У сфері очищення стічних вод біологічне перетворення азоту є основним процесом для досягнення видалення азоту та фосфору та відповідності стандартам викидів. Цей процес передбачає не одну реакцію, а скоординоване завершення трьох ключових етапів: амоніфікації, нітрифікації та денітрифікації. Разом ці кроки поступово перетворюють складний органічний азот і неорганічний азот у стічних водах у нешкідливий газоподібний азот, що істотно зменшує навантаження азоту у водоймах.
вступ
Азот у стічних водах переважно існує у формах органічного азоту (наприклад, білка та сечовини) та аміачного азоту. Прямий скид може призвести до екологічних проблем, таких як евтрофікація водойм. Біологічні методи очищення, з їхньою високою ефективністю та економічністю, стали основною технологією видалення азоту зі стічних вод. Основним принципом є використання метаболічної активності різних мікроорганізмів за певних умов навколишнього середовища для поступового перетворення елементів азоту, зрештою досягаючи видалення газів із водойм в атмосферу. Далі буде систематично розібрано основний механізм цього процесу.
I. Амоніфікація: перетворення органічного азоту в аміачний азот
Амоніфікація - це перший крок у видаленні азоту зі стічних вод, що стосується перетворення органічних сполук азоту в
Процесу в першу чергу сприяють амоніфікуючі бактерії. Залежно від вмісту кисню в середовищі його можна класифікувати на два шляхи: аеробне перетворення та анаеробне перетворення
1. Аеробне перетворення
В аеробних умовах такі мікроорганізми, як Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus і факультативний Proteus vulgaris, беруть участь у реакції, переважно розкладаючи органічний азот за допомогою двох основних механізмів:
• Окислювальне дезамінування: під час каталізу оксидаз амінокислоти поступово втрачають свої аміногрупи з утворенням кетокислот і аміаку.
Візьмемо як приклад аланін:
CH3CH(NH2)COOH→ CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3
(Аланін → Імінопропіонова кислота → Піровиноградна кислота + Аміак)
• Гідроліз аміаку: під дією гідролітичних ферментів -органічні сполуки, що містять азот, такі як сечовина, гідролізуються з утворенням аміаку.
Реакція гідролізу сечовини:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
Бактерії, які беруть участь у цьому процесі, включають аеробні бактерії, такі як Enterococcus faecalis і Bacillus urea.
2. Анаеробне перетворення
В анаеробному середовищі або середовищі з-дефіцитом кисню анаеробні та факультативно-анаеробні мікроорганізми завершують амоніфікацію трьома шляхами:
• Відновлення та дезамінування:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• Видалення аміаку-водою:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• Дегідратація та дезамінування:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
II. Нітрифікація: окислення аміачного азоту до нітратного азоту
Нітрифікація є другою основною реакцією, яка окислює NH3-N до NOx-N, яка синергетично завершується нітритними бактеріями та нітратними бактеріями та поділяється на дві стадії: нітритацію та нітрифікацію.
1. Механізм реакції
• Реакція нітритації (переважають нітритні бактерії):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5кДж
• Реакція нітрифікації (переважають нітробактерії):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19кДж
• Загальна формула реакції:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69кДж
2. Основні характеристики процесу
• Висока потреба в кисні: теоретичне споживання 4,2 г на видалення 1 г, тому реакцію нітрифікації потрібно проводити за достатніх умов аерації.
• Низька швидкість росту: нітрифікуючі бактерії мають надзвичайно низький вихід клітин, і вони більш схильні до недостатньої активності протягом холодних зимових місяців. Тому для забезпечення ефективності очищення необхідно підтримувати високу концентрацію осаду.
• Споживання лужності: реакція генерує велику кількість H+.. Теоретично, 7,54 г лужності (розраховано як CaCO3) споживається на кожен 1 г окислення. Необхідно підтримувати стабільність pH системи шляхом додавання лужних агентів.
III. Денітрифікація: відновлення нітратного азоту до газоподібного азоту
Денітрифікація є останнім етапом видалення азоту зі стічних вод. Це стосується процесу, у якому бактерії-денітрифікатори відновлюють NOx-N та інші оксиди азоту до газоподібного азоту або газоподібних оксидів азоту як акцепторів електронів в анаеробних умовах або в умовах дефіциту -кисню (DO < 0,3~0,5 мг/л).
1. Механізм реакції
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Повна реакція відновлення (на прикладі органічних сполук як донорів електронів):
NO3−+5[H] (донор електронів) → 0,5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (донор електронів) → 0,5N2 + H2O + OH−
2. Вимоги до джерела вуглецю та мікробні характеристики
• Споживання джерела вуглецю: Теоретично для перетворення 1 г нітратного азоту в N2 потрібно 2,86 г джерела вуглецю, а для перетворення 1 г нітритного азоту потрібно 1,71 г органічної речовини.
• Різноманітність донорів електронів: [H] може бути забезпечений органічними сполуками, сульфідами тощо, що пропонує кілька варіантів джерела вуглецю для оптимізації процесу.
• Мікробні характеристики: Денітрифікуючі бактерії – це переважно факультативні бактерії, які дихають, використовуючи O2 як кінцевий акцептор електронів у присутності кисню, і використовують NOx-N для дихання за відсутності кисню. Ця характеристика є основною основою процесу безкисневої денітрифікації.
Резюме
Біологічне перетворення азоту в стічних водах є ланцюговим процесом, який взаємопов'язаний:
Амоніфікація розщеплює органічні молекули азоту, вивільняючи аміачний азот;
Нітрифікація включає поступове окислення аміачного азоту до нітратного азоту в аеробному середовищі;
Денітрифікація відновлює нітратний азот до газоподібного азоту в безкисневому середовищі, в кінцевому підсумку досягаючи видалення азоту з водойм в атмосферу.
Ефективна робота цього процесу залежить від точного контролю ключових параметрів, таких як вміст кисню, лужність, джерело вуглецю та температура, і служить основною технічною підтримкою для досягнення стабільного видалення азоту на сучасних міських очисних установках і промислових стічних водах.