Збуњујући индикатори у третману отпадних вода: нитрификација и денитрификација

У свакодневном раду пречишћавања отпадних вода често се чују два појма: нитрификација и денитрификација. Многи људи који су нови у третману отпадних вода имају тенденцију да бркају ова два концепта. Упркос сличним именима, оба се врте око лика "硝", они заправо играју потпуно различите улоге у третману отпадних вода.

Једноставно речено, нитрификација је одговорна за претварање амонијачног азота у нитрат, док је денитрификација одговорна за претварање нитрата у гас азота. Један је процес оксидације, а други процес редукције. Ова два процеса су попут штафетне трке, и тек када се заврше у координацији, азот из канализације може бити истински уклоњен.

Једном када се ово схвати, логика иза различитих процеса уклањања азота, као што су А/О, ААО и оксидациони јарак, постаје много јаснија.

У кућној канализацији и многим индустријским отпадним водама, азот првенствено постоји у облику амонијачног азота. Ако се амонијачни азот директно испушта у водена тела, то може лако довести до еутрофикације и такође имати токсичне ефекте на водене организме као што су рибе. Према томе, постројења за пречишћавање отпадних вода морају прво да претворе амонијачни азот.

Овај процес трансформације је познат као нитрификација.

Нитрификација је заправо процес оксидације који спроводе микроорганизми, који се може грубо поделити у два корака:

Први корак је оксидација амонијачног азота у нитрит
Корак 2: Нитрит се даље оксидује у нитрат

Цео процес захтева довољно кисеоника, тако да се нитрификација обично дешава у аеробним срединама, као што су резервоари за аерацију или МБР биохемијски резервоари.

Микроорганизми укључени у овај процес познати су као нитрификујуће бактерије. Разликују се од обичних хетеротрофних бактерија по томе што припадају категорији аутотрофних, првенствено добијајући енергију из неорганских супстанци. Њихов раст је релативно спор, а осетљиви су и на промене животне средине.

То је такође разлог зашто многа постројења за пречишћавање отпадних вода имају тенденцију да доживе пад капацитета нитрификације током зиме.

Иако је нитрификација решила проблем амонијачног азота, азот у води у овом тренутку није заиста нестао; само се трансформисао из једног облика у други. Да би се истински „уклонио“ азот из отпадних вода, други корак - денитрификација - треба да се заврши.

Денитрификација је процес редукције. У анаеробном окружењу, микроорганизми користе кисеоник у нитрату, постепено га редукујући у гасовити азот. Пут реакције је отприлике следећи:

Нитрат → Нитрит → азот оксид → азот оксид → азот

Коначно генерисани гас азота (Н₂)* ће бити пуштен у ваздух у гасовитом облику, тако да се азот из канализације заиста уклања. Микроорганизми који завршавају овај процес називају се денитрификујућим бактеријама. За разлику од нитрификујућих бактерија, оне припадају хетеротрофним бактеријама и захтевају органски угљеник као извор енергије.

Ово је такође разлог зашто многа постројења за пречишћавање отпадних вода морају да додају изворе угљеника током уклањања азота.

Ако посматрамо ова два процеса заједно, открићемо да су дијаметрално супротни у многим аспектима.

1. Различити услови кисеоника

Нитрификација се мора десити у аеробном окружењу, што обично захтева да се нивои раствореног кисеоника одржавају на око 2 мг/Л.

Денитрификација захтева анаеробно окружење са раствореним кисеоником који се одржава испод 0,5 мг/Л. Ако има превише кисеоника, денитрирајуће бактерије ће радије користити кисеоник него нитрат.

Једноставно речено, нитрификација напредује у кисеонику, док је денитрификација инхибирана кисеоником.

2. Различите врсте микроорганизама

Нитрификација се првенствено постиже нитрификујућим бактеријама, које укључују нитрозомонас и нитробактер

Ове бактерије припадају аутотрофним бактеријама, које расту споро и захтевају дуже старење муља.

Денитрификацију спроводе денитрификујуће бактерије, које спадају у категорију хетеротрофних бактерија и показују релативно бржи раст.

3. Различити захтеви за извор угљеника

Нитрификујуће бактерије првенствено користе неорганске супстанце за енергију и генерално се не ослањају на органске изворе угљеника.

Денитрификујућим бактеријама је потребан органски угљеник као донор електрона. Стога, када је расположива органска материја у отпадној води недовољна, често је потребно додати спољне изворе угљеника као што су натријум ацетат, метанол и глукоза.

У раду многих постројења за отпадне воде, недовољан извор угљеника је често значајан фактор који утиче на ефикасност уклањања азота.

4. Локација настанка је другачија

У уобичајеним процесима уклањања азота, ова два су обично распоређена у различитим реакционим зонама.

На пример, у А/О или ААО процесима:

Аноксични резервоар - Денитрификација Аеробни резервоар - Нитрификација

Нитрат произведен нитрификацијом се враћа у аноксичну зону путем унутрашње рециркулације, где се даље трансформише денитрификујућим бактеријама.
5. Различити коначни резултати

Резултат нитрификације је смањење амонијачног азота и повећање нитрата

Резултат денитрификације је: смањење нитрата и производња гасовитог азота

Другим речима, азот може напустити водно тело тек након што је денитрификација завршена.

Из холистичке перспективе, нитрификација и денитрификација нису два независна процеса, већ два узастопна корака у биолошком уклањању азота.

Цео процес конверзије азота може се једноставно схватити као:

Амонијачни азот → Нитритни азот → Нитратни азот → Нитритни азот → Гасни азот

Нитрификација је одговорна за претварање амонијачног азота у нитрат, док је денитрификација одговорна за смањење нитрата назад у азотни гас.
Њих двоје су повезани као штафета.

Ако постоји само нитрификација, а не денитрификација, нитрат у води ће и даље изазвати еутрофикацију.
Ако нема нитрификације, недостајаће „сировине“ за денитрификацију.

Ово је такође разлог зашто већина процеса уклањања азота укључује и аеробне и аноксичне зоне.

У области пречишћавања отпадних вода, многи концепти могу изгледати слични, али основна логика је потпуно другачија.

Нитрификација и денитрификација су типичан пар.

Један се јавља у аеробном окружењу, док се други јавља у анаеробном окружењу;
Један је одговоран за оксидацију амонијачног азота, а други је одговоран за смањење нитрата;
Тек када се ово двоје комбинује може се формирати потпуни процес биолошког уклањања азота.

Пошто смо ово разумели, када погледамо различите процесе уклањања азота, као што су А/О, ААО и оксидациони јарак, можемо видети да су сви оптимизовани и комбиновани око ова два корака.

Многи сложени процеси у третману отпадних вода, у крајњој линији, заправо стварају погодно „радно окружење“ за ове микроорганизме.