Mätúce ukazovatele v čistení odpadových vôd: nitrifikácia a denitrifikácia

V každodennej prevádzke čistenia odpadových vôd často zaznievajú dva pojmy: nitrifikácia a denitrifikácia. Mnoho ľudí, ktorí sú nováčikmi v čistení odpadových vôd, má tendenciu zamieňať si tieto dva pojmy. Napriek podobným menám, obe sa točia okolo postavy „硝“, v skutočnosti zohrávajú úplne iné úlohy pri čistení odpadových vôd.

Zjednodušene povedané, nitrifikácia je zodpovedná za premenu amoniakálneho dusíka na dusičnany, zatiaľ čo denitrifikácia je zodpovedná za premenu dusičnanov na plynný dusík. Jedným z nich je oxidačný proces a druhým je proces redukcie. Tieto dva procesy sú ako štafetový beh a iba vtedy, keď sú dokončené v koordinácii, je možné skutočne odstrániť dusík z odpadových vôd.

Keď pochopíme tento bod, logika rôznych procesov odstraňovania dusíka, ako sú A/O, AAO a oxidačná priekopa, sa stáva oveľa jasnejšou.

V domácich odpadových vodách a mnohých priemyselných odpadových vodách sa dusík vyskytuje predovšetkým vo forme amoniakálneho dusíka. Ak je amoniakálny dusík vypúšťaný priamo do vodných útvarov, môže ľahko viesť k eutrofizácii a tiež môže mať toxické účinky na vodné organizmy, ako sú ryby. Čistiarne odpadových vôd preto musia najskôr premeniť amoniakálny dusík.

Tento proces transformácie je známy ako nitrifikácia.

Nitrifikácia je vlastne oxidačný proces uskutočňovaný mikroorganizmami, ktorý možno zhruba rozdeliť do dvoch krokov:

Prvým krokom je oxidácia amoniakálneho dusíka na dusitany
Krok 2: Dusitany sa ďalej oxidujú na dusičnany

Celý proces vyžaduje dostatok kyslíka, takže nitrifikácia zvyčajne prebieha v aeróbnom prostredí, ako sú prevzdušňovacie nádrže alebo biochemické nádrže MBR.

Mikroorganizmy zapojené do tohto procesu sú známe ako nitrifikačné baktérie. Od bežných heterotrofných baktérií sa líšia tým, že patria do autotrofnej kategórie, pričom energiu získavajú predovšetkým z anorganických látok. Ich tempo rastu je relatívne pomalé a sú tiež citlivé na zmeny prostredia.

To je tiež dôvod, prečo mnohé čistiarne odpadových vôd majú v zime tendenciu zaznamenať pokles nitrifikačnej kapacity.

Hoci nitrifikácia vyriešila problém amoniakálneho dusíka, dusík vo vode v tomto bode skutočne nezmizol; len sa pretransformoval z jednej formy do druhej. Na skutočné „odstránenie“ dusíka z odpadovej vody je potrebné dokončiť druhý krok - denitrifikácie -.

Denitrifikácia je redukčný proces. V anaeróbnom prostredí mikroorganizmy využívajú kyslík v dusičnane a postupne ho redukujú na plynný dusík. Cesta reakcie je približne nasledovná:

Dusičnany → Dusitany → Oxid dusný → Oxid dusný → Dusík

Nakoniec vytvorený plynný dusík (N₂)* sa uvoľní do ovzdušia v plynnej forme, čím sa dusík z odpadových vôd skutočne odstráni. Mikroorganizmy, ktoré dokončia tento proces, sa nazývajú denitrifikačné baktérie. Na rozdiel od nitrifikačných baktérií patria medzi heterotrofné baktérie a ako zdroj energie vyžadujú organický uhlík.

Aj to je dôvod, prečo mnohé čistiarne odpadových vôd potrebujú pri odstraňovaní dusíka pridávať zdroje uhlíka.

Ak sa na tieto dva procesy pozrieme spoločne, zistíme, že sú v mnohých aspektoch diametrálne odlišné.

1. Rôzne podmienky kyslíka

Nitrifikácia sa musí uskutočňovať v aeróbnom prostredí, čo si zvyčajne vyžaduje udržiavanie hladín rozpusteného kyslíka okolo 2 mg/l.

Denitrifikácia vyžaduje anaeróbne prostredie s rozpusteným kyslíkom udržiavaným pod 0,5 mg/l. Ak je kyslíka príliš veľa, denitrifikačné baktérie uprednostnia využitie kyslíka pred dusičnanmi.

Zjednodušene povedané, nitrifikácii sa darí v kyslíku, zatiaľ čo denitrifikácia je kyslíkom inhibovaná.

2. Rôzne druhy mikroorganizmov

Nitrifikáciu primárne vykonávajú nitrifikačné baktérie, medzi ktoré patria nitrosomonas a nitrobacter

Tieto baktérie patria medzi autotrofné baktérie, ktoré rastú pomaly a vyžadujú dlhší vek kalu.

Denitrifikáciu vykonávajú denitrifikačné baktérie, ktoré patria do kategórie heterotrofných baktérií a vykazujú relatívne rýchlejšiu rýchlosť rastu.

3. Rôzne požiadavky na zdroj uhlíka

Nitrifikačné baktérie využívajú na energiu predovšetkým anorganické látky a vo všeobecnosti sa nespoliehajú na organické zdroje uhlíka.

Denitrifikačné baktérie vyžadujú organický uhlík ako donor elektrónov. Preto, keď je dostupná organická hmota v odpadovej vode nedostatočná, je často potrebné pridať externé zdroje uhlíka, ako je octan sodný, metanol a glukóza.

Pri prevádzke mnohých čističiek odpadových vôd je nedostatočný zdroj uhlíka často významným faktorom ovplyvňujúcim účinnosť odstraňovania dusíka.

4. Miesto výskytu je rôzne

V bežných procesoch odstraňovania dusíka sú tieto dva zvyčajne usporiadané v rôznych reakčných zónach.

Napríklad v procesoch A/O alebo AAO:

Anoxická nádrž - Denitrifikácia Aeróbna nádrž - Nitrifikácia

Dusičnan vznikajúci nitrifikáciou sa vnútornou recirkuláciou vracia do anoxickej zóny, kde je ďalej transformovaný denitrifikačnými baktériami.
5. Rozdielne konečné výsledky

Výsledkom nitrifikácie je pokles amoniakálneho dusíka a nárast dusičnanov

Výsledkom denitrifikácie je: zníženie dusičnanov a produkcia plynného dusíka

Inými slovami, dusík môže opustiť vodný útvar až po ukončení denitrifikácie.

Z holistickej perspektívy nie sú nitrifikácia a denitrifikácia dva nezávislé procesy, ale skôr dva po sebe idúce kroky biologického odstraňovania dusíka.

Celý proces premeny dusíka možno jednoducho chápať ako:

Amoniakálny dusík → Dusitanový dusík → Dusičnanový dusík → Dusitanový dusík → Plynný dusík

Nitrifikácia je zodpovedná za premenu amoniakálneho dusíka na dusičnan, zatiaľ čo denitrifikácia je zodpovedná za redukciu dusičnanov späť na plynný dusík.
Obe sú spojené ako štafetový beh.

Ak existuje iba nitrifikácia a žiadna denitrifikácia, dusičnany vo vode budú stále spôsobovať eutrofizáciu.
Ak nebude nitrifikácia, bude nedostatok „surovín“ na denitrifikáciu.

To je tiež dôvod, prečo väčšina procesov odstraňovania dusíka zahŕňa aeróbne aj anoxické zóny.

V oblasti čistenia odpadových vôd sa mnohé koncepty môžu zdať podobné, ale základná logika je úplne iná.

Typickou dvojicou je nitrifikácia a denitrifikácia.

Jeden sa vyskytuje v aeróbnom prostredí, zatiaľ čo druhý sa vyskytuje v anaeróbnom prostredí;
Jedna je zodpovedná za oxidáciu amoniakálneho dusíka a druhá je zodpovedná za redukciu dusičnanov;
Len keď sa tieto dva spoja, môže sa vytvoriť úplný biologický proces odstraňovania dusíka.

Keď sme to pochopili, keď sa pozrieme na rôzne procesy odstraňovania dusíka, ako sú A/O, AAO a oxidačný priekopa, môžeme vidieť, že všetky sú optimalizované a kombinované okolo týchto dvoch krokov.

Mnohé zložité procesy pri čistení odpadových vôd v konečnom dôsledku vlastne vytvárajú vhodné „pracovné prostredie“ pre tieto mikroorganizmy.