U oblasti prečišćavanja otpadnih voda, biološka transformacija azota je ključni proces za postizanje uklanjanja azota i fosfora i ispunjavanje standarda emisije. Ovaj proces ne uključuje jednu reakciju, već koordiniran završetak tri ključna koraka: amonifikacija, nitrifikacija i denitrifikacija. Zajedno, ovi koraci postupno pretvaraju složeni organski dušik i neorganski dušik u otpadnoj vodi u bezopasni dušični plin, u osnovi smanjujući opterećenje dušikom u vodnim tijelima.
Uvod
Dušik u kanalizaciji prvenstveno postoji u oblicima organskog azota (kao što su proteini i urea) i amonijačnog azota. Direktno ispuštanje može dovesti do ekoloških problema kao što je eutrofikacija vodnih tijela. Metode biološke obrade, sa svojim prednostima visoke efikasnosti i ekonomičnosti, postale su glavna tehnologija za uklanjanje dušika iz kanalizacije. Osnovni princip je korištenje metaboličkih aktivnosti različitih mikroorganizama u specifičnim uvjetima okoline kako bi se postepeno transformirali dušikovi elementi, u konačnici postižući uklanjanje plinova iz vodenih tijela u atmosferu. U nastavku će se sistematski secirati osnovni mehanizam ovog procesa.
I. Amonifikacija: pretvaranje organskog dušika u amonijačni dušik
Amonifikacija je prvi korak u uklanjanju azota iz otpadnih voda, koji se odnosi na pretvaranje organskih azotnih jedinjenja u
Proces prvenstveno olakšavaju amonificirajuće bakterije. Ovisno o sadržaju kisika u okolišu, može se kategorizirati u dva puta: aerobna transformacija i anaerobna transformacija
1. Aerobna transformacija
U aerobnim uslovima, mikroorganizmi kao što su Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus i fakultativni Proteus vulgaris učestvuju u reakciji, prvenstveno razgrađujući organski azot kroz dva glavna mehanizma:
• Oksidativna deaminacija: Pod katalizom oksidaza, aminokiseline postepeno gube svoje amino grupe da bi stvorile keto kiseline i amonijak.
Uzmimo alanin kao primjer:
CH3CH(NH2)COOH→ CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3
(Alanin → Iminopropionska kiselina → Pirogrožđana kiselina + Amonijak)
• Hidroliza amonijaka: Pod dejstvom hidrolitičkih enzima, organska jedinjenja koja sadrže azot-, kao što je urea, se hidrolizuju da bi se dobio amonijak.
Reakcija hidrolize uree:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
Bakterije uključene u ovaj proces uključuju aerobne bakterije kao što su Enterococcus faecalis i Bacillus urea.
2. Anaerobna konverzija
U anaerobnim ili{0}}okolinama s nedostatkom kisika, anaerobni i fakultativni anaerobni mikroorganizmi završavaju amonizaciju na tri puta:
• Redukcija i deaminacija:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• Uklanjanje amonijaka{0}}na bazi vode:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• Dehidracija i deaminacija:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
II. Nitrifikacija: Oksidacija amonijačnog azota u nitratni azot
Nitrifikacija je druga ključna reakcija koja oksidira NH3-N u NOx-N, koju sinergijski dovršavaju nitritne bakterije i nitratne bakterije, a podijeljena je u dvije faze: nitritaciju i nitrifikaciju
1. Mehanizam reakcije
• Reakcija nitrita (dominiraju nitritne bakterije):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5kJ
• Reakcija nitrifikacije (dominiraju nitrobakterije):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• Ukupna formula reakcije:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69kJ
2. Ključne karakteristike procesa
• Visoka potražnja za kiseonikom: Teoretska potrošnja od 4,2 g po uklanjanju 1 g, stoga se reakcija nitrifikacije mora izvesti u dovoljnim uslovima aeracije.
• Niska stopa rasta: Nitrifikujuće bakterije imaju izuzetno nizak prinos ćelija i sklonije su nedovoljnoj aktivnosti tokom hladnih zimskih meseci. Stoga je potrebno održavati visoku koncentraciju mulja kako bi se osigurala efikasnost tretmana.
• Potrošnja alkalnosti: Reakcija generiše veliku količinu H+. Teoretski, 7,54g alkaliteta (izračunato kao CaCO3) se troši za svaki 1g oksidacije. Potrebno je održavati pH stabilnost sistema dodavanjem alkalnih sredstava.
III. Denitrifikacija: Redukcija nitratnog azota u azotni gas
Denitrifikacija je posljednji korak u uklanjanju dušika iz otpadnih voda. Odnosi se na proces u kojem denitrificirajuće bakterije reduciraju NOx-N i druge dušikove okside u plinoviti dušik ili plinovite dušikove okside kao akceptore elektrona u anaerobnim ili -deficitnim uvjetima kisika (DO < 0,3~0,5 mg/L).
1. Mehanizam reakcije
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Potpuna reakcija redukcije (uzimajući organska jedinjenja kao donore elektrona kao primjer):
NO3−+5[H] (donator elektrona) → 0,5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (donator elektrona) → 0,5N2 + H2O + OH−
2. Zahtjevi za izvor ugljika i mikrobne karakteristike
• Potrošnja izvora ugljenika: Teoretski, 2,86 g izvora ugljenika je potrebno za pretvaranje 1 g nitratnog azota u N2, a 1,71 g organske materije je potrebno za pretvaranje 1 g nitritnog azota.
• Raznolikost donora elektrona: [H] se može obezbediti organskim jedinjenjima, sulfidima, itd., nudeći višestruke opcije izvora ugljenika za optimizaciju procesa.
• Mikrobne karakteristike: Denitrifikujuće bakterije su uglavnom fakultativne bakterije, koje dišu koristeći O2 kao terminalni akceptor elektrona u prisustvu kiseonika, i koriste NOx-N za disanje u odsustvu kiseonika. Ova karakteristika je temeljni temelj procesa anoksične denitrifikacije.
Rezime
Biološka transformacija dušika u kanalizaciji je lančani proces koji je međusobno povezan:
Amonifikacija razgrađuje organske molekule dušika, oslobađajući amonijačni dušik;
Nitrifikacija uključuje postupnu oksidaciju amonijačnog dušika u nitratni dušik u aerobnom okruženju;
Denitrifikacija redukuje nitratni azot u azotni gas u anoksičnim sredinama, čime se na kraju postiže uklanjanje azota iz vodenih tela u atmosferu.
Efikasno funkcioniranje ovog procesa oslanja se na preciznu kontrolu ključnih parametara kao što su sadržaj kisika, alkalnost, izvor ugljika i temperatura, i služi kao osnovna tehnička podrška za postizanje stabilnog uklanjanja dušika u modernim gradskim postrojenjima za otpadne vode i tretman industrijskih otpadnih voda.