În domeniul epurării apelor uzate, transformarea biologică a azotului este procesul de bază pentru realizarea eliminării azotului și fosforului și îndeplinirea standardelor de emisie. Acest proces nu implică o singură reacție, ci mai degrabă o finalizare coordonată a trei pași cheie: amonificare, nitrificare și denitrificare. Împreună, acești pași transformă treptat azotul organic complex și azotul anorganic din apele uzate în azot gazos inofensiv, reducând în mod fundamental încărcătura de azot din corpurile de apă.
Introducere
Azotul din canalizare există în principal sub formă de azot organic (cum ar fi proteinele și ureea) și azotul amoniac. Deversarea directă poate duce la probleme de mediu, cum ar fi eutrofizarea corpurilor de apă. Metodele de tratare biologică, cu avantajele lor de înaltă eficiență și economie, au devenit tehnologia principală pentru îndepărtarea azotului din canalizare. Principiul de bază este de a utiliza activitățile metabolice ale diferitelor microorganisme în condiții specifice de mediu pentru a transforma treptat elementele de azot, realizând în cele din urmă îndepărtarea gazoasă din corpurile de apă în atmosferă. Următoarele vor diseca în mod sistematic mecanismul de bază al acestui proces.
I. Ammonificare: conversia azotului organic în azot amoniacal
Ammonificarea este primul pas în îndepărtarea azotului din apele reziduale, referindu-se la conversia compușilor organici cu azot în
Procesul este facilitat în primul rând de bacteriile amonifiante. În funcție de conținutul de oxigen din mediu, acesta poate fi clasificat în două căi: transformare aerobă și transformare anaerobă.
1. Transformare aerobă
În condiții aerobe, la reacție participă microorganisme precum Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus și Proteus vulgaris facultativ, degradând în primul rând azotul organic prin două mecanisme principale:
• Dezaminarea oxidativă: Sub cataliza oxidazelor, aminoacizii își pierd treptat grupările amino pentru a genera cetoacizi și amoniac.
Luând ca exemplu alanina:
CH3CH(NH2)COOH→ CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3
(Alanina → Acid iminopropionic → Acid piruvic + Amoniac)
• Hidroliza amoniacului: sub acțiunea enzimelor hidrolitice, compușii organici care conțin azot-cum ar fi ureea sunt hidrolizați pentru a produce amoniac.
Reacția de hidroliză a ureei:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
Bacteriile implicate în acest proces includ bacterii aerobe precum Enterococcus faecalis și Bacillus urea.
2. Conversie anaerobă
În mediile anaerobe sau cu deficit de oxigen-, microorganismele anaerobe și anaerobe facultative completează amonificarea prin trei căi:
• Reducere și dezaminare:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• Eliminarea-amoniacului pe bază de apă:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• Deshidratare și dezaminare:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
II. Nitrificare: Oxidarea azotului amoniac în azot nitrat
Nitrificarea este a doua reacție de bază care oxidează NH3−N la NOx−N, care este completată sinergetic de bacteriile nitriți și bacteriile nitrați și este împărțită în două etape: nitritare și nitrificare.
1. Mecanism de reacție
• Reacția de nitritare (dominată de bacterii nitriți):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5kJ
• Reacția de nitrificare (dominată de nitrobacterii):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• Formula generală de reacție:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69kJ
2. Caracteristicile cheie ale procesului
• Cerere mare de oxigen: consum teoretic de 4,2 g per eliminarea a 1 g, prin urmare reacția de nitrificare trebuie efectuată în condiții suficiente de aerare.
• Rată scăzută de creștere: Bacteriile nitrifiante au un randament celular extrem de scăzut și sunt mai predispuse la activitate insuficientă în lunile reci de iarnă. Prin urmare, este necesar să se mențină o concentrație mare de nămol pentru a asigura eficiența epurării.
• Consum de alcalinitate: reacția generează o cantitate mare de H+. Teoretic, se consumă 7,54 g de alcalinitate (calculată ca CaCO3) pentru fiecare 1 g de oxidare. Este necesar să se mențină stabilitatea pH-ului sistemului prin adăugarea de agenți alcalini.
III. Denitrificare: Reducerea azotului azotat la azot gazos
Denitrificarea este etapa finală în îndepărtarea azotului din apele uzate. Se referă la procesul prin care bacteriile denitrificatoare reduc NOx-N și alți oxizi de azot la azot gazos sau oxizi de azot gazoși ca acceptori de electroni în condiții anaerobe sau cu deficit de oxigen (DO < 0,3 ~ 0,5 mg/L).
1. Mecanism de reacție
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Reacție completă de reducere (luând ca exemplu compuși organici ca donatori de electroni):
NO3−+5[H] (donator de electroni) → 0,5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (donator de electroni) → 0,5N2 + H2O + OH−
2. Cerințele sursei de carbon și caracteristicile microbiene
• Consumul sursei de carbon: Teoretic, 2,86 g de sursă de carbon sunt necesare pentru a transforma 1 g de azot nitrat în N2, iar 1,71 g de materie organică sunt necesare pentru a transforma 1 g de azot nitrat.
• Diversitatea donatorilor de electroni: [H] poate fi furnizat de compuși organici, sulfuri etc., oferind mai multe opțiuni de surse de carbon pentru optimizarea procesului.
• Caracteristici microbiene: Bacteriile denitrificatoare sunt în mare parte bacterii facultative, care respiră folosind O2 ca acceptor terminal de electroni în prezența oxigenului și folosesc NOx−N pentru respirație în absența oxigenului. Această caracteristică este baza de bază a procesului de denitrificare anoxică.
Rezumat
Transformarea biologică a azotului în canalizare este un proces în lanț care este interconectat:
Ammonificarea descompune moleculele de azot organic, eliberând azot amoniac;
Nitrificarea presupune oxidarea treptată a azotului amoniacal în azot nitrat într-un mediu aerob;
Denitrificarea reduce azotul nitrat la azot gazos în medii anoxice, realizând în cele din urmă eliminarea azotului din corpurile de apă în atmosferă.
Funcționarea eficientă a acestui proces se bazează pe controlul precis asupra parametrilor cheie, cum ar fi conținutul de oxigen, alcalinitatea, sursa de carbon și temperatura, și servește drept suport tehnic de bază pentru obținerea unei eliminări stabile a azotului în stațiile moderne de ape uzate urbane și tratarea apelor uzate industriale.