนี้ยังได้ศึกษาผลการกำจัดฟีนอลและแอมโมเนียไนโตรเจนของเหล็กสูงและซินาเมลไดออกไซด์ระดับนาโนภายใต้แสงอัลตราไวโอเลต ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่าอัตราการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนอยู่ที่ 97.5% เมื่อใช้ pH = 9.0 กับสารละลายแอมโมเนียไนโตรเจนที่มีความเข้มข้น 50 มิลลิกรัม/ลิตร ซึ่งสูงกว่าการใช้เหล็กสูงหรือซินาเมลไดออกไซด์เพียงอย่างเดียว 7.8% และ 22.5% ตามลำดับ

วิธีการออกซิเดชันแบบเร่งปฏิกิริยามีข้อดีคือ ประสิทธิภาพการทำให้บริสุทธิ์สูง กระบวนการง่าย พื้นที่ก้นภาชนะน้อย ฯลฯ และมักใช้ในการบำบัดน้ำเสียที่มีแอมโมเนียไนโตรเจนความเข้มข้นสูง อย่างไรก็ตาม ความยากในการนำไปใช้คือวิธีการป้องกันการสูญเสียตัวเร่งปฏิกิริยาและการป้องกันการกัดกร่อนของอุปกรณ์

⑤วิธีการออกซิเดชันทางไฟฟ้าเคมี

วิธีการออกซิเดชันทางไฟฟ้าเคมี หมายถึงวิธีการกำจัดสารมลพิษในน้ำโดยใช้กระบวนการออกซิเดชันทางไฟฟ้าที่มีตัวเร่งปฏิกิริยา ปัจจัยที่มีอิทธิพล ได้แก่ ความหนาแน่นของกระแสไฟฟ้า อัตราการไหลเข้า เวลาการไหลออก และระยะเวลาของสารละลาย ณ จุดนั้น

งานวิจัยนี้ศึกษาการออกซิเดชันทางไฟฟ้าเคมีของน้ำเสียที่มีแอมโมเนียไนโตรเจนในเซลล์อิเล็กโทรไลต์แบบไหลเวียน โดยใช้โครงข่ายไฟฟ้า Ti/Ru02-TiO2-Ir02-SnO2 เป็นขั้วบวก และโครงข่ายไฟฟ้า Ti เป็นขั้วลบ ผลการศึกษาพบว่า เมื่อความเข้มข้นของไอออนคลอไรด์อยู่ที่ 400 มิลลิกรัม/ลิตร ความเข้มข้นเริ่มต้นของแอมโมเนียไนโตรเจนอยู่ที่ 40 มิลลิกรัม/ลิตร อัตราการไหลของน้ำเข้าอยู่ที่ 600 มิลลิลิตร/นาที ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าอยู่ที่ 20 มิลลิแอมป์/ตารางเซนติเมตร และเวลาในการอิเล็กโทรไลซิสอยู่ที่ 90 นาที อัตราการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนอยู่ที่ 99.37% ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการออกซิเดชันทางไฟฟ้าของน้ำเสียที่มีแอมโมเนียไนโตรเจนมีแนวโน้มการประยุกต์ใช้ที่ดี

3. กระบวนการกำจัดไนโตรเจนทางชีวเคมี

①กระบวนการไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชันทั้งหมด

กระบวนการไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชันแบบครบวงจรเป็นวิธีการทางชีวภาพชนิดหนึ่งที่ใช้กันอย่างแพร่หลายมาเป็นเวลานานในปัจจุบัน โดยจะเปลี่ยนแอมโมเนียไนโตรเจนในน้ำเสียให้เป็นไนโตรเจนผ่านชุดปฏิกิริยาต่างๆ เช่น ไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชัน ภายใต้การทำงานของจุลินทรีย์ต่างๆ เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ในการบำบัดน้ำเสีย กระบวนการไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชันเพื่อกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนจำเป็นต้องผ่านสองขั้นตอน:

ปฏิกิริยาไนตริฟิเคชัน: ปฏิกิริยาไนตริฟิเคชันเกิดขึ้นโดยจุลินทรีย์ออโตโทรฟิกแบบใช้ออกซิเจน ในสภาวะที่มีออกซิเจน ไนโตรเจนอนินทรีย์จะถูกใช้เป็นแหล่งไนโตรเจนเพื่อเปลี่ยน NH4+ ให้เป็น NO2- จากนั้นจะถูกออกซิไดซ์เป็น NO3- กระบวนการไนตริฟิเคชันสามารถแบ่งออกเป็นสองขั้นตอน ในขั้นตอนที่สอง ไนไตรต์จะถูกเปลี่ยนเป็นไนเตรต (NO3-) โดยแบคทีเรียไนตริฟายเออร์ และไนไตรต์จะถูกเปลี่ยนเป็นไนเตรต (NO3-) โดยแบคทีเรียไนตริฟายเออร์อีกครั้ง

ปฏิกิริยาดีไนตริฟิเคชัน: ปฏิกิริยาดีไนตริฟิเคชันเป็นกระบวนการที่แบคทีเรียดีไนตริฟิเคชันลดไนไตรต์ไนโตรเจนและไนเตรตไนโตรเจนให้กลายเป็นก๊าซไนโตรเจน (N2) ในสภาวะที่มีออกซิเจนต่ำ แบคทีเรียดีไนตริฟิเคชันเป็นจุลินทรีย์เฮเทอโรโทรฟิก ซึ่งส่วนใหญ่เป็นแบคทีเรียแอมฟิกติก ในสภาวะที่มีออกซิเจนต่ำ พวกมันจะใช้ออกซิเจนในไนเตรตเป็นตัวรับอิเล็กตรอน และใช้สารอินทรีย์ (ส่วนประกอบ BOD ในน้ำเสีย) เป็นตัวให้อิเล็กตรอนเพื่อให้พลังงานและถูกออกซิไดซ์และทำให้เสถียร

กระบวนการไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชันโดยรวมนั้น ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับ AO, A2O, บ่อออกซิเดชัน ฯลฯ ซึ่งเป็นวิธีการที่พัฒนาแล้วและนำมาใช้ในอุตสาหกรรมการกำจัดไนโตรเจนทางชีวภาพ

กระบวนการไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชันโดยรวมมีข้อดีคือ ผลลัพธ์คงที่ การใช้งานง่าย ไม่ก่อให้เกิดมลพิษรอง และต้นทุนต่ำ อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ก็มีข้อเสียอยู่บ้าง เช่น ต้องเติมแหล่งคาร์บอนเมื่ออัตราส่วน C/N ในน้ำเสียต่ำ ข้อกำหนดด้านอุณหภูมิค่อนข้างเข้มงวด ประสิทธิภาพต่ำที่อุณหภูมิต่ำ พื้นที่ใช้งานมาก ความต้องการออกซิเจนสูง และสารอันตรายบางชนิด เช่น ไอออนโลหะหนัก มีผลกระทบต่อจุลินทรีย์ จึงจำเป็นต้องกำจัดออกก่อนดำเนินการตามวิธีการทางชีวภาพ นอกจากนี้ ความเข้มข้นสูงของแอมโมเนียไนโตรเจนในน้ำเสียยังมีผลยับยั้งกระบวนการไนตริฟิเคชัน ดังนั้นจึงควรทำการบำบัดเบื้องต้นก่อนการบำบัดน้ำเสียที่มีแอมโมเนียไนโตรเจนความเข้มข้นสูง เพื่อให้ความเข้มข้นของแอมโมเนียไนโตรเจนในน้ำเสียต่ำกว่า 500 มิลลิกรัม/ลิตร วิธีการทางชีวภาพแบบดั้งเดิมเหมาะสำหรับการบำบัดน้ำเสียที่มีแอมโมเนียไนโตรเจนความเข้มข้นต่ำและมีสารอินทรีย์ปนอยู่ เช่น น้ำเสียจากครัวเรือน น้ำเสียจากโรงงานอุตสาหกรรม เป็นต้น

②กระบวนการไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชันพร้อมกัน (SND)

เมื่อกระบวนการไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชันเกิดขึ้นพร้อมกันในเครื่องปฏิกรณ์เดียวกัน จะเรียกว่า การย่อยสลายและดีไนตริฟิเคชันพร้อมกัน (SND) ออกซิเจนละลายในน้ำเสียมีจำกัดเนื่องจากอัตราการแพร่ ทำให้เกิดการไล่ระดับความเข้มข้นของออกซิเจนละลายในบริเวณจุลสภาพแวดล้อมบนตะกอนจุลินทรีย์หรือไบโอฟิล์ม ซึ่งทำให้การไล่ระดับความเข้มข้นของออกซิเจนละลายบนพื้นผิวด้านนอกของตะกอนจุลินทรีย์หรือไบโอฟิล์มเอื้อต่อการเจริญเติบโตและการแพร่กระจายของแบคทีเรียไนตริฟิเคชันแบบใช้ออกซิเจนและแบคทีเรียแอมโมเนีย ยิ่งลึกเข้าไปในตะกอนหรือเยื่อกรอง ความเข้มข้นของออกซิเจนละลายก็จะยิ่งต่ำลง ส่งผลให้เกิดโซนไร้ออกซิเจนซึ่งแบคทีเรียดีไนตริฟิเคชันจะเด่นกว่า ดังนั้นจึงเกิดกระบวนการย่อยสลายและดีไนตริฟิเคชันพร้อมกัน ปัจจัยที่มีผลต่อการย่อยสลายและดีไนตริฟิเคชันพร้อมกัน ได้แก่ ค่า pH อุณหภูมิ ความเป็นด่าง แหล่งคาร์บอนอินทรีย์ ออกซิเจนละลาย และอายุของตะกอน

ในบ่อออกซิเดชันแบบคาร์รูเซล เกิดกระบวนการไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชันพร้อมกัน โดยความเข้มข้นของออกซิเจนละลายในน้ำระหว่างใบพัดเติมอากาศในบ่อออกซิเดชันแบบคาร์รูเซลลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไป และความเข้มข้นของออกซิเจนละลายในน้ำในส่วนล่างของบ่อออกซิเดชันแบบคาร์รูเซลต่ำกว่าในส่วนบน อัตราการเกิดและการใช้ไนเตรตไนโตรเจนในแต่ละส่วนของช่องเกือบเท่ากัน และความเข้มข้นของแอมโมเนียไนโตรเจนในช่องนั้นต่ำมากเสมอ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าปฏิกิริยาไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชันเกิดขึ้นพร้อมกันในบ่อออกซิเดชันแบบคาร์รูเซล

จากการศึกษาเกี่ยวกับการบำบัดน้ำเสียในครัวเรือนพบว่า ยิ่งค่า CODCr สูงเท่าไร กระบวนการดีไนตริฟิเคชันก็จะยิ่งสมบูรณ์มากขึ้น และการกำจัดไนโตรเจนทั้งหมดก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น ออกซิเจนละลายน้ำมีผลอย่างมากต่อกระบวนการไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชันที่เกิดขึ้นพร้อมกัน เมื่อควบคุมออกซิเจนละลายน้ำให้อยู่ที่ 0.5~2 มิลลิกรัม/ลิตร ประสิทธิภาพในการกำจัดไนโตรเจนทั้งหมดจะดี ในขณะเดียวกัน วิธีการไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชันนี้ช่วยประหยัดเครื่องปฏิกรณ์ ลดระยะเวลาในการทำปฏิกิริยา ใช้พลังงานต่ำ ประหยัดการลงทุน และง่ายต่อการรักษาระดับ pH ให้คงที่

③การย่อยสลายและการกำจัดไนเตรตในระยะสั้น

ในเครื่องปฏิกรณ์เดียวกัน แบคทีเรียที่ออกซิไดซ์แอมโมเนียจะถูกใช้เพื่อออกซิไดซ์แอมโมเนียให้เป็นไนไตรต์ภายใต้สภาวะที่มีออกซิเจน จากนั้นไนไตรต์จะถูกดีไนตริฟิเคชันโดยตรงเพื่อผลิตไนโตรเจนโดยใช้สารอินทรีย์หรือแหล่งคาร์บอนภายนอกเป็นตัวให้อิเล็กตรอนภายใต้สภาวะที่มีออกซิเจนต่ำ ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อกระบวนการไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชันในระยะสั้น ได้แก่ อุณหภูมิ แอมโมเนียอิสระ ค่า pH และออกซิเจนละลายในน้ำ

ผลกระทบของอุณหภูมิต่อกระบวนการไนตริฟิเคชันระยะสั้นของน้ำเสียชุมชนที่ไม่มีน้ำทะเลและน้ำเสียชุมชนที่มีน้ำทะเล 30% ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่า สำหรับน้ำเสียชุมชนที่ไม่มีน้ำทะเล การเพิ่มอุณหภูมิเอื้อต่อการเกิดไนตริฟิเคชันระยะสั้น เมื่อสัดส่วนของน้ำทะเลในน้ำเสียชุมชนอยู่ที่ 30% กระบวนการไนตริฟิเคชันระยะสั้นจะเกิดขึ้นได้ดีกว่าภายใต้สภาวะอุณหภูมิปานกลาง มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเดลฟท์ได้พัฒนา กระบวนการ SHARON โดยการใช้อุณหภูมิสูง (ประมาณ 30-409 องศาเซลเซียส) เอื้อต่อการเจริญเติบโตของแบคทีเรียไนไตรต์ ทำให้แบคทีเรียไนไตรต์เสียเปรียบในการแข่งขัน ในขณะเดียวกัน การควบคุมอายุของตะกอนเพื่อกำจัดแบคทีเรียไนไตรต์ ส่งผลให้ปฏิกิริยาไนตริฟิเคชันเกิดขึ้นในระยะไนไตรต์

จากความแตกต่างของความสามารถในการจับออกซิเจนระหว่างแบคทีเรียไนไตรต์และแบคทีเรียไนไตรต์ ห้องปฏิบัติการนิเวศวิทยาจุลินทรีย์แห่งเมืองเกนต์จึงได้พัฒนา กระบวนการ OLAND เพื่อให้เกิดการสะสมของไนไตรต์ไนโตรเจนโดยการควบคุมออกซิเจนที่ละลายในน้ำเพื่อกำจัดแบคทีเรียไนไตรต์

ผลการทดสอบนำร่องการบำบัดน้ำเสียจากการผลิตถ่านโค้กด้วยกระบวนการไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชันระยะสั้นแสดงให้เห็นว่า เมื่อความเข้มข้นของ COD, แอมโมเนียไนโตรเจน, TN และฟีนอลในน้ำเสียขาเข้าเท่ากับ 1201.6, 510.4, 540.1 และ 110.4 มิลลิกรัม/ลิตร ตามลำดับ ความเข้มข้นเฉลี่ยของ COD, แอมโมเนียไนโตรเจน, TN และฟีนอลในน้ำเสียขาออกจะเท่ากับ 197.1, 14.2, 181.5 และ 0.4 มิลลิกรัม/ลิตร ตามลำดับ อัตราการกำจัดที่สอดคล้องกันคือ 83.6%, 97.2%, 66.4% และ 99.6% ตามลำดับ

กระบวนการไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชันระยะสั้นไม่ผ่านขั้นตอนไนเตรต จึงช่วยประหยัดแหล่งคาร์บอนที่จำเป็นสำหรับการกำจัดไนโตรเจนทางชีวภาพ กระบวนการนี้มีข้อดีบางประการสำหรับน้ำเสียแอมโมเนียไนโตรเจนที่มีอัตราส่วน C/N ต่ำ ข้อดีของกระบวนการไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชันระยะสั้นคือมีตะกอนน้อย เวลาปฏิกิริยาสั้น และประหยัดปริมาตรของเครื่องปฏิกรณ์ อย่างไรก็ตาม กระบวนการไนตริฟิเคชันและดีไนตริฟิเคชันระยะสั้นต้องการการสะสมของไนไตรต์ที่เสถียรและต่อเนื่อง ดังนั้นวิธีการยับยั้งกิจกรรมของแบคทีเรียไนตริฟายเออร์อย่างมีประสิทธิภาพจึงเป็นกุญแจสำคัญ

④ การออกซิเดชันแอมโมเนียแบบไม่ใช้ออกซิเจน

กระบวนการแอมโมออกซิเดชันแบบไม่ใช้ออกซิเจน คือกระบวนการออกซิเดชันโดยตรงของแอมโมเนียไนโตรเจนไปเป็นไนโตรเจนโดยแบคทีเรียออโตโทรฟิกภายใต้สภาวะที่มีออกซิเจนต่ำ โดยใช้ไนตรัสไนโตรเจนหรือไนตรัสไนโตรเจนเป็นตัวรับอิเล็กตรอน

ได้มีการศึกษาผลกระทบของอุณหภูมิและค่า pH ต่อกิจกรรมทางชีวภาพของเอนไซม์แอนแอนอร์แอมม็อกซ์ ผลการศึกษาพบว่าอุณหภูมิปฏิกิริยาที่เหมาะสมคือ 30℃ และค่า pH คือ 7.8 นอกจากนี้ยังได้ศึกษาความเป็นไปได้ของเครื่องปฏิกรณ์แอนแอนอร์แอมม็อกซ์ในการบำบัดน้ำเสียที่มีความเค็มสูงและความเข้มข้นของไนโตรเจนสูง ผลการศึกษาพบว่าความเค็มสูงยับยั้งกิจกรรมของแอนแอนอร์แอมม็อกซ์อย่างมีนัยสำคัญ และการยับยั้งนี้สามารถกลับคืนสู่สภาพเดิมได้ กิจกรรมแอนแอนอร์แอมม็อกซ์ของตะกอนที่ไม่ได้รับการปรับตัวต่ำกว่าตะกอนควบคุมถึง 67.5% ภายใต้ความเค็ม 30 กรัมต่อลิตร (NaCl) ส่วนกิจกรรมแอนแอนอร์แอมม็อกซ์ของตะกอนที่ได้รับการปรับตัวต่ำกว่าตะกอนควบคุมถึง 45.1% เมื่อตะกอนที่ได้รับการปรับตัวถูกย้ายจากสภาพแวดล้อมที่มีความเค็มสูงไปยังสภาพแวดล้อมที่มีความเค็มต่ำ (ไม่มีน้ำเกลือ) กิจกรรมแอนแอนอร์แอมม็อกซ์เพิ่มขึ้น 43.1% อย่างไรก็ตาม เครื่องปฏิกรณ์มีแนวโน้มที่จะทำงานลดลงเมื่อใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีความเค็มสูงเป็นเวลานาน

เมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการทางชีวภาพแบบดั้งเดิม กระบวนการแอมม็อกซ์แบบไม่ใช้ออกซิเจน (anaerobic ammoX) เป็นเทคโนโลยีการกำจัดไนโตรเจนทางชีวภาพที่ประหยัดกว่า ไม่ต้องใช้แหล่งคาร์บอนเพิ่มเติม มีความต้องการออกซิเจนต่ำ ไม่จำเป็นต้องใช้สารเคมีในการทำให้เป็นกลาง และมีการผลิตตะกอนน้อยกว่า ข้อเสียของกระบวนการแอมม็อกซ์แบบไม่ใช้ออกซิเจนคือ ความเร็วของปฏิกิริยาช้า ปริมาตรของเครื่องปฏิกรณ์มีขนาดใหญ่ และแหล่งคาร์บอนไม่เอื้ออำนวยต่อกระบวนการแอมม็อกซ์แบบไม่ใช้ออกซิเจน ซึ่งมีความสำคัญในทางปฏิบัติสำหรับการแก้ปัญหาน้ำเสียที่มีแอมโมเนียไนโตรเจนซึ่งย่อยสลายทางชีวภาพได้ไม่ดี

4. กระบวนการแยกและดูดซับเพื่อกำจัดไนโตรเจน

① วิธีการแยกด้วยเยื่อเมมเบรน

วิธีการแยกด้วยเยื่อกรองคือการใช้คุณสมบัติการซึมผ่านแบบเลือกได้ของเยื่อกรองเพื่อแยกส่วนประกอบต่างๆ ในของเหลวอย่างเลือกสรร เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ในการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจน ซึ่งรวมถึงรีเวิร์สออสโมซิส นาโนฟิลเทรชัน เยื่อกรองกำจัดแอมโมเนีย และอิเล็กโทรไดอะลิซิส ปัจจัยที่มีผลต่อการแยกด้วยเยื่อกรอง ได้แก่ คุณลักษณะของเยื่อกรอง ความดันหรือแรงดันไฟฟ้า ค่า pH อุณหภูมิ และความเข้มข้นของแอมโมเนียไนโตรเจน

จากการศึกษาคุณภาพน้ำเสียแอมโมเนียไนโตรเจนที่ปล่อยออกมาจากโรงถลุงแร่หายาก ได้ทำการทดลองรีเวิร์สออสโมซิสกับน้ำเสียจำลองที่มีแอมโมเนียคลอไรด์ (NH4Cl) และโซเดียมคลอไรด์ (NaCl) พบว่า ภายใต้สภาวะเดียวกัน รีเวิร์สออสโมซิสมีอัตราการกำจัด NaCl สูงกว่า ในขณะที่ NH4Cl มีอัตราการผลิตน้ำสูงกว่า อัตราการกำจัด NH4Cl หลังจากการบำบัดด้วยรีเวิร์สออสโมซิสอยู่ที่ 77.3% ซึ่งสามารถใช้เป็นการบำบัดเบื้องต้นของน้ำเสียแอมโมเนียไนโตรเจนได้ เทคโนโลยีรีเวิร์สออสโมซิสสามารถประหยัดพลังงาน มีเสถียรภาพทางความร้อนที่ดี แต่ทนต่อคลอรีนและมลภาวะได้ไม่ดี

กระบวนการแยกด้วยเยื่อนาโนฟิลเทรชันทางชีวเคมีถูกนำมาใช้ในการบำบัดน้ำชะจากหลุมฝังกลบขยะ ทำให้สามารถระบายของเหลวที่ซึมผ่านได้ 85%~90% ตามมาตรฐาน และมีเพียง 0%~15% ของน้ำเสียเข้มข้นและโคลนเท่านั้นที่ถูกส่งกลับไปยังถังเก็บขยะ Ozturki และคณะ ได้บำบัดน้ำชะจากหลุมฝังกลบขยะ Odayeri ในตุรกีด้วยเยื่อนาโนฟิลเทรชัน และอัตราการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนอยู่ที่ประมาณ 72% เยื่อนาโนฟิลเทรชันต้องการแรงดันต่ำกว่าเยื่อรีเวิร์สออสโมซิส และใช้งานง่าย

ระบบเมมเบรนกำจัดแอมโมเนียโดยทั่วไปใช้ในการบำบัดน้ำเสียที่มีแอมโมเนียไนโตรเจนสูง สมดุลของแอมโมเนียไนโตรเจนในน้ำจะเป็นดังนี้: NH4- +OH-= NH3+H2O ในการทำงาน น้ำเสียที่มีแอมโมเนียจะไหลผ่านเปลือกของโมดูลเมมเบรน และของเหลวดูดซับกรดจะไหลผ่านท่อของโมดูลเมมเบรน เมื่อค่า pH ของน้ำเสียเพิ่มขึ้นหรืออุณหภูมิสูงขึ้น สมดุลจะเลื่อนไปทางขวา และไอออนแอมโมเนียม NH4- จะกลายเป็นก๊าซ NH3 ในขณะนี้ ก๊าซ NH3 สามารถเข้าสู่เฟสของเหลวดูดซับกรดในท่อจากเฟสน้ำเสียในเปลือกผ่านรูพรุนขนาดเล็กบนพื้นผิวของเส้นใยกลวง ซึ่งจะถูกดูดซับโดยสารละลายกรดและกลายเป็นไอออน NH4- ทันที รักษาระดับ pH ของน้ำเสียให้อยู่เหนือ 10 และอุณหภูมิให้อยู่เหนือ 35 °C (ต่ำกว่า 50 °C) เพื่อให้ NH4 ในน้ำเสียเปลี่ยนเป็น NH3 อย่างต่อเนื่องและเคลื่อนย้ายไปยังเฟสของเหลวดูดซับ ส่งผลให้ความเข้มข้นของแอมโมเนียไนโตรเจนในน้ำเสียลดลงอย่างต่อเนื่อง เฟสของเหลวดูดซับที่เป็นกรด เนื่องจากมีเพียงกรดและ NH4- จึงเกิดเป็นเกลือแอมโมเนียมที่บริสุทธิ์มาก และมีความเข้มข้นถึงระดับหนึ่งหลังจากหมุนเวียนอย่างต่อเนื่อง ซึ่งสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้ กล่าวโดยสรุป การใช้เทคโนโลยีนี้สามารถช่วยเพิ่มอัตราการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนในน้ำเสียได้อย่างมาก และในอีกด้านหนึ่ง ยังสามารถลดต้นทุนการดำเนินงานโดยรวมของระบบบำบัดน้ำเสียได้อีกด้วย

②วิธีอิเล็กโทรไดอะลิซิส

กระบวนการอิเล็กโทรไดอะลิซิสเป็นวิธีการกำจัดของแข็งที่ละลายอยู่ในสารละลายโดยการใช้แรงดันไฟฟ้าระหว่างคู่เมมเบรน ภายใต้การทำงานของแรงดันไฟฟ้า ไอออนแอมโมเนียและไอออนอื่นๆ ในน้ำเสียที่มีแอมโมเนียไนโตรเจนจะถูกดูดซึมผ่านเมมเบรนเข้าไปในน้ำเข้มข้นที่มีแอมโมเนีย เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ในการกำจัด

วิธีการอิเล็กโทรไดอะลิซิสถูกนำมาใช้ในการบำบัดน้ำเสียอนินทรีย์ที่มีแอมโมเนียไนโตรเจนความเข้มข้นสูง และได้ผลลัพธ์ที่ดี สำหรับน้ำเสียที่มีแอมโมเนียไนโตรเจน 2000-3000 มิลลิกรัม/ลิตร อัตราการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนสามารถมากกว่า 85% และสามารถผลิตน้ำแอมโมเนียเข้มข้นได้ 8.9% ปริมาณไฟฟ้าที่ใช้ในระหว่างการทำงานของอิเล็กโทรไดอะลิซิสเป็นสัดส่วนกับปริมาณแอมโมเนียไนโตรเจนในน้ำเสีย การบำบัดน้ำเสียด้วยอิเล็กโทรไดอะลิซิสไม่จำกัดด้วยค่า pH อุณหภูมิ และความดัน และใช้งานง่าย

ข้อดีของการแยกด้วยเยื่อเมมเบรน ได้แก่ การกู้คืนแอมโมเนียไนโตรเจนได้สูง การใช้งานง่าย ประสิทธิภาพการบำบัดที่เสถียร และไม่มีมลพิษรอง อย่างไรก็ตาม ในการบำบัดน้ำเสียที่มีแอมโมเนียไนโตรเจนความเข้มข้นสูง ยกเว้นเยื่อเมมเบรนที่ใช้ในการกำจัดแอมโมเนียแล้ว เยื่อเมมเบรนชนิดอื่น ๆ มักเกิดตะกรันและอุดตันได้ง่าย และต้องทำการฟื้นฟูและล้างย้อนกลับบ่อยครั้ง ทำให้ต้นทุนการบำบัดสูงขึ้น ดังนั้น วิธีนี้จึงเหมาะสมกว่าสำหรับการบำบัดเบื้องต้นหรือน้ำเสียที่มีแอมโมเนียไนโตรเจนความเข้มข้นต่ำ

③ วิธีการแลกเปลี่ยนไอออน

วิธีการแลกเปลี่ยนไอออนเป็นวิธีการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนออกจากน้ำเสียโดยใช้วัสดุที่มีความสามารถในการดูดซับไอออนแอมโมเนียได้อย่างมีประสิทธิภาพสูง วัสดุดูดซับที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ ถ่านกัมมันต์ ซีโอไลต์ มอนต์มอริลโลไนต์ และเรซินแลกเปลี่ยนไอออน ซีโอไลต์เป็นซิลิโคอะลูมิเนตชนิดหนึ่งที่มีโครงสร้างสามมิติ โครงสร้างรูพรุนและช่องว่างที่สม่ำเสมอ โดยคลินอปติไลต์มีคุณสมบัติในการดูดซับไอออนแอมโมเนียได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงและราคาถูก จึงนิยมใช้เป็นวัสดุดูดซับสำหรับน้ำเสียที่มีแอมโมเนียไนโตรเจนในงานวิศวกรรม ปัจจัยที่มีผลต่อประสิทธิภาพการบำบัดของคลินอปติไลต์ ได้แก่ ขนาดอนุภาค ความเข้มข้นของแอมโมเนียไนโตรเจนในน้ำเสีย เวลาสัมผัส ค่า pH และอื่นๆ

ผลการดูดซับไนโตรเจนแอมโมเนียของซีโอไลต์นั้นชัดเจน รองลงมาคือราไนต์ ส่วนผลของดินและเซราไมต์นั้นค่อนข้างน้อย วิธีหลักในการกำจัดไนโตรเจนแอมโมเนียออกจากซีโอไลต์คือการแลกเปลี่ยนไอออน และผลการดูดซับทางกายภาพนั้นมีน้อยมาก ผลการแลกเปลี่ยนไอออนของเซราไมต์ ดิน และราไนต์นั้นคล้ายคลึงกับผลการดูดซับทางกายภาพ ความสามารถในการดูดซับของสารตัวเติมทั้งสี่ชนิดลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นในช่วง 15-35℃ และเพิ่มขึ้นเมื่อค่า pH เพิ่มขึ้นในช่วง 3-9 โดยจะถึงจุดสมดุลการดูดซับหลังจากแกว่งไปมาเป็นเวลา 6 ชั่วโมง

งานวิจัยนี้ศึกษาความเป็นไปได้ในการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนจากน้ำชะขยะจากหลุมฝังกลบโดยใช้ซีโอไลต์ในการดูดซับ ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าซีโอไลต์แต่ละกรัมมีศักยภาพในการดูดซับแอมโมเนียไนโตรเจนได้สูงสุด 15.5 มิลลิกรัม เมื่อขนาดอนุภาคซีโอไลต์อยู่ที่ 30-16 เมช อัตราการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนจะสูงถึง 78.5% และภายใต้เวลาการดูดซับ ปริมาณ และขนาดอนุภาคซีโอไลต์ที่เท่ากัน ความเข้มข้นของแอมโมเนียไนโตรเจนในน้ำเสียที่สูงขึ้นจะส่งผลให้อัตราการดูดซับสูงขึ้น และแสดงให้เห็นว่าซีโอไลต์มีความเป็นไปได้ที่จะใช้เป็นสารดูดซับในการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนจากน้ำชะขยะ อย่างไรก็ตาม พบว่าอัตราการดูดซับแอมโมเนียไนโตรเจนโดยซีโอไลต์นั้นต่ำ และซีโอไลต์อาจไม่สามารถดูดซับได้เต็มประสิทธิภาพในทางปฏิบัติ

งานวิจัยนี้ศึกษาประสิทธิภาพการกำจัดไนโตรเจน ค่า COD และสารมลพิษอื่นๆ ในน้ำเสียจำลองจากหมู่บ้านโดยใช้ชั้นซีโอไลต์ชีวภาพ ผลการศึกษาแสดงให้เห็นว่า อัตราการกำจัดแอมโมเนียไนโตรเจนโดยชั้นซีโอไลต์ชีวภาพมีมากกว่า 95% และการกำจัดไนเตรตไนโตรเจนได้รับผลกระทบอย่างมากจากระยะเวลาการกักเก็บน้ำ

วิธีการแลกเปลี่ยนไอออนมีข้อดีคือ การลงทุนต่ำ กระบวนการง่าย ใช้งานสะดวก ไม่ไวต่อสารพิษและอุณหภูมิ และสามารถนำซีโอไลต์กลับมาใช้ใหม่ได้โดยการฟื้นฟู อย่างไรก็ตาม เมื่อบำบัดน้ำเสียที่มีแอมโมเนียไนโตรเจนความเข้มข้นสูง การฟื้นฟูจะต้องทำบ่อยครั้ง ซึ่งทำให้การใช้งานไม่สะดวก ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ร่วมกับวิธีการบำบัดแอมโมเนียไนโตรเจนอื่นๆ หรือใช้ในการบำบัดน้ำเสียที่มีแอมโมเนียไนโตรเจนความเข้มข้นต่ำ

ผู้ผลิตและจำหน่ายซีโอไลต์ 4A แบบขายส่ง | EVERBRIGHT (cnchemist.com)