В областта на пречистването на отпадъчни води, биологичната трансформация на азота е основният процес за постигане на отстраняване на азот и фосфор и постигане на стандартите за емисии. Този процес не включва една единствена реакция, а по-скоро координирано завършване на три ключови стъпки: амонификация, нитрификация и денитрификация. Заедно тези стъпки постепенно превръщат сложния органичен азот и неорганичния азот в отпадъчните води в безвреден азотен газ, като основно намаляват натоварването с азот във водните тела.
Въведение
Азотът в канализацията съществува предимно под формата на органичен азот (като протеини и урея) и амонячен азот. Директното заустване може да доведе до екологични проблеми като еутрофикация на водни обекти. Методите за биологично третиране, с техните предимства на висока ефективност и икономичност, се превърнаха в основната технология за отстраняване на азот от отпадъчни води. Основният принцип е да се използват метаболитните дейности на различни микроорганизми при специфични условия на околната среда за постепенно трансформиране на азотни елементи, като в крайна сметка се постига отстраняване на газовете от водните тела в атмосферата. Следното систематично ще анализира основния механизъм на този процес.
I. Амонификация: превръщането на органичния азот в амонячен азот
Амонификацията е първата стъпка в отстраняването на азота от отпадъчните води, отнасяща се до превръщането на органичните азотни съединения в
Процесът се улеснява предимно от амонифициращи бактерии. В зависимост от съдържанието на кислород в околната среда, той може да бъде категоризиран в два пътя: аеробна трансформация и анаеробна трансформация
1. Аеробна трансформация
При аеробни условия микроорганизми като Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus и факултативен Proteus vulgaris участват в реакцията, като основно разграждат органичния азот чрез два основни механизма:
• Окислително дезаминиране: Под катализата на оксидазите аминокиселините постепенно губят своите аминогрупи, за да генерират кето киселини и амоняк.
Вземайки аланин като пример:
CH3CH(NH2)COOH→ CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH NH3
(Аланин → Иминопропионова киселина → Пирогроздена киселина + Амоняк)
• Хидролиза на амоняка: Под действието на хидролитични ензими азот{0}}съдържащите органични съединения като урея се хидролизират, за да се получи амоняк.
Реакция на хидролиза на урея:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
Бактериите, участващи в този процес, включват аеробни бактерии като Enterococcus faecalis и Bacillus urea.
2. Анаеробно превръщане
В анаеробна среда или среда с -кислороден дефицит анаеробните и факултативните анаеробни микроорганизми завършват амонификацията по три пътя:
• Редукция и дезаминиране:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH NH3
• Отстраняване-на амоняк на водна основа:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH NH3
• Дехидратация и дезаминиране:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH NH3+H2O
II. Нитрификация: Окисляване на амонячен азот до нитратен азот
Нитрификацията е втората основна реакция, която окислява NH3−N до NOx−N, която е синергично завършена от нитритни бактерии и нитратни бактерии и е разделена на два етапа: нитриране и нитрификация
1. Механизъм на реакцията
• Реакция на нитритиране (доминирана от нитритни бактерии):
NH3 + 1.5O2 → NO2− H+ + H2O + 273.5kJ
• Реакция на нитрификация (доминирана от нитробактерии):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• Обща формула на реакция:
NH3 + 2O2 → NO3− H+ + H2O + 346.69kJ
2. Основни характеристики на процеса
• Висока потребност от кислород: Теоретична консумация от 4,2 g за отстраняване на 1 g, следователно реакцията на нитрификация трябва да се проведе при условия на достатъчно аериране.
• Ниска скорост на растеж: Нитрифициращите бактерии имат изключително нисък клетъчен добив и са по-склонни към недостатъчна активност през студените зимни месеци. Поради това е необходимо да се поддържа висока концентрация на утайки, за да се осигури ефективност на пречистването.
• Консумация на алкалност: Реакцията генерира голямо количество H+.. Теоретично 7,54 g алкалност (изчислена като CaCO3) се изразходва за всеки 1 g окисление. Необходимо е да се поддържа стабилност на pH на системата чрез добавяне на алкални агенти.
III. Денитрификация: Редукция на нитратен азот до азотен газ
Денитрификацията е последната стъпка в отстраняването на азота от отпадъчните води. Отнася се до процеса, при който денитрифициращите бактерии редуцират NOx−N и други азотни оксиди до азотен газ или газообразни азотни оксиди като акцептори на електрони при анаеробни или -кислородни дефицитни (DO < 0,3~0,5 mg/L) условия.
1. Механизъм на реакцията
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Пълна реакция на редукция (вземане на органични съединения като донори на електрони като пример):
NO3−+5[H] (донор на електрони) → 0.5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (донор на електрони) → 0.5N2 + H2O + OH−
2. Изисквания към източника на въглерод и микробни характеристики
• Консумация на източник на въглерод: Теоретично, 2,86 g източник на въглерод са необходими за превръщането на 1 g нитратен азот в N2, а 1,71 g органична материя са необходими за превръщането на 1 g нитритен азот.
• Разнообразие от донори на електрони: [H] може да бъде осигурен от органични съединения, сулфиди и т.н., предлагайки множество опции за източник на въглерод за оптимизиране на процеса.
• Микробни характеристики: Денитрифициращите бактерии са предимно факултативни бактерии, които дишат, използвайки O2 като краен акцептор на електрони в присъствието на кислород, и използват NOx−N за дишане в отсъствието на кислород. Тази характеристика е основната основа на процеса на аноксична денитрификация.
Резюме
Биологичната трансформация на азота в канализацията е верижен процес, който е взаимосвързан:
Амонификацията разгражда органичните азотни молекули, освобождавайки амонячен азот;
Нитрификацията включва постепенно окисление на амонячен азот до нитратен азот в аеробна среда;
Денитрификацията редуцира нитратния азот до азотен газ в аноксична среда, като в крайна сметка се постига отстраняването на азота от водните тела в атмосферата.
Ефективното функциониране на този процес разчита на прецизен контрол върху ключови параметри като съдържание на кислород, алкалност, източник на въглерод и температура и служи като основна техническа поддръжка за постигане на стабилно отстраняване на азот в модерни градски инсталации за отпадъчни води и пречистване на промишлени отпадъчни води.
