В повседневной работе по очистке сточных вод часто можно услышать два термина: нитрификация и денитрификация. Многие люди, плохо знакомые с очисткой сточных вод, склонны путать эти два понятия. Несмотря на схожие названия (оба основаны на иероглифе «硝»), на самом деле они играют совершенно разные роли в очистке сточных вод.
Проще говоря, нитрификация отвечает за преобразование аммиачного азота в нитрат, а денитрификация отвечает за преобразование нитрата в газообразный азот. Один из них представляет собой процесс окисления, а другой — процесс восстановления. Эти два процесса подобны эстафете, и только когда они будут завершены в координации, можно будет по-настоящему удалить азот из сточных вод.
Как только этот момент будет понят, логика различных процессов удаления азота, таких как A/O, AAO и окислительная канава, станет намного яснее.
I. Нитрификация: преобразование аммиачного азота в нитрат.
В бытовых сточных водах и многих промышленных сточных водах азот присутствует преимущественно в форме аммиачного азота. Если аммиачный азот сбрасывается непосредственно в водоемы, это может легко привести к эвтрофикации, а также оказать токсическое воздействие на водные организмы, такие как рыбы. Поэтому на очистных сооружениях сначала необходимо преобразовать аммиачный азот.
Этот процесс преобразования известен как нитрификация.
Нитрификация на самом деле представляет собой процесс окисления, осуществляемый микроорганизмами, который можно условно разделить на два этапа:
Первый этап – окисление аммиачного азота в нитрит.
Шаг 2: Нитрит далее окисляется до нитрата.
Весь процесс требует достаточного количества кислорода, поэтому нитрификация обычно происходит в аэробных средах, таких как аэротенки или биохимические резервуары MBR.
Микроорганизмы, участвующие в этом процессе, известны как нитрифицирующие бактерии. От обычных гетеротрофных бактерий они отличаются тем, что относятся к категории автотрофов, получающих энергию преимущественно из неорганических веществ. Скорость их роста относительно медленная, и они также чувствительны к изменениям окружающей среды.
По этой же причине на многих станциях очистки сточных вод зимой наблюдается снижение мощности нитрификации.
II. Денитрификация: преобразование нитратов в газообразный азот.
Хотя нитрификация решила проблему аммиачного азота, азот в воде на самом деле на данный момент не исчез; оно просто трансформировалось из одной формы в другую. Чтобы по-настоящему «удалить» азот из сточных вод, необходимо выполнить второй этап - денитрификации -.
Денитрификация – это восстановительный процесс. В анаэробной среде микроорганизмы утилизируют кислород нитрата, постепенно восстанавливая его до газообразного азота. Ход реакции примерно следующий:
Нитрат → Нитрит → Закись азота → Закись азота → Азот
Полученный в результате газообразный азот (N₂)* будет выбрасываться в воздух в газообразной форме, таким образом, азот в сточных водах действительно удаляется. Микроорганизмы, завершающие этот процесс, называются денитрифицирующими бактериями. В отличие от нитрифицирующих бактерий они относятся к гетеротрофным бактериям и в качестве источника энергии нуждаются в органическом углероде.
По этой же причине многим станциям очистки сточных вод необходимо добавлять источники углерода во время удаления азота.
III. Несколько ключевых различий между нитрификацией и денитрификацией
Если мы рассмотрим эти два процесса вместе, мы обнаружим, что они диаметрально противоположны во многих аспектах.
1. Различные кислородные условия
Нитрификация должна происходить в аэробной среде, обычно требующей поддержания уровня растворенного кислорода на уровне около 2 мг/л.
Денитрификация требует анаэробной среды с содержанием растворенного кислорода ниже 0,5 мг/л. Если кислорода слишком много, денитрифицирующие бактерии предпочтут использовать кислород, а не нитрат.
Проще говоря, нитрификация процветает в присутствии кислорода, а денитрификация тормозится кислородом.
2. Различные виды микроорганизмов
Нитрификация осуществляется в основном нитрифицирующими бактериями, к которым относятся нитросомонады и нитробактерии.
Эти бактерии относятся к автотрофным бактериям, которые растут медленно и требуют более длительного выдерживания ила.
Денитрификация осуществляется денитрифицирующими бактериями, которые относятся к категории гетеротрофных бактерий и демонстрируют относительно более высокую скорость роста.
3. Различные требования к источникам углерода.
Нитрифицирующие бактерии в основном используют неорганические вещества для получения энергии и обычно не полагаются на источники органического углерода.
Денитрифицирующие бактерии нуждаются в органическом углероде в качестве донора электронов. Поэтому, когда доступных органических веществ в сточных водах недостаточно, часто необходимо добавлять внешние источники углерода, такие как ацетат натрия, метанол и глюкоза.
При работе многих очистных сооружений недостаточный источник углерода часто является существенным фактором, влияющим на эффективность удаления азота.
4. Место происшествия разное
В обычных процессах удаления азота они обычно располагаются в разных реакционных зонах.
Например, в процессах A/O или AAO:
Бескислородный резервуар - Денитрификация Аэробный резервуар - Нитрификация
Нитрат, образующийся в результате нитрификации, возвращается в бескислородную зону посредством внутренней рециркуляции, где он далее трансформируется денитрифицирующими бактериями.
5. Разные конечные результаты
Результат нитрификации – уменьшение аммиачного азота и увеличение нитратного.
Результатом денитрификации является: восстановление нитратов и выделение газообразного азота.
Другими словами, азот может покинуть водоем только после завершения денитрификации.
IV. на самом деле это эстафета
С целостной точки зрения нитрификация и денитрификация — это не два независимых процесса, а два последовательных этапа биологического удаления азота.
Весь процесс конверсии азота можно просто понять как:
Аммиачный азот → Нитритный азот → Нитратный азот → Нитритный азот → Газообразный азот
Нитрификация отвечает за преобразование аммиачного азота в нитрат, а денитрификация отвечает за восстановление нитрата обратно в газообразный азот.
Эти двое связаны как эстафета.
Если происходит только нитрификация и нет денитрификации, нитраты в воде все равно будут вызывать эвтрофикацию.
Если не будет нитрификации, будет не хватать «сырья» для денитрификации.
Именно поэтому большинство процессов удаления азота включают как аэробные, так и бескислородные зоны.
V. Заключение
В области очистки сточных вод многие концепции могут показаться схожими, но лежащая в их основе логика совершенно разная.
Нитрификация и денитрификация представляют собой типичную пару.
Один происходит в аэробной среде, а другой - в анаэробной среде;
Один отвечает за окисление аммиачного азота, а другой — за восстановление нитратов;
Только когда они объединены, может быть сформирован полный процесс биологического удаления азота.
Поняв это, когда мы посмотрим на различные процессы удаления азота, такие как A/O, AAO и окислительная канава, мы увидим, что все они оптимизированы и объединены вокруг этих двух этапов.
Многие сложные процессы очистки сточных вод, в конечном итоге, фактически создают подходящую «рабочую среду» для этих микроорганизмов.