В ежедневното пречистване на отпадъчни води често се чуват два термина: нитрификация и денитрификация. Много хора, които са нови в пречистването на отпадъчни води, са склонни да бъркат тези две понятия. Въпреки сходните им имена, и двете се въртят около героя „硝“, те всъщност играят напълно различни роли в пречистването на отпадъчни води.
С прости думи, нитрификацията е отговорна за превръщането на амонячен азот в нитрат, докато денитрификацията е отговорна за превръщането на нитрата в азотен газ. Единият е процес на окисление, а другият е процес на редукция. Двата процеса са като щафета и само когато са завършени в координация, азотът в канализацията може наистина да бъде отстранен.
След като се разбере тази точка, логиката зад различни процеси на отстраняване на азот, като A/O, AAO и окислителна канавка, става много по-ясна.
I. Нитрификация: превръщане на амонячен азот в нитрат
В битовите отпадъчни води и много промишлени отпадъчни води азотът съществува предимно под формата на амонячен азот. Ако амонячният азот се изхвърли директно във водни тела, това може лесно да доведе до еутрофикация и също така да окаже токсично въздействие върху водни организми като риба. Следователно пречиствателните станции за отпадъчни води трябва първо да преобразуват амонячен азот.
Този процес на трансформация е известен като нитрификация.
Нитрификацията всъщност е процес на окисляване, извършван от микроорганизми, който може грубо да бъде разделен на две стъпки:
Първата стъпка е окисляването на амонячен азот в нитрит
Стъпка 2: Нитритът се окислява допълнително до нитрат
Целият процес изисква достатъчно кислород, така че нитрификацията обикновено се извършва в аеробни среди, като аерационни резервоари или биохимични резервоари MBR.
Микроорганизмите, участващи в този процес, са известни като нитрифициращи бактерии. Те се различават от обикновените хетеротрофни бактерии по това, че принадлежат към категорията на автотрофите, като основно извличат енергия от неорганични вещества. Техният темп на растеж е относително бавен и те също са чувствителни към промените в околната среда.
Това е и причината много пречиствателни станции за отпадъчни води да изпитват спад в капацитета на нитрификация през зимата.
II. Денитрификация: превръщане на нитратите в азотен газ
Въпреки че нитрификацията е решила проблема с амонячния азот, азотът във водата не е изчезнал наистина в този момент; то просто се е трансформирало от една форма в друга. За да „премахнете“ наистина азота от отпадъчните води, втората стъпка - денитрификация - трябва да бъде завършена.
Денитрификацията е редукционен процес. В анаеробна среда микроорганизмите използват кислорода в нитрата, като постепенно го редуцират до азотен газ. Пътят на реакцията е приблизително както следва:
Нитрат → Нитрит → Азотен оксид → Азотен оксид → Азот
Окончателно генерираният азотен газ (N₂)* ще бъде изпуснат във въздуха в газообразна форма, като по този начин азотът в канализацията наистина се отстранява. Микроорганизмите, които завършват този процес, се наричат денитрифициращи бактерии. За разлика от нитрифициращите бактерии, те принадлежат към хетеротрофните бактерии и изискват органичен въглерод като източник на енергия.
Това е и причината много пречиствателни станции за отпадъчни води да добавят въглеродни източници по време на отстраняването на азота.
III. Няколко ключови разлики между нитрификация и денитрификация
Ако разгледаме тези два процеса заедно, ще открием, че те са диаметрално противоположни в много аспекти.
1. Различни условия на кислород
Нитрификацията трябва да се извършва в аеробна среда, като обикновено се изисква нивата на разтворен кислород да се поддържат на около 2 mg/L.
Денитрификацията изисква анаеробна среда с разтворен кислород, поддържан под 0,5 mg/L. Ако има твърде много кислород, денитрифициращите бактерии ще предпочетат да използват кислород, а не нитрат.
С прости думи, нитрификацията процъфтява в кислород, докато денитрификацията се инхибира от кислорода.
2. Различни видове микроорганизми
Нитрификацията се осъществява предимно от нитрифициращи бактерии, които включват nitrosomonas и nitrobacter
Тези бактерии принадлежат към автотрофните бактерии, които растат бавно и изискват по-голяма възраст на утайката.
Денитрификацията се извършва от денитрифициращи бактерии, които принадлежат към категорията на хетеротрофните бактерии и показват относително по-бърз темп на растеж.
3. Различни изисквания за въглероден източник
Нитрифициращите бактерии използват основно неорганични вещества за енергия и обикновено не разчитат на източници на органичен въглерод.
Денитрифициращите бактерии изискват органичен въглерод като донор на електрони. Следователно, когато наличните органични вещества в отпадъчните води са недостатъчни, често е необходимо да се добавят външни източници на въглерод като натриев ацетат, метанол и глюкоза.
При работата на много инсталации за отпадъчни води недостатъчният източник на въглерод често е важен фактор, влияещ върху ефективността на отстраняване на азота.
4. Мястото на възникване е различно
При обичайните процеси за отстраняване на азот, двете обикновено са разположени в различни реакционни зони.
Например в A/O или AAO процеси:
Аноксичен резервоар - Денитрификация Аеробен резервоар - Нитрификация
Нитратът, произведен чрез нитрификация, се връща в аноксичната зона чрез вътрешна рециркулация, където се трансформира допълнително от денитрифициращи бактерии.
5. Различни крайни резултати
Резултатът от нитрификацията е намаляване на амонячния азот и увеличаване на нитратите
Резултатът от денитрификацията е: намаляване на нитратите и производство на азотен газ
С други думи, азотът може да напусне водното тяло само след завършване на денитрификацията.
IV. те всъщност са щафета
От холистична гледна точка нитрификацията и денитрификацията не са два независими процеса, а по-скоро две последователни стъпки в биологичното отстраняване на азота.
Целият процес на преобразуване на азот може просто да се разбере като:
Амонячен азот → нитритен азот → нитратен азот → нитритен азот → азотен газ
Нитрификацията е отговорна за превръщането на амонячния азот в нитрат, докато денитрификацията е отговорна за редуцирането на нитратите обратно в азотен газ.
Двамата са свързани като щафета.
Ако има само нитрификация и няма денитрификация, нитратите във водата пак ще причинят еутрофикация.
Ако няма нитрификация, ще има липса на "суровини" за денитрификация.
Това е и причината повечето процеси за отстраняване на азот да включват както аеробни, така и аноксични зони.
V. Заключение
В областта на пречистването на отпадъчни води много концепции може да изглеждат подобни, но основната логика е напълно различна.
Нитрификацията и денитрификацията са типична двойка.
Едното се случва в аеробна среда, докато другото се случва в анаеробна среда;
Единият е отговорен за окисляването на амонячен азот, а другият е отговорен за намаляване на нитратите;
Само когато двете се комбинират, може да се образува пълен процес на биологично отстраняване на азота.
След като разбрахме това, когато разгледаме различни процеси за отстраняване на азот, като A/O, AAO и окислителна канавка, можем да видим, че всички те са оптимизирани и комбинирани около тези две стъпки.
Много сложни процеси в пречистването на отпадни води, в крайна сметка, всъщност създават подходяща "работна среда" за тези микроорганизми.
