Під час повсякденного очищення стічних вод часто можна почути два терміни: нітрифікація та денітрифікація. Багато людей, які тільки починають займатися очищенням стічних вод, зазвичай плутають ці два поняття. Незважаючи на схожі назви, обидва пов’язані з персонажем «硝», насправді вони відіграють абсолютно різні ролі в очищенні стічних вод.
Простіше кажучи, нітрифікація відповідає за перетворення аміачного азоту в нітрат, тоді як денітрифікація відповідає за перетворення нітратів у газоподібний азот. Один - це процес окислення, а інший - процес відновлення. Ці два процеси схожі на естафету, і лише тоді, коли вони завершуються в координації, азот зі стічних вод може бути справді видалений.
Після розуміння цього моменту логіка різних процесів видалення азоту, таких як A/O, AAO та окислення, стає набагато зрозумілішою.
I. Нітрифікація: перетворення аміачного азоту в нітрат
У побутових стічних водах і багатьох промислових стічних водах азот переважно існує у формі аміачного азоту. Якщо аміачний азот безпосередньо скидається у водойми, це може легко призвести до евтрофікації, а також мати токсичний вплив на водні організми, такі як риба. Тому очисні споруди повинні спочатку перетворити аміачний азот.
Цей процес перетворення відомий як нітрифікація.
Нітрифікація насправді є процесом окислення, що здійснюється мікроорганізмами, який можна умовно розділити на два етапи:
Першим етапом є окислення аміачного азоту в нітрит
Крок 2: Нітрит далі окислюється до нітрату
Весь процес вимагає достатньої кількості кисню, тому нітрифікація зазвичай відбувається в аеробних середовищах, таких як аеротенки або біохімічні резервуари MBR.
Мікроорганізми, які беруть участь у цьому процесі, відомі як нітрифікуючі бактерії. Від звичайних гетеротрофних бактерій вони відрізняються тим, що належать до категорії автотрофних, які отримують енергію переважно з неорганічних речовин. Їх швидкість росту відносно повільна, і вони також чутливі до змін навколишнього середовища.
Ось чому багато очисних споруд мають тенденцію відчувати зниження потужності нітрифікації протягом зими.
II. Денітрифікація: перетворення нітратів на газоподібний азот
Хоча нітрифікація вирішила проблему аміачного азоту, азот у воді насправді не зник на даний момент; воно лише трансформувалося з однієї форми в іншу. Щоб справді «видалити» азот зі стічних вод, необхідно завершити другий крок - денітрифікацію -.
Денітрифікація - це процес відновлення. В анаеробному середовищі мікроорганізми утилізують кисень нітрату, поступово відновлюючи його до азоту. Шлях реакції приблизно такий:
Нітрат → Нітрит → Закис азоту → Закис азоту → Азот
Остаточно утворений газоподібний азот (N₂)* буде вивільнений у повітря в газоподібній формі, таким чином азот у стічних водах справді видаляється. Мікроорганізми, які завершують цей процес, називаються денітрифікуючими бактеріями. На відміну від нітрифікуючих бактерій, вони належать до гетеротрофних бактерій і потребують в якості джерела енергії органічний вуглець.
Ось чому багатьом очисним спорудам необхідно додавати джерела вуглецю під час видалення азоту.
III. Кілька ключових відмінностей між нітрифікацією та денітрифікацією
Якщо розглядати ці два процеси разом, то виявимо, що вони діаметрально протилежні в багатьох аспектах.
1. Різні кисневі умови
Нітрифікація має відбуватися в аеробному середовищі, зазвичай вимагаючи підтримки рівнів розчиненого кисню на рівні близько 2 мг/л.
Денітрифікація вимагає анаеробного середовища з вмістом розчиненого кисню нижче 0,5 мг/л. Якщо кисню забагато, денітрифікуючі бактерії віддадуть перевагу використанню кисню, а не нітратів.
Простіше кажучи, нітрифікація процвітає в кисні, тоді як денітрифікація гальмується киснем.
2. Різні види мікроорганізмів
Нітрифікація в основному здійснюється нітрифікуючими бактеріями, до яких належать nitrosomonas і nitrobacter.
Ці бактерії належать до автотрофних бактерій, які ростуть повільно і вимагають більш тривалого віку мулу.
Денітрифікація здійснюється за допомогою бактерій-денітрифікаторів, які належать до категорії гетеротрофних бактерій і виявляють відносно більшу швидкість росту.
3. Різні вимоги до джерела вуглецю
Нітрифікуючі бактерії переважно використовують неорганічні речовини для отримання енергії і, як правило, не покладаються на джерела органічного вуглецю.
Денітрифікуючим бактеріям потрібен органічний вуглець як донор електронів. Тому, коли органічних речовин у стічних водах недостатньо, часто доводиться додавати зовнішні джерела вуглецю, такі як ацетат натрію, метанол і глюкоза.
Під час роботи багатьох станцій очищення стічних вод недостатнє джерело вуглецю часто є суттєвим фактором, що впливає на ефективність видалення азоту.
4. Місце виникнення різне
У звичайних процесах видалення азоту вони зазвичай розташовуються в різних реакційних зонах.
Наприклад, у процесах A/O або AAO:
Аноксидний резервуар - Денітрифікація Аеробний резервуар - Нітрифікація
Нітрат, що утворюється в результаті нітрифікації, повертається в безкисневу зону через внутрішню рециркуляцію, де він далі трансформується денітрифікуючими бактеріями.
5. Різні кінцеві результати
Результатом нітрифікації є зменшення аміачного азоту і збільшення нітратного
Результатом денітрифікації є: зменшення нітратів і утворення газоподібного азоту
Іншими словами, азот може покинути водойму лише після завершення денітрифікації.
IV. вони насправді є естафетою
З цілісної точки зору нітрифікація та денітрифікація не є двома незалежними процесами, а скоріше двома послідовними етапами біологічного видалення азоту.
Весь процес перетворення азоту можна просто зрозуміти так:
Аміачний азот → Нітритний азот → Нітратний азот → Нітритний азот → Нітритний газ
Нітрифікація відповідає за перетворення аміачного азоту в нітрат, тоді як денітрифікація відповідає за відновлення нітратів назад до газоподібного азоту.
Вони пов’язані як естафета.
Якщо відбувається лише нітрифікація, а не денітрифікація, нітрати у воді все одно спричинятимуть евтрофікацію.
Якщо не буде нітрифікації, буде брак «сировини» для денітрифікації.
Ось чому більшість процесів видалення азоту включають як аеробну, так і безкисневу зони.
V. Висновок
У сфері очищення стічних вод багато концепцій можуть здаватися схожими, але основна логіка зовсім інша.
Нітрифікація та денітрифікація є типовою парою.
Один відбувається в аеробному середовищі, тоді як інший відбувається в анаеробному середовищі;
Один відповідає за окислення аміачного азоту, а інший — за відновлення нітратів;
Лише тоді, коли вони поєднуються, може бути сформований повний біологічний процес видалення азоту.
Розуміючи це, коли ми дивимося на різні процеси видалення азоту, такі як A/O, AAO та окислювальна канава, ми можемо побачити, що всі вони оптимізовані та об’єднані навколо цих двох етапів.
Багато складних процесів очищення стічних вод, зрештою, створюють відповідне «робоче середовище» для цих мікроорганізмів.