U svakodnevnom radu pročišćavanja otpadnih voda često se čuju dva pojma: nitrifikacija i denitrifikacija. Mnogi ljudi koji su novi u pročišćavanju otpadnih voda skloni su brkati ova dva pojma. Unatoč sličnim imenima, oba se vrte oko lika "硝", oni zapravo imaju potpuno različite uloge u pročišćavanju otpadnih voda.
Jednostavno rečeno, nitrifikacija je odgovorna za pretvaranje dušika iz amonijaka u nitrat, dok je denitrifikacija odgovorna za pretvaranje nitrata u plinoviti dušik. Jedan je proces oksidacije, a drugi je proces redukcije. Ta su dva procesa poput štafetne utrke i tek kada se dovrše u koordinaciji, dušik iz kanalizacije može se uistinu ukloniti.
Nakon što se ovo shvati, logika iza različitih procesa uklanjanja dušika, kao što su A/O, AAO i oksidacijski jarak, postaje mnogo jasnija.
I. Nitrifikacija: pretvaranje amonijačnog dušika u nitrat
U kućnoj kanalizaciji i mnogim industrijskim otpadnim vodama, dušik prvenstveno postoji u obliku amonijačnog dušika. Ako se dušik iz amonijaka izravno ispušta u vodena tijela, lako može dovesti do eutrofikacije i također imati toksične učinke na vodene organizme poput riba. Stoga postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda prvo moraju pretvoriti dušik iz amonijaka.
Ovaj proces transformacije poznat je kao nitrifikacija.
Nitrifikacija je zapravo proces oksidacije koji provode mikroorganizmi, a koji se grubo može podijeliti u dva koraka:
Prvi korak je oksidacija amonijačnog dušika u nitrit
Korak 2: Nitrit se dalje oksidira u nitrat
Cijeli proces zahtijeva dovoljno kisika, tako da se nitrifikacija obično događa u aerobnim okruženjima, kao što su aeracijski spremnici ili MBR biokemijski spremnici.
Mikroorganizmi uključeni u ovaj proces poznati su kao nitrificirajuće bakterije. Razlikuju se od običnih heterotrofnih bakterija po tome što pripadaju autotrofnoj kategoriji, prvenstveno crpeći energiju iz anorganskih tvari. Rast im je relativno spor, a osjetljivi su i na promjene okoliša.
To je i razlog zašto mnoga postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda imaju tendenciju pada kapaciteta nitrifikacije tijekom zime.
II. Denitrifikacija: pretvaranje nitrata u dušik
Iako je nitrifikacija riješila problem amonijačnog dušika, dušik u vodi nije doista nestao u ovom trenutku; samo se transformirala iz jednog oblika u drugi. Da biste doista "uklonili" dušik iz otpadnih voda, potrebno je dovršiti drugi korak - denitrifikacija -.
Denitrifikacija je redukcijski proces. U anaerobnom okruženju, mikroorganizmi iskorištavaju kisik u nitratu, postupno ga reducirajući do plinovitog dušika. Put reakcije je otprilike sljedeći:
Nitrat → Nitrit → Dušikov oksid → Dušikov oksid → Dušik
Konačno generirani plinoviti dušik (N₂)* bit će ispušten u zrak u plinovitom obliku, čime se dušik u kanalizaciji uistinu uklanja. Mikroorganizmi koji dovršavaju ovaj proces nazivaju se denitrifikacijske bakterije. Za razliku od nitrifikacijskih bakterija, one pripadaju heterotrofnim bakterijama i kao izvor energije trebaju organski ugljik.
To je i razlog zašto mnoga postrojenja za pročišćavanje otpadnih voda moraju dodati izvore ugljika tijekom uklanjanja dušika.
III. Nekoliko ključnih razlika između nitrifikacije i denitrifikacije
Promatramo li ova dva procesa zajedno, vidjet ćemo da su u mnogim aspektima dijametralno suprotni.
1. Različiti uvjeti kisika
Nitrifikacija se mora odvijati u aerobnom okruženju, obično zahtijevajući da se razine otopljenog kisika održavaju na oko 2 mg/L.
Denitrifikacija zahtijeva anaerobno okruženje s otopljenim kisikom koji se održava ispod 0,5 mg/L. Ako ima previše kisika, denitrifikacijske bakterije radije će koristiti kisik nego nitrat.
Jednostavno rečeno, nitrifikacija napreduje u kisiku, dok je denitrifikacija inhibirana kisikom.
2. Različite vrste mikroorganizama
Nitrifikaciju primarno postižu nitrifikacijske bakterije, koje uključuju nitrosomonas i nitrobacter
Ove bakterije pripadaju autotrofnim bakterijama, koje sporo rastu i zahtijevaju dužu starost mulja.
Denitrifikaciju provode denitrifikacijske bakterije, koje pripadaju kategoriji heterotrofnih bakterija i pokazuju relativno bržu stopu rasta.
3. Različiti zahtjevi izvora ugljika
Nitrifikacijske bakterije prvenstveno koriste anorganske tvari za energiju i općenito se ne oslanjaju na izvore organskog ugljika.
Denitrifikacijske bakterije zahtijevaju organski ugljik kao donor elektrona. Stoga, kada je dostupna organska tvar u otpadnoj vodi nedovoljna, često je potrebno dodati vanjske izvore ugljika kao što su natrijev acetat, metanol i glukoza.
U radu mnogih postrojenja za otpadne vode, nedovoljan izvor ugljika često je značajan faktor koji utječe na učinkovitost uklanjanja dušika.
4. Mjesto nastanka je različito
U uobičajenim postupcima uklanjanja dušika, dva su obično raspoređena u različitim reakcijskim zonama.
Na primjer, u A/O ili AAO procesima:
Anoksični spremnik - Denitrifikacija Aerobni spremnik - Nitrifikacija
Nitrat proizveden nitrifikacijom vraća se u anoksičnu zonu unutarnjom recirkulacijom, gdje ga dalje transformiraju denitrifikacijske bakterije.
5. Različiti konačni rezultati
Rezultat nitrifikacije je smanjenje amonijačnog dušika i povećanje nitrata
Rezultat denitrifikacije je: redukcija nitrata i proizvodnja plinovitog dušika
Drugim riječima, dušik može napustiti vodeno tijelo tek nakon završetka denitrifikacije.
IV. zapravo su štafeta
Iz holističke perspektive, nitrifikacija i denitrifikacija nisu dva neovisna procesa, već dva uzastopna koraka u biološkom uklanjanju dušika.
Cijeli proces pretvorbe dušika može se jednostavno shvatiti kao:
Amonijačni dušik → Nitritni dušik → Nitratni dušik → Nitritni dušik → Plinoviti dušik
Nitrifikacija je odgovorna za pretvaranje dušika iz amonijaka u nitrat, dok je denitrifikacija odgovorna za redukciju nitrata natrag u plinoviti dušik.
Njih dvoje su povezani poput štafete.
Ako postoji samo nitrifikacija, a ne denitrifikacija, nitrat u vodi će i dalje uzrokovati eutrofikaciju.
Ako nema nitrifikacije, nedostat će "sirovina" za denitrifikaciju.
To je također razlog zašto većina procesa uklanjanja dušika uključuje i aerobne i anoksične zone.
V. Zaključak
U području pročišćavanja otpadnih voda, mnogi koncepti mogu izgledati slični, ali temeljna logika je potpuno drugačija.
Nitrifikacija i denitrifikacija tipičan su par.
Jedan se događa u aerobnom okruženju, dok se drugi događa u anaerobnom okruženju;
Jedan je odgovoran za oksidaciju amonijskog dušika, a drugi je odgovoran za redukciju nitrata;
Tek kada se ta dva spoja mogu formirati potpuni biološki proces uklanjanja dušika.
Nakon što smo to shvatili, kada pogledamo različite procese uklanjanja dušika, kao što su A/O, AAO i oksidacijski jarak, možemo vidjeti da su svi oni optimizirani i kombinirani oko ova dva koraka.
Mnogi složeni procesi u pročišćavanju otpadnih voda, u konačnici, zapravo stvaraju pogodno "radno okruženje" za ove mikroorganizme.