У области пречишћавања отпадних вода, биолошка трансформација азота је основни процес за постизање уклањања азота и фосфора и испуњавање стандарда емисије. Овај процес не укључује једну реакцију, већ координиран завршетак три кључна корака: амонификација, нитрификација и денитрификација. Заједно, ови кораци постепено претварају сложени органски азот и неоргански азот у отпадној води у безопасни гас азота, суштински смањујући оптерећење азотом у водним тијелима.
Увод
Азот у канализацији првенствено постоји у облицима органског азота (као што су протеини и уреа) и амонијачног азота. Директно испуштање може довести до еколошких проблема као што је еутрофикација водних тијела. Методе биолошке обраде, са својим предностима високе ефикасности и економичности, постале су главна технологија за уклањање азота из канализације. Основни принцип је да се искористе метаболичке активности различитих микроорганизама у специфичним условима животне средине како би се постепено трансформисали елементи азота, на крају постижући гасовито уклањање из водених тела у атмосферу. У наставку ће се систематски сецирати основни механизам овог процеса.
И. Амонификација: претварање органског азота у амонијачни азот
Амонификација је први корак у уклањању азота из отпадних вода, који се односи на претварање органских азотних једињења у
Процес је првенствено олакшан амонификујућим бактеријама. У зависности од садржаја кисеоника у животној средини, може се категорисати на два пута: аеробна трансформација и анаеробна трансформација
1. Аеробна трансформација
У аеробним условима, микроорганизми као што су Аеромонас хидропхила, Бациллус цереус и факултативни Протеус вулгарис учествују у реакцији, првенствено разграђујући органски азот кроз два главна механизма:
• Оксидативна деаминација: Под катализом оксидаза, аминокиселине постепено губе своје амино групе да би створиле кето киселине и амонијак.
Узимајући аланин као пример:
ЦХ3ЦХ(НХ2)ЦООХ→ ЦХ3Ц(НХ2)ЦООХ → ЦХ3ЦОЦООХ + НХ3
(Аланин → Иминопропионска киселина → Пирогрожђана киселина + амонијак)
• Хидролиза амонијака: Под дејством хидролитичких ензима, органска једињења која садрже азот- као што је уреа се хидролизују да би се добио амонијак.
Реакција хидролизе урее:
(НХ2)2ЦО + 2Х2О → 2НХ3 + ЦО2 + Х2О
Бактерије укључене у овај процес укључују аеробне бактерије као што су Ентероцоццус фаецалис и Бациллус уреа.
2. Анаеробна конверзија
У анаеробним срединама или окружењима са{0}}недостатком кисеоника, анаеробни и факултативни анаеробни микроорганизми завршавају амонизацију на три пута:
• Редукција и деаминација:
РЦХ(НХ2)ЦООХ + 2Х → РЦХ2ЦООХ + НХ3
• Уклањање амонијака{0}}на бази воде:
РЦХ(НХ2)ЦООХ + 2Х2О → РЦХ(ОХ)ЦООХ + НХ3
• Дехидрација и деаминација:
ЦХ2(ОХ)ЦХ(НХ2) → ЦХ3ЦОЦООХ + НХ3+Х2О
ИИ. Нитрификација: Оксидација амонијачног азота у нитратни азот
Нитрификација је друга кључна реакција која оксидише НХ3-Н у НОк-Н, коју синергијски довршавају нитритне бактерије и нитратне бактерије, а подељена је у две фазе: нитритацију и нитрификацију
1. Механизам реакције
• Реакција нитрита (доминирају нитритне бактерије):
НХ3 + 1.5О2 → НО2− + Х+ + Х2О + 273.5кЈ
• Реакција нитрификације (у којој доминирају нитробактерије):
НО2− + 0.5О2 → НО3− + 73.19кЈ
• Укупна формула реакције:
НХ3 + 2О2 → НО3− + Х+ + Х2О + 346.69кЈ
2. Кључне карактеристике процеса
• Висока потреба за кисеоником: Теоретска потрошња од 4,2 г по уклањању 1 г, стога је потребно да се реакција нитрификације спроведе под довољним условима аерације.
• Ниска стопа раста: Нитрификујуће бактерије имају изузетно низак принос ћелија и склоније су недовољној активности током хладних зимских месеци. Због тога је неопходно одржавати високу концентрацију муља да би се обезбедила ефикасност третмана.
• Потрошња алкалности: Реакција генерише велику количину Х+. Теоретски, 7,54 г алкалитета (израчунато као ЦаЦО3) се троши за сваки 1 г оксидације. Неопходно је одржавати пХ стабилност система додавањем алкалних средстава.
ИИИ. Денитрификација: Редукција нитратног азота у азотни гас
Денитрификација је последњи корак у уклањању азота из отпадних вода. Односи се на процес где денитрификујуће бактерије редукују НОк-Н и друге оксиде азота у гасовити азот или гасовите азотне оксиде као акцепторе електрона у анаеробним условима или условима са недостатком кисеоника (ДО <0,3~0,5мг/Л).
1. Механизам реакције
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Комплетна реакција редукције (узимајући органска једињења као доноре електрона као пример):
НО3−+5[Х] (донатор електрона) → 0,5Н2 + 2Х2О + ОХ−
НО2− + 3[Х] (донатор електрона) → 0,5Н2 + Х2О + ОХ−
2. Захтеви за извор угљеника и микробне карактеристике
• Потрошња извора угљеника: Теоретски, 2,86 г извора угљеника је потребно да се 1 г нитратног азота претвори у Н2, а 1,71 г органске материје је потребно да се претвори 1 г нитритног азота.
• Разноликост донора електрона: [Х] могу да обезбеде органска једињења, сулфиди, итд., нудећи вишеструке опције извора угљеника за оптимизацију процеса.
• Микробне карактеристике: Денитрификујуће бактерије су углавном факултативне бактерије, које дишу користећи О2 као терминални акцептор електрона у присуству кисеоника, и користе НОк-Н за дисање у одсуству кисеоника. Ова карактеристика је основна основа процеса аноксичне денитрификације.
Резиме
Биолошка трансформација азота у канализацији је ланчани процес који је међусобно повезан:
Амонификација разлаже органске молекуле азота, ослобађајући амонијачни азот;
Нитрификација укључује постепену оксидацију амонијачног азота у нитратни азот у аеробном окружењу;
Денитрификација редукује нитратни азот у азотни гас у аноксичним срединама, чиме се на крају постиже уклањање азота из водених тела у атмосферу.
Ефикасан рад овог процеса ослања се на прецизну контролу кључних параметара као што су садржај кисеоника, алкалност, извор угљеника и температура, и служи као основна техничка подршка за постизање стабилног уклањања азота у савременим градским постројењима за отпадне воде и третман индустријских отпадних вода.
