В области очистки сточных вод биологическая трансформация азота является основным процессом для удаления азота и фосфора и соблюдения стандартов выбросов. Этот процесс включает в себя не одну реакцию, а скоординированное выполнение трех ключевых этапов: аммонификации, нитрификации и денитрификации. В совокупности эти шаги постепенно преобразуют сложный органический азот и неорганический азот в сточных водах в безвредный газообразный азот, существенно снижая нагрузку азота в водоемах.
Введение
Азот в сточных водах в основном существует в формах органического азота (например, белка и мочевины) и аммиачного азота. Прямой сброс может привести к экологическим проблемам, таким как эвтрофикация водоемов. Методы биологической очистки, обладающие преимуществами высокой эффективности и экономичности, стали основной технологией удаления азота из сточных вод. Основной принцип заключается в использовании метаболической активности различных микроорганизмов в конкретных условиях окружающей среды для постепенной трансформации элементов азота, что в конечном итоге обеспечивает удаление газов из водоемов в атмосферу. Ниже будет систематически анализироваться основной механизм этого процесса.
I. Аммонификация: преобразование органического азота в аммиачный азот.
Аммонификация — это первый этап удаления азота из сточных вод, подразумевающий преобразование органических соединений азота в
Процессу в первую очередь способствуют аммонифицирующие бактерии. В зависимости от содержания кислорода в окружающей среде его можно разделить на два пути: аэробная трансформация и анаэробная трансформация.
1. Аэробная трансформация
В аэробных условиях в реакции участвуют такие микроорганизмы, как Aeromonas Hydrophila, Bacillus cereus и факультативный Proteus vulgaris, которые в первую очередь разлагают органический азот посредством двух основных механизмов:
• Окислительное дезаминирование: под действием оксидаз аминокислоты постепенно теряют свои аминогруппы с образованием кетокислот и аммиака.
Возьмем аланин в качестве примера:
CH3CH(NH2)COOH→ CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3
(Аланин → Иминопропионовая кислота → Пировиноградная кислота + Аммиак)
• Гидролиз аммиака. Под действием гидролитических ферментов азот-содержащие органические соединения, такие как мочевина, гидролизуются с образованием аммиака.
Реакция гидролиза мочевины:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
Бактерии, участвующие в этом процессе, включают аэробные бактерии, такие как Enterococcus faecalis и Bacillus urea.
2. Анаэробная конверсия
В анаэробной среде или среде с -дефицитом кислорода анаэробные и факультативно-анаэробные микроорганизмы завершают аммонификацию тремя путями:
• Восстановление и дезаминирование:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• Удаление аммиака на водной-основе:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• Дегидратация и дезаминирование:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
II. Нитрификация: окисление аммиачного азота до нитратного азота.
Нитрификация является второй основной реакцией, которая окисляет NH3-N до NOx-N, которая синергически завершается нитритными и нитратными бактериями и делится на две стадии: нитритация и нитрификация.
1. Механизм реакции
• Реакция нитритации (преобладают нитритные бактерии):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5кДж
• Реакция нитрификации (преобладают нитробактерии):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19кДж
• Общая формула реакции:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69кДж
2. Ключевые характеристики процесса
• Высокая потребность в кислороде: теоретический расход составляет 4,2 г на удаление 1 г, поэтому реакцию нитрификации необходимо проводить в достаточных условиях аэрации.
• Низкая скорость роста: Нитрифицирующие бактерии имеют чрезвычайно низкий выход клеток и более склонны к недостаточной активности в холодные зимние месяцы. Поэтому необходимо поддерживать высокую концентрацию ила для обеспечения эффективности очистки.
• Расход щелочности: в результате реакции образуется большое количество H+.. Теоретически на каждый 1 г окисления расходуется 7,54 г щелочности (в пересчете на CaCO3). Необходимо поддерживать стабильность pH системы путем добавления щелочных агентов.
III. Денитрификация: восстановление нитратного азота до газообразного азота.
Денитрификация является заключительным этапом удаления азота из сточных вод. Это относится к процессу, при котором денитрифицирующие бактерии восстанавливают NOx-N и другие оксиды азота до газообразного азота или газообразных оксидов азота в качестве акцепторов электронов в анаэробных условиях или условиях -дефицита кислорода (DO < 0,3~0,5 мг/л).
1. Механизм реакции
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Реакция полного восстановления (на примере органических соединений в качестве доноров электронов):
NO3−+5[H] (донор электронов) → 0,5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (донор электронов) → 0,5N2 + H2O + OH−
2. Требования к источникам углерода и микробные характеристики
• Потребление источника углерода: теоретически для преобразования 1 г нитратного азота в N2 требуется 2,86 г источника углерода, а для преобразования 1 г нитритного азота необходимо 1,71 г органического вещества.
• Разнообразие доноров электронов: [H] может быть обеспечен органическими соединениями, сульфидами и т. д., что предлагает множество вариантов источников углерода для оптимизации процесса.
• Микробные характеристики: Денитрифицирующие бактерии в основном являются факультативными бактериями, которые дышат, используя O2 в качестве терминального акцептора электронов в присутствии кислорода, и используют NOx-N для дыхания в отсутствие кислорода. Эта характеристика является основой процесса бескислородной денитрификации.
Краткое содержание
Биологическая трансформация азота сточных вод представляет собой цепной процесс, взаимосвязанный:
Аммонификация разрушает молекулы органического азота с выделением аммиачного азота;
Нитрификация включает постепенное окисление аммиачного азота до нитратного азота в аэробной среде;
Денитрификация превращает нитратный азот в газообразный азот в бескислородной среде, в конечном итоге обеспечивая удаление азота из водоемов в атмосферу.
Эффективная работа этого процесса основана на точном контроле над ключевыми параметрами, такими как содержание кислорода, щелочность, источник углерода и температура, и служит основной технической поддержкой для достижения стабильного удаления азота на современных городских очистных сооружениях и очистке промышленных сточных вод.