Inden for spildevandsrensning er den biologiske omdannelse af kvælstof kerneprocessen for at opnå nitrogen- og fosforfjernelse og opfylde emissionsstandarder. Denne proces involverer ikke en enkelt reaktion, men snarere en koordineret gennemførelse af tre nøgletrin: ammonifikation, nitrifikation og denitrifikation. Tilsammen omdanner disse trin gradvist komplekst organisk kvælstof og uorganisk kvælstof i spildevand til harmløs nitrogengas, hvilket fundamentalt reducerer kvælstofbelastningen i vandområder.
Indledning
Kvælstof i spildevand findes primært i form af organisk nitrogen (såsom protein og urinstof) og ammoniak-nitrogen. Direkte udledning kan føre til miljøproblemer såsom eutrofiering af vandområder. Biologiske behandlingsmetoder, med deres fordele ved høj effektivitet og økonomi, er blevet den almindelige teknologi til fjernelse af nitrogen fra spildevand. Kerneprincippet er at udnytte de metaboliske aktiviteter af forskellige mikroorganismer under specifikke miljøforhold til gradvist at omdanne nitrogenelementer og i sidste ende opnå gasformig fjernelse fra vandområder til atmosfæren. Det følgende vil systematisk dissekere kernemekanismen i denne proces.
I. Ammonifikation: omdannelse af organisk nitrogen til ammoniakholdig nitrogen
Ammonifikation er det første trin i nitrogenfjernelse fra spildevand, der henviser til omdannelsen af organiske nitrogenforbindelser til
Processen lettes primært af ammonificering af bakterier. Afhængigt af iltindholdet i miljøet kan det kategoriseres i to veje: aerob transformation og anaerob transformation
1. Aerob transformation
Under aerobe forhold deltager mikroorganismer som Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus og facultative Proteus vulgaris i reaktionen, der primært nedbryder organisk nitrogen gennem to hovedmekanismer:
• Oxidativ deaminering: Under katalyse af oxidaser mister aminosyrer gradvist deres aminogrupper for at danne ketosyrer og ammoniak.
Tage alanin som et eksempel:
CH3CH(NH2)COOH→ CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3
(Alanin → Iminopropionsyre → Pyrodruesyre + Ammoniak)
• Hydrolyse af ammoniak: Under påvirkning af hydrolytiske enzymer hydrolyseres nitrogen-holdige organiske forbindelser såsom urinstof for at producere ammoniak.
Ureahydrolysereaktion:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
Bakterierne involveret i denne proces omfatter aerobe bakterier såsom Enterococcus faecalis og Bacillus urea.
2. Anaerob omdannelse
I anaerobe eller iltmangel-miljøer fuldender anaerobe og fakultative anaerobe mikroorganismer ammonifikation gennem tre veje:
• Reduktion og deaminering:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• Vand-baseret ammoniakfjernelse:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• Dehydrering og deaminering:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
II. Nitrifikation: Oxidation af ammoniak nitrogen til nitrat nitrogen
Nitrifikation er den anden kernereaktion, der oxiderer NH3−N til NOx−N, som fuldendes synergistisk af nitritbakterier og nitratbakterier og er opdelt i to trin: nitritering og nitrifikation
1. Reaktionsmekanisme
• Nitritationsreaktion (domineret af nitritbakterier):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5kJ
• Nitrifikationsreaktion (domineret af nitrobakterier):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• Overordnet reaktionsformel:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69kJ
2. Nøgleproceskarakteristika
• Højt iltbehov: Teoretisk forbrug på 4,2g pr. fjernelse af 1g, derfor skal nitrifikationsreaktionen udføres under tilstrækkelige beluftningsforhold.
• Lav væksthastighed: Nitrificerende bakterier har et ekstremt lavt celleudbytte, og de er mere tilbøjelige til utilstrækkelig aktivitet i de kolde vintermåneder. Derfor er det nødvendigt at opretholde en høj slamkoncentration for at sikre behandlingseffektiviteten.
• Alkalinitetsforbrug: Reaktionen genererer en stor mængde H+. Teoretisk forbruges 7,54 g alkalinitet (beregnet som CaCO3) for hver 1 g oxidation. Det er nødvendigt at opretholde systemets pH-stabilitet ved at tilsætte alkaliske midler.
III. Denitrifikation: Reduktion af nitratnitrogen til nitrogengas
Denitrifikation er det sidste trin i nitrogenfjernelse fra spildevand. Det refererer til den proces, hvor denitrificerende bakterier reducerer NOx−N og andre nitrogenoxider til nitrogengas eller gasformige nitrogenoxider som elektronacceptorer under anaerobe eller iltmangel-(DO < 0,3~0,5mg/L) forhold.
1. Reaktionsmekanisme
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Komplet reduktionsreaktion (med organiske forbindelser som elektrondonorer som eksempel):
NO3−+5[H] (elektrondonor) → 0,5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (elektrondonor) → 0,5N2 + H2O + OH−
2. Krav til kulstofkilde og mikrobielle egenskaber
• Kulstofforbrug: Teoretisk kræves der 2,86 g kulstofkilde for at omdanne 1 g nitratnitrogen til N2, og 1,71 g organisk stof er nødvendigt for at omdanne 1 g nitritnitrogen.
• Diversitet af elektrondonorer: [H] kan tilvejebringes af organiske forbindelser, sulfider osv., hvilket tilbyder flere muligheder for kulstofkilder til procesoptimering.
• Mikrobielle egenskaber: Denitrificerende bakterier er for det meste fakultative bakterier, som respirerer ved hjælp af O2 som den terminale elektronacceptor i nærvær af oxygen, og bruger NOx−N til respiration i fravær af oxygen. Denne egenskab er kernefundamentet for den anoxiske denitrifikationsproces.
Oversigt
Den biologiske omdannelse af nitrogen i spildevand er en kædeproces, der er indbyrdes forbundet:
Ammonifikation nedbryder organiske nitrogenmolekyler og frigiver ammoniaknitrogen;
Nitrifikation involverer den gradvise oxidation af ammoniakholdig nitrogen til nitratnitrogen i et aerobt miljø;
Denitrifikation reducerer nitratnitrogen til nitrogengas i anoxiske miljøer, hvilket i sidste ende opnår fjernelse af nitrogen fra vandområder til atmosfæren.
Den effektive drift af denne proces er afhængig af præcis kontrol over nøgleparametre såsom oxygenindhold, alkalinitet, kulstofkilde og temperatur, og fungerer som den centrale tekniske støtte til at opnå stabil nitrogenfjernelse i moderne byspildevandsanlæg og industriel spildevandsrensning.