Zbunjujući indikatori u tretmanu otpadnih voda: nitrifikacija i denitrifikacija

U svakodnevnom radu prečišćavanja otpadnih voda često se čuju dva pojma: nitrifikacija i denitrifikacija. Mnogi ljudi koji su novi u tretmanu otpadnih voda skloni su brkati ova dva koncepta. Uprkos sličnim nazivima, oba se vrte oko lika "硝", oni zapravo igraju potpuno različite uloge u tretmanu otpadnih voda.

Jednostavno rečeno, nitrifikacija je odgovorna za pretvaranje amonijačnog azota u nitrat, dok je denitrifikacija odgovorna za pretvaranje nitrata u azotni gas. Jedan je proces oksidacije, a drugi proces redukcije. Ova dva procesa su poput štafetne trke, i tek kada se završe u koordinaciji, dušik iz kanalizacije može se istinski ukloniti.

Kada se ovo shvati, logika iza različitih procesa uklanjanja dušika, kao što su A/O, AAO i oksidacijski jarak, postaje mnogo jasnija.

U kućnoj kanalizaciji i mnogim industrijskim otpadnim vodama, dušik prvenstveno postoji u obliku amonijačnog dušika. Ako se amonijačni dušik direktno ispušta u vodena tijela, to može lako dovesti do eutrofikacije i također imati toksične učinke na vodene organizme kao što su ribe. Stoga, postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda moraju prvo pretvoriti amonijačni dušik.

Ovaj proces transformacije poznat je kao nitrifikacija.

Nitrifikacija je zapravo proces oksidacije koji provode mikroorganizmi, a koji se može grubo podijeliti u dva koraka:

Prvi korak je oksidacija amonijačnog dušika u nitrit
Korak 2: Nitrit se dalje oksidira u nitrat

Cijeli proces zahtijeva dovoljno kisika, tako da se nitrifikacija obično događa u aerobnim sredinama, kao što su rezervoari za aeraciju ili MBR biohemijski rezervoari.

Mikroorganizmi uključeni u ovaj proces poznati su kao nitrificirajuće bakterije. Razlikuju se od običnih heterotrofnih bakterija po tome što pripadaju kategoriji autotrofnih, prvenstveno dobivajući energiju iz neorganskih tvari. Njihov rast je relativno spor, a osjetljivi su i na promjene okoline.

To je takođe razlog zašto mnoga postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda imaju tendenciju da dožive pad kapaciteta nitrifikacije tokom zime.

Iako je nitrifikacija riješila problem amonijačnog dušika, dušik u vodi nije zaista nestao u ovom trenutku; samo se transformisao iz jednog oblika u drugi. Da bi se istinski "uklonio" dušik iz otpadnih voda, potrebno je završiti drugi korak - denitrifikacija -.

Denitrifikacija je proces redukcije. U anaerobnom okruženju, mikroorganizmi koriste kisik u nitratu, postepeno ga reducirajući u plinoviti dušik. Put reakcije je otprilike sljedeći:

Nitrat → Nitrit → Azotni oksid → Azotni oksid → Azot

Konačno stvoreni azotni gas (N₂)* će biti ispušten u vazduh u gasovitom obliku, tako da se azot iz kanalizacije zaista uklanja. Mikroorganizmi koji dovršavaju ovaj proces nazivaju se denitrificirajuće bakterije. Za razliku od nitrificirajućih bakterija, one pripadaju heterotrofnim bakterijama i zahtijevaju organski ugljik kao izvor energije.

To je i razlog zašto mnoga postrojenja za prečišćavanje otpadnih voda moraju dodati izvore ugljika tokom uklanjanja dušika.

Ako posmatramo ova dva procesa zajedno, otkrit ćemo da su dijametralno suprotni u mnogim aspektima.

1. Različiti uslovi kiseonika

Nitrifikacija se mora dogoditi u aerobnom okruženju, što obično zahtijeva održavanje nivoa rastvorenog kiseonika na oko 2 mg/L.

Denitrifikacija zahtijeva anaerobno okruženje s otopljenim kisikom koji se održava ispod 0,5 mg/L. Ako ima previše kisika, denitrifikacijske bakterije će radije koristiti kisik umjesto nitrata.

Jednostavno rečeno, nitrifikacija napreduje u kiseoniku, dok je denitrifikacija inhibirana kiseonikom.

2. Različite vrste mikroorganizama

Nitrifikacija se prvenstveno postiže nitrificirajućim bakterijama, koje uključuju nitrozomonas i nitrobacter

Ove bakterije pripadaju autotrofnim bakterijama, koje rastu sporo i zahtijevaju duže starenje mulja.

Denitrifikaciju provode denitrifikujuće bakterije koje spadaju u kategoriju heterotrofnih bakterija i pokazuju relativno brži rast.

3. Različiti zahtjevi za izvor ugljika

Nitrificirajuće bakterije prvenstveno koriste anorganske tvari za energiju i općenito se ne oslanjaju na organske izvore ugljika.

Denitrificirajuće bakterije zahtijevaju organski ugljik kao donor elektrona. Stoga, kada je raspoloživa organska tvar u otpadnoj vodi nedovoljna, često je potrebno dodati vanjske izvore ugljika kao što su natrijum acetat, metanol i glukoza.

U radu mnogih postrojenja za otpadne vode, nedovoljan izvor ugljenika je često značajan faktor koji utiče na efikasnost uklanjanja azota.

4. Lokacija događaja je drugačija

U uobičajenim procesima uklanjanja dušika, ova dva su obično raspoređena u različitim reakcionim zonama.

Na primjer, u A/O ili AAO procesima:

Anoksični rezervoar - Denitrifikacija Aerobni rezervoar - Nitrifikacija

Nitrat proizveden nitrifikacijom vraća se u anoksičnu zonu putem unutrašnje recirkulacije, gdje se dalje transformira denitrifikujućim bakterijama.
5. Različiti konačni rezultati

Rezultat nitrifikacije je smanjenje amonijačnog dušika i povećanje nitrata

Rezultat denitrifikacije je: smanjenje nitrata i proizvodnja plinovitog dušika

Drugim riječima, dušik može napustiti vodno tijelo tek nakon što je denitrifikacija završena.

Iz holističke perspektive, nitrifikacija i denitrifikacija nisu dva nezavisna procesa, već dva uzastopna koraka u biološkom uklanjanju dušika.

Cijeli proces konverzije dušika može se jednostavno shvatiti kao:

Amonijačni dušik → Nitritni dušik → Nitratni dušik → Nitritni dušik → Plinoviti dušik

Nitrifikacija je odgovorna za pretvaranje amonijačnog azota u nitrat, dok je denitrifikacija odgovorna za smanjenje nitrata nazad u azotni gas.
To dvoje je povezano kao štafeta.

Ako postoji samo nitrifikacija, a ne denitrifikacija, nitrati u vodi će i dalje uzrokovati eutrofikaciju.
Ako nema nitrifikacije, nedostajaće i "sirovine" za denitrifikaciju.

To je također razlog zašto većina procesa uklanjanja dušika uključuje i aerobne i anoksične zone.

U području prečišćavanja otpadnih voda, mnogi koncepti mogu izgledati slični, ali osnovna logika je potpuno drugačija.

Nitrifikacija i denitrifikacija su tipičan par.

Jedan se javlja u aerobnom okruženju, dok se drugi javlja u anaerobnom okruženju;
Jedan je odgovoran za oksidaciju amonijačnog dušika, a drugi je odgovoran za smanjenje nitrata;
Tek kada se to dvoje spoji može se formirati potpuni biološki proces uklanjanja dušika.

Pošto smo ovo shvatili, kada pogledamo različite procese uklanjanja dušika, kao što su A/O, AAO i oksidacijski jarak, možemo vidjeti da su svi optimizirani i kombinirani oko ova dva koraka.

Mnogi složeni procesi u tretmanu otpadnih voda, u krajnjoj liniji, zapravo stvaraju pogodno „radno okruženje“ za ove mikroorganizme.