Indicatori confuzi în tratarea apelor uzate: nitrificare și denitrificare

În funcționarea zilnică a epurării apelor uzate, se aud adesea doi termeni: nitrificare și denitrificare. Mulți oameni care sunt noi în tratarea apelor uzate tind să confunde aceste două concepte. În ciuda numelor lor similare, ambele gravitând în jurul personajului „硝”, ei joacă de fapt roluri complet diferite în tratarea apelor uzate.

În termeni simpli, nitrificarea este responsabilă pentru transformarea azotului amoniac în nitrat, în timp ce denitrificarea este responsabilă pentru transformarea azotatului în azot gazos. Unul este un proces de oxidare, iar celălalt este un proces de reducere. Cele două procese sunt ca o cursă de ștafetă și numai atunci când sunt finalizate în coordonare poate fi eliminat cu adevărat azotul din canalizare.

Odată ce acest punct este înțeles, logica din spatele diferitelor procese de îndepărtare a azotului, cum ar fi A/O, AAO și șanțul de oxidare, devine mult mai clară.

În apele uzate menajere și în multe ape uzate industriale, azotul există în principal sub formă de azot amoniac. Dacă azotul de amoniac este descărcat direct în corpurile de apă, poate duce cu ușurință la eutrofizare și, de asemenea, poate exercita efecte toxice asupra organismelor acvatice, cum ar fi peștii. Prin urmare, stațiile de tratare a apelor uzate trebuie să transforme mai întâi azotul amoniac.

Acest proces de transformare este cunoscut sub numele de nitrificare.

Nitrificarea este de fapt un proces de oxidare realizat de microorganisme, care poate fi împărțit aproximativ în două etape:

Primul pas este oxidarea azotului amoniac în nitriți
Pasul 2: Nitritul este oxidat în continuare la nitrat

Întregul proces necesită suficient oxigen, astfel încât nitrificarea are loc de obicei în medii aerobe, cum ar fi rezervoarele de aerare sau rezervoarele biochimice MBR.

Microorganismele implicate în acest proces sunt cunoscute ca bacterii nitrificatoare. Ele diferă de bacteriile heterotrofe obișnuite prin faptul că aparțin categoriei autotrofe, obținând în primul rând energia din substanțe anorganice. Rata lor de creștere este relativ lentă și sunt, de asemenea, sensibile la schimbările de mediu.

Acesta este, de asemenea, motivul pentru care multe stații de tratare a apelor uzate tind să experimenteze o scădere a capacității de nitrificare în timpul iernii.

Deși nitrificarea a rezolvat problema azotului amoniac, azotul din apă nu a dispărut cu adevărat în acest moment; s-a transformat doar de la o formă la alta. Pentru a „elimina” cu adevărat azotul din apele uzate, al doilea pas de - denitrificare - trebuie finalizat.

Denitrificarea este un proces de reducere. Într-un mediu anaerob, microorganismele utilizează oxigenul din nitrat, reducându-l treptat la azot gazos. Calea de reacție este aproximativ după cum urmează:

Nitrat → Nitrit → Protoxid de azot → Protoxid de azot → Azot

Azotul gazos (N₂)* generat în final va fi eliberat în aer sub formă gazoasă, astfel azotul din canalizarea este cu adevărat îndepărtat. Microorganismele care finalizează acest proces se numesc bacterii denitrificatoare. Spre deosebire de bacteriile nitrificatoare, acestea aparțin bacteriilor heterotrofe și necesită carbon organic ca sursă de energie.

Acesta este și motivul pentru care multe stații de tratare a apelor uzate trebuie să adauge surse de carbon în timpul eliminării azotului.

Dacă privim aceste două procese împreună, vom descoperi că ele sunt diametral opuse în multe aspecte.

1. Condiții diferite de oxigen

Nitrificarea trebuie să aibă loc într-un mediu aerob, necesitând de obicei menținerea nivelurilor de oxigen dizolvat la aproximativ 2 mg/L.

Denitrificarea necesită un mediu anaerob cu oxigen dizolvat menținut sub 0,5 mg/L. Dacă există prea mult oxigen, bacteriile denitrificatoare vor prefera să utilizeze oxigen mai degrabă decât nitrați.

În termeni simpli, nitrificarea prosperă în oxigen, în timp ce denitrificarea este inhibată de oxigen.

2. Diferite tipuri de microorganisme

Nitrificarea este realizată în primul rând prin bacterii nitrificatoare, care includ nitrosomonas și nitrobacter

Aceste bacterii aparțin bacteriilor autotrofe, care cresc lent și necesită o vârstă mai lungă a nămolului.

Denitrificarea este realizată de bacterii denitrificatoare, care aparțin categoriei de bacterii heterotrofe și prezintă o rată de creștere relativ mai rapidă.

3. Cerințe diferite ale surselor de carbon

Bacteriile nitrificatoare folosesc în principal substanțe anorganice pentru energie și, în general, nu se bazează pe surse de carbon organic.

Bacteriile denitrificatoare necesită carbon organic ca donor de electroni. Prin urmare, atunci când materia organică disponibilă în apele uzate este insuficientă, este adesea necesar să se adauge surse externe de carbon, cum ar fi acetat de sodiu, metanol și glucoză.

În funcționarea multor stații de apă uzată, sursa insuficientă de carbon este adesea un factor semnificativ care afectează eficiența eliminării azotului.

4. Locația apariției este diferită

În procesele obișnuite de îndepărtare a azotului, cele două sunt de obicei aranjate în zone de reacție diferite.

De exemplu, în procesele A/O sau AAO:

Rezervor anoxic - Denitrificare Rezervor aerobic - Nitrificare

Nitratul produs prin nitrificare revine în zona anoxică prin recirculare internă, unde este transformat în continuare de bacteriile denitrificatoare.
5. Rezultate finale diferite

Rezultatul nitrificării este o scădere a azotului amoniac și o creștere a nitraților

Rezultatul denitrificării este: reducerea nitraților și producerea de azot gazos

Cu alte cuvinte, azotul poate părăsi corpul de apă numai după ce denitrificarea este finalizată.

Dintr-o perspectivă holistică, nitrificarea și denitrificarea nu sunt două procese independente, ci mai degrabă două etape consecutive în îndepărtarea biologică a azotului.

Întregul proces de conversie a azotului poate fi înțeles simplu ca:

Azot amoniacal → Azot azotat → Azot azotat → Azot azotat → Azot gazos

Nitrificarea este responsabilă pentru transformarea azotului amoniac în nitrat, în timp ce denitrificarea este responsabilă pentru reducerea azotaților înapoi la azot gazos.
Cei doi sunt legați ca o cursă de ștafetă.

Dacă există doar nitrificare și nicio denitrificare, nitratul din apă va provoca eutrofizare.
Dacă nu există nitrificare, va lipsi „materii prime” pentru denitrificare.

Acesta este și motivul pentru care majoritatea proceselor de îndepărtare a azotului încorporează atât zone aerobe, cât și anoxice.

În domeniul epurării apelor uzate, multe concepte pot părea similare, dar logica subiacentă este complet diferită.

Nitrificarea și denitrificarea sunt o pereche tipică.

Unul are loc într-un mediu aerob, în ​​timp ce celălalt are loc într-un mediu anaerob;
Unul este responsabil pentru oxidarea azotului amoniac, iar celălalt este responsabil pentru reducerea nitratului;
Numai atunci când cele două sunt combinate se poate forma un proces biologic complet de îndepărtare a azotului.

După ce am înțeles acest lucru, atunci când ne uităm la diferite procese de îndepărtare a azotului, cum ar fi A/O, AAO și șanțul de oxidare, putem vedea că toate sunt optimizate și combinate în jurul acestor doi pași.

Multe procese complexe de tratare a apelor uzate, în ultimă analiză, creează de fapt un „mediu de lucru” potrivit pentru aceste microorganisme.