W codziennej pracy oczyszczalni ścieków często słyszy się dwa terminy: nitryfikacja i denitryfikacja. Wiele osób, które nie mają doświadczenia w oczyszczaniu ścieków, często myli te dwa pojęcia. Pomimo podobnych nazw, obie krążą wokół postaci „硝”, w rzeczywistości pełnią zupełnie inną rolę w oczyszczaniu ścieków.
Mówiąc prościej, nitryfikacja jest odpowiedzialna za przekształcenie azotu amonowego w azotan, podczas gdy denitryfikacja jest odpowiedzialna za przekształcenie azotanu w azot gazowy. Jeden to proces utleniania, drugi to proces redukcji. Te dwa procesy przypominają bieg sztafetowy i tylko wtedy, gdy zostaną zakończone w sposób skoordynowany, azot ze ścieków może zostać naprawdę usunięty.
Kiedy zrozumiemy ten punkt, logika stojąca za różnymi procesami usuwania azotu, takimi jak A/O, AAO i rów utleniający, stanie się znacznie jaśniejsza.
I. Nitryfikacja: przekształcanie azotu amonowego w azotan
W ściekach bytowych i wielu ściekach przemysłowych azot występuje głównie w postaci azotu amonowego. Jeżeli azot amonowy zostanie bezpośrednio uwolniony do zbiorników wodnych, może łatwo doprowadzić do eutrofizacji, a także wywrzeć toksyczne skutki na organizmy wodne, takie jak ryby. Dlatego oczyszczalnie ścieków muszą najpierw przekształcić azot amonowy.
Ten proces transformacji znany jest jako nitryfikacja.
Nitryfikacja to w rzeczywistości proces utleniania przeprowadzany przez mikroorganizmy, który można z grubsza podzielić na dwa etapy:
Pierwszym etapem jest utlenianie azotu amonowego do azotynu
Krok 2: Azotyn jest dalej utleniany do azotanu
Cały proces wymaga wystarczającej ilości tlenu, dlatego nitryfikacja zwykle zachodzi w środowiskach tlenowych, takich jak zbiorniki napowietrzające lub zbiorniki biochemiczne MBR.
Mikroorganizmy biorące udział w tym procesie nazywane są bakteriami nitryfikacyjnymi. Różnią się od zwykłych bakterii heterotroficznych tym, że należą do kategorii autotroficznej, czerpiącej energię przede wszystkim z substancji nieorganicznych. Ich tempo wzrostu jest stosunkowo powolne, a ponadto są wrażliwe na zmiany środowiskowe.
Z tego też powodu w wielu oczyszczalniach ścieków w okresie zimowym następuje spadek wydajności nitryfikacji.
II. Denitryfikacja: przekształcanie azotanów w gazowy azot
Chociaż nitryfikacja rozwiązała problem azotu amonowego, azot w wodzie tak naprawdę nie zniknął w tym momencie; po prostu przekształciło się z jednej formy w drugą. Aby naprawdę „usunąć” azot ze ścieków, należy ukończyć drugi etap - denitryfikacji -.
Denitryfikacja jest procesem redukcji. W środowisku beztlenowym mikroorganizmy wykorzystują tlen zawarty w azotanach, stopniowo redukując go do gazowego azotu. Ścieżka reakcji jest mniej więcej następująca:
Azotan → Azotyn → Podtlenek azotu → Podtlenek azotu → Azot
Ostatecznie wytworzony azot (N₂)* zostanie uwolniony do powietrza w postaci gazowej, dzięki czemu azot zawarty w ściekach zostanie faktycznie usunięty. Mikroorganizmy, które dopełniają ten proces, nazywane są bakteriami denitryfikacyjnymi. W przeciwieństwie do bakterii nitryfikacyjnych należą do bakterii heterotroficznych i jako źródło energii wymagają węgla organicznego.
Z tego też powodu wiele oczyszczalni ścieków musi dodawać źródła węgla podczas usuwania azotu.
III. Kilka kluczowych różnic między nitryfikacją a denitryfikacją
Jeśli spojrzymy na te dwa procesy łącznie, odkryjemy, że pod wieloma względami są one diametralnie przeciwne.
1. Różne warunki tlenowe
Nitryfikacja musi zachodzić w środowisku tlenowym, co zazwyczaj wymaga utrzymania poziomu rozpuszczonego tlenu na poziomie około 2 mg/l.
Denitryfikacja wymaga środowiska beztlenowego, w którym poziom rozpuszczonego tlenu utrzymuje się poniżej 0,5 mg/l. Jeśli tlenu jest za dużo, bakterie denitryfikacyjne będą wolały wykorzystywać tlen zamiast azotanów.
Mówiąc prościej, nitryfikacja rozwija się w tlenie, podczas gdy denitryfikacja jest hamowana przez tlen.
2. Różne typy mikroorganizmów
Nitryfikację przeprowadzają głównie bakterie nitryfikacyjne, do których należą nitrosomonas i nitrobacter
Bakterie te należą do bakterii autotroficznych, które rosną powoli i wymagają dłuższego starzenia osadu.
Denitryfikację przeprowadzają bakterie denitryfikacyjne, które należą do kategorii bakterii heterotroficznych i charakteryzują się stosunkowo szybszym tempem wzrostu.
3. Różne wymagania dotyczące źródeł węgla
Bakterie nitryfikacyjne wykorzystują głównie substancje nieorganiczne do produkcji energii i generalnie nie są uzależnione od organicznych źródeł węgla.
Bakterie denitryfikacyjne wymagają węgla organicznego jako donora elektronów. Dlatego też, gdy dostępna w ściekach ilość materii organicznej jest niewystarczająca, często konieczne jest dodanie zewnętrznych źródeł węgla, takich jak octan sodu, metanol i glukoza.
W pracy wielu oczyszczalni ścieków niewystarczające źródło węgla jest często istotnym czynnikiem wpływającym na skuteczność usuwania azotu.
4. Miejsce wystąpienia jest inne
W typowych procesach usuwania azotu oba procesy są zwykle rozmieszczone w różnych strefach reakcji.
Na przykład w procesach A/O lub AAO:
Zbiornik beztlenowy - Denitryfikacja Zbiornik aerobowy - Nitryfikacja
Azotan powstały w wyniku nitryfikacji powraca do strefy beztlenowej poprzez recyrkulację wewnętrzną, gdzie jest dalej przekształcany przez bakterie denitryfikacyjne.
5. Różne wyniki końcowe
Efektem nitryfikacji jest zmniejszenie zawartości azotu amonowego i zwiększenie zawartości azotanów
Efektem denitryfikacji jest: redukcja azotanów i produkcja azotu gazowego
Innymi słowy, azot może opuścić zbiornik wodny dopiero po zakończeniu denitryfikacji.
IV. w rzeczywistości są sztafetą
Z holistycznego punktu widzenia nitryfikacja i denitryfikacja nie są dwoma niezależnymi procesami, ale raczej dwoma kolejnymi etapami biologicznego usuwania azotu.
Cały proces konwersji azotu można po prostu zrozumieć jako:
Azot amonowy → Azot azotynowy → Azot azotanowy → Azot azotynowy → Azot gazowy
Nitryfikacja jest odpowiedzialna za przekształcenie azotu amonowego w azotan, podczas gdy denitryfikacja jest odpowiedzialna za redukcję azotanów z powrotem do azotu gazowego.
Obaj są ze sobą połączeni jak w sztafecie.
Jeśli nastąpi tylko nitryfikacja i nie będzie denitryfikacji, azotany w wodzie nadal będą powodować eutrofizację.
Jeśli nie będzie nitryfikacji, zabraknie „surowców” do denitryfikacji.
Z tego też powodu większość procesów usuwania azotu obejmuje zarówno strefy tlenowe, jak i beztlenowe.
V. Wniosek
W dziedzinie oczyszczania ścieków wiele koncepcji może wydawać się podobnych, ale leżąca u ich podstaw logika jest zupełnie inna.
Nitryfikacja i denitryfikacja to typowa para.
Jedno zachodzi w środowisku tlenowym, drugie w środowisku beztlenowym;
Jeden odpowiada za utlenianie azotu amonowego, drugi za redukcję azotanów;
Tylko wtedy, gdy te dwa elementy zostaną połączone, można przeprowadzić pełny proces biologicznego usuwania azotu.
Po zrozumieniu tego, gdy przyjrzymy się różnym procesom usuwania azotu, takim jak A/O, AAO i rów utleniający, możemy zobaczyć, że wszystkie są zoptymalizowane i połączone wokół tych dwóch etapów.
W ostatecznym rozrachunku wiele złożonych procesów oczyszczania ścieków faktycznie tworzy odpowiednie „środowisko pracy” dla tych mikroorganizmów.