Matoucí ukazatele v čištění odpadních vod: Nitrifikace a denitrifikace

V každodenním provozu čištění odpadních vod jsou často slyšet dva pojmy: nitrifikace a denitrifikace. Mnoho lidí, kteří jsou v čištění odpadních vod noví, má tendenci tyto dva pojmy zaměňovat. Navzdory jejich podobným jménům, obě se točí kolem postavy „硝“, ve skutečnosti hrají v čištění odpadních vod úplně jiné role.

Jednoduše řečeno, nitrifikace je zodpovědná za přeměnu amoniakálního dusíku na dusičnany, zatímco denitrifikace je zodpovědná za přeměnu dusičnanů na plynný dusík. Jedním z nich je oxidační proces a druhým je proces redukce. Tyto dva procesy jsou jako štafetový závod a pouze když jsou dokončeny v koordinaci, může být dusík v odpadních vodách skutečně odstraněn.

Jakmile pochopíme tento bod, logika různých procesů odstraňování dusíku, jako je A/O, AAO a oxidační příkop, se stává mnohem jasnější.

V domovních odpadních vodách a mnoha průmyslových odpadních vodách se dusík vyskytuje primárně ve formě amoniakálního dusíku. Pokud je amoniakální dusík vypouštěn přímo do vodních útvarů, může snadno vést k eutrofizaci a také mít toxické účinky na vodní organismy, jako jsou ryby. Čistírny odpadních vod proto musí nejprve přeměnit amoniakální dusík.

Tento transformační proces je známý jako nitrifikace.

Nitrifikace je vlastně oxidační proces prováděný mikroorganismy, který lze zhruba rozdělit do dvou kroků:

Prvním krokem je oxidace amoniakálního dusíku na dusitany
Krok 2: Dusitany se dále oxidují na dusičnany

Celý proces vyžaduje dostatek kyslíku, takže nitrifikace obvykle probíhá v aerobních prostředích, jako jsou provzdušňovací nádrže nebo biochemické nádrže MBR.

Mikroorganismy zapojené do tohoto procesu jsou známé jako nitrifikační bakterie. Od běžných heterotrofních bakterií se liší tím, že patří do autotrofní kategorie, primárně získávají energii z anorganických látek. Jejich tempo růstu je relativně pomalé a jsou také citlivé na změny prostředí.

To je také důvod, proč má mnoho čistíren odpadních vod v zimě tendenci zaznamenat pokles nitrifikační kapacity.

Ačkoli nitrifikace vyřešila problém amoniakálního dusíku, dusík ve vodě v tomto bodě skutečně nezmizel; pouze se transformoval z jedné formy do druhé. Chcete-li skutečně „odstranit“ dusík z odpadní vody, je třeba dokončit druhý krok - denitrifikace -.

Denitrifikace je redukční proces. V anaerobním prostředí mikroorganismy využívají kyslík obsažený v dusičnanech a postupně jej redukují na plynný dusík. Cesta reakce je zhruba následující:

Dusičnany → Dusitany → Oxid dusný → Oxid dusný → Dusík

Nakonec generovaný plynný dusík (N₂)* se uvolní do vzduchu v plynné formě, takže dusík z odpadních vod je skutečně odstraněn. Mikroorganismy, které tento proces dokončí, se nazývají denitrifikační bakterie. Na rozdíl od nitrifikačních bakterií patří k heterotrofním bakteriím a jako zdroj energie vyžadují organický uhlík.

To je také důvod, proč mnoho čistíren odpadních vod potřebuje při odstraňování dusíku přidávat zdroje uhlíku.

Pokud se na tyto dva procesy podíváme společně, zjistíme, že jsou v mnoha ohledech diametrálně odlišné.

1. Různé podmínky kyslíku

Nitrifikace musí probíhat v aerobním prostředí, typicky vyžaduje udržování hladin rozpuštěného kyslíku kolem 2 mg/l.

Denitrifikace vyžaduje anaerobní prostředí s rozpuštěným kyslíkem udržovaným pod 0,5 mg/l. Pokud je kyslíku příliš mnoho, denitrifikační bakterie budou raději využívat kyslík než dusičnany.

Jednoduše řečeno, nitrifikace se daří v kyslíku, zatímco denitrifikace je kyslíkem inhibována.

2. Různé druhy mikroorganismů

Nitrifikace je primárně prováděna nitrifikačními bakteriemi, mezi které patří nitrosomonas a nitrobacter

Tyto bakterie patří mezi autotrofní bakterie, které rostou pomalu a vyžadují delší stáří kalu.

Denitrifikace je prováděna denitrifikačními bakteriemi, které patří do kategorie heterotrofních bakterií a vykazují relativně vyšší rychlost růstu.

3. Různé požadavky na zdroje uhlíku

Nitrifikační bakterie využívají pro energii především anorganické látky a obecně se nespoléhají na organické zdroje uhlíku.

Denitrifikační bakterie vyžadují organický uhlík jako donor elektronů. Proto, když je dostupná organická hmota v odpadní vodě nedostatečná, je často nutné přidat externí zdroje uhlíku, jako je octan sodný, methanol a glukóza.

Při provozu mnoha čistíren odpadních vod je nedostatečný zdroj uhlíku často významným faktorem ovlivňujícím účinnost odstraňování dusíku.

4. Místo výskytu je různé

V běžných procesech odstraňování dusíku jsou tyto dva obvykle uspořádány v různých reakčních zónách.

Například v procesech A/O nebo AAO:

Anoxická nádrž - Denitrifikace Aerobní nádrž - Nitrifikace

Dusičnan vzniklý nitrifikací se vnitřní recirkulací vrací do anoxické zóny, kde je dále transformován denitrifikačními bakteriemi.
5. Rozdílné konečné výsledky

Výsledkem nitrifikace je pokles amoniakálního dusíku a nárůst dusičnanů

Výsledkem denitrifikace je: redukce dusičnanů a produkce plynného dusíku

Jinými slovy, dusík může opustit vodní útvar až po dokončení denitrifikace.

Z holistického hlediska nejsou nitrifikace a denitrifikace dva nezávislé procesy, ale spíše dva po sobě jdoucí kroky biologického odstraňování dusíku.

Celý proces přeměny dusíku lze jednoduše chápat jako:

Amoniakální dusík → Dusitanový dusík → Dusičnanový dusík → Dusitanový dusík → Plynný dusík

Nitrifikace je zodpovědná za přeměnu amoniakálního dusíku na dusičnany, zatímco denitrifikace je zodpovědná za redukci dusičnanů zpět na plynný dusík.
Ti dva jsou propojeni jako štafetový závod.

Pokud je pouze nitrifikace a žádná denitrifikace, dusičnany ve vodě budou stále způsobovat eutrofizaci.
Pokud nebude nitrifikace, bude nedostatek „surovin“ pro denitrifikaci.

To je také důvod, proč většina procesů odstraňování dusíku zahrnuje aerobní i anoxické zóny.

V oblasti čištění odpadních vod se mnoho konceptů může zdát podobných, ale základní logika je zcela odlišná.

Typickou dvojicí je nitrifikace a denitrifikace.

Jeden se vyskytuje v aerobním prostředí, zatímco druhý se vyskytuje v anaerobním prostředí;
Jeden je zodpovědný za oxidaci amoniakálního dusíku a druhý je zodpovědný za redukci dusičnanů;
Pouze když se tyto dva spojí, může dojít k úplnému procesu biologického odstranění dusíku.

Když jsme to pochopili, když se podíváme na různé procesy odstraňování dusíku, jako je A/O, AAO a oxidační příkop, můžeme vidět, že jsou všechny optimalizovány a kombinovány kolem těchto dvou kroků.

Mnoho složitých procesů při čištění odpadních vod v konečném důsledku ve skutečnosti vytváří vhodné „pracovní prostředí“ pro tyto mikroorganismy.