U području pročišćavanja otpadnih voda, biološka transformacija dušika ključni je proces za postizanje uklanjanja dušika i fosfora i ispunjavanje standarda emisije. Ovaj proces ne uključuje jednu reakciju, već koordinirani završetak tri ključna koraka: amonifikacije, nitrifikacije i denitrifikacije. Zajedno, ovi koraci postupno pretvaraju složeni organski dušik i anorganski dušik u otpadnoj vodi u bezopasni plinoviti dušik, temeljno smanjujući količinu dušika u vodnim tijelima.
Uvod
Dušik u otpadnim vodama uglavnom postoji u obliku organskog dušika (kao što su proteini i urea) i amonijačnog dušika. Izravno ispuštanje može dovesti do ekoloških problema kao što je eutrofikacija vodenih tijela. Biološke metode obrade, sa svojim prednostima visoke učinkovitosti i ekonomičnosti, postale su glavna tehnologija za uklanjanje dušika iz kanalizacije. Temeljno načelo je korištenje metaboličkih aktivnosti različitih mikroorganizama pod specifičnim uvjetima okoliša za postupnu transformaciju dušikovih elemenata, čime se u konačnici postiže uklanjanje plinova iz vodenih tijela u atmosferu. Sljedeće će sustavno rastaviti temeljni mehanizam ovog procesa.
I. Amonifikacija: pretvorba organskog dušika u amonijačni dušik
Amonifikacija je prvi korak u uklanjanju dušika iz otpadnih voda, a odnosi se na pretvorbu organskih spojeva dušika u
Proces prvenstveno olakšavaju amonificirajuće bakterije. Ovisno o sadržaju kisika u okolišu, može se kategorizirati u dva puta: aerobna transformacija i anaerobna transformacija
1. Aerobna transformacija
U aerobnim uvjetima, mikroorganizmi kao što su Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus i fakultativni Proteus vulgaris sudjeluju u reakciji, prvenstveno razgrađuju organski dušik kroz dva glavna mehanizma:
• Oksidativna deaminacija: Pod katalizom oksidaza, aminokiseline postupno gube svoje amino skupine kako bi se stvorile keto kiseline i amonijak.
Uzimajući alanin kao primjer:
CH3CH(NH2)COOH → CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3
(Alanin → Iminopropionska kiselina → Pirogrožđana kiselina + amonijak)
• Hidroliza amonijaka: pod djelovanjem hidrolitičkih enzima, organski spojevi- koji sadrže dušik, poput uree, hidroliziraju se u proizvodnju amonijaka.
Reakcija hidrolize uree:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
Bakterije uključene u ovaj proces uključuju aerobne bakterije kao što su Enterococcus faecalis i Bacillus urea.
2. Anaerobna pretvorba
U anaerobnom okruženju ili okruženju s nedostatkom kisika, anaerobni i fakultativno anaerobni mikroorganizmi dovršavaju amonifikaciju kroz tri puta:
• Redukcija i deaminacija:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• Uklanjanje-amonijaka na bazi vode:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• Dehidracija i deaminacija:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
II. Nitrifikacija: Oksidacija amonijačnog dušika u nitratni dušik
Nitrifikacija je druga temeljna reakcija koja oksidira NH3−N u NOx−N, koju sinergistički dovršavaju nitritne bakterije i nitratne bakterije, a podijeljena je u dvije faze: nitricija i nitrifikacija
1. Mehanizam reakcije
• Reakcija nitricije (u kojoj dominiraju nitritne bakterije):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5kJ
• Reakcija nitrifikacije (u kojoj dominiraju nitrobakterije):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• Ukupna formula reakcije:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69kJ
2. Ključne karakteristike procesa
• Visoka potreba za kisikom: Teoretska potrošnja od 4,2 g po uklanjanju 1 g, stoga se reakcija nitrifikacije mora provesti pod dovoljnim uvjetima prozračivanja.
• Niska stopa rasta: Nitrificirajuće bakterije imaju izuzetno nizak prinos stanica i sklonije su nedovoljnoj aktivnosti tijekom hladnih zimskih mjeseci. Stoga je potrebno održavati visoku koncentraciju mulja kako bi se osigurala učinkovitost obrade.
• Potrošnja lužnatosti: Reakcija stvara veliku količinu H+. Teoretski, 7,54 g lužnatosti (izračunato kao CaCO3) troši se za svaki 1g oksidacije. Potrebno je održavati pH stabilnost sustava dodavanjem alkalnih sredstava.
III. Denitrifikacija: Redukcija nitratnog dušika u plinoviti dušik
Denitrifikacija je posljednji korak u uklanjanju dušika iz otpadnih voda. Odnosi se na proces u kojem denitrifikacijske bakterije reduciraju NOx−N i druge dušikove okside u plinoviti dušik ili plinovite dušikove okside kao akceptore elektrona u anaerobnim uvjetima ili uvjetima -deficijencije kisika (DO < 0,3~0,5 mg/L).
1. Mehanizam reakcije
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Potpuna reakcija redukcije (uzimajući organske spojeve kao donore elektrona kao primjer):
NO3−+5[H] (donor elektrona) → 0,5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (donor elektrona) → 0,5N2 + H2O + OH−
2. Zahtjevi za izvor ugljika i mikrobne karakteristike
• Potrošnja izvora ugljika: Teoretski, 2,86 g izvora ugljika potrebno je za pretvorbu 1 g nitratnog dušika u N2, a 1,71 g organske tvari potrebno je za pretvorbu 1 g nitritnog dušika.
• Raznolikost donora elektrona: [H] mogu osigurati organski spojevi, sulfidi itd., nudeći više mogućnosti izvora ugljika za optimizaciju procesa.
• Mikrobne karakteristike: Denitrifikacijske bakterije uglavnom su fakultativne bakterije, koje dišu koristeći O2 kao terminalni akceptor elektrona u prisutnosti kisika, a koriste NOx−N za disanje u odsutnosti kisika. Ova je karakteristika temeljni temelj procesa anoksične denitrifikacije.
Sažetak
Biološka transformacija dušika u kanalizaciji je lančani proces koji je međusobno povezan:
Amonifikacija razgrađuje organske molekule dušika, oslobađajući dušik iz amonijaka;
Nitrifikacija uključuje postupnu oksidaciju amonijačnog dušika u nitratni dušik u aerobnom okruženju;
Denitrifikacijom se nitratni dušik reducira u plinoviti dušik u anoksičnim okruženjima, čime se u konačnici postiže uklanjanje dušika iz vodenih tijela u atmosferu.
Učinkovit rad ovog procesa oslanja se na preciznu kontrolu nad ključnim parametrima kao što su sadržaj kisika, lužnatost, izvor ugljika i temperatura, te služi kao temeljna tehnička podrška za postizanje stabilnog uklanjanja dušika u modernim gradskim postrojenjima za otpadne vode i industrijskom tretmanu otpadnih voda.