Forvirrende indikatorer i spildevandsbehandling: nitrifikation og denitrifikation

I den daglige drift af spildevandsrensning høres ofte to begreber: nitrifikation og denitrifikation. Mange mennesker, der er nye til spildevandsrensning, har en tendens til at forveksle disse to begreber. På trods af deres lignende navne, som begge kredser om karakteren "硝", spiller de faktisk helt forskellige roller i spildevandsrensning.

Enkelt sagt er nitrifikation ansvarlig for at omdanne ammoniak nitrogen til nitrat, mens denitrifikation er ansvarlig for at omdanne nitrat til nitrogengas. Den ene er en oxidationsproces, og den anden er en reduktionsproces. De to processer er som et stafetløb, og først når de er gennemført i koordination, kan nitrogen i spildevand for alvor fjernes.

Når først dette punkt er forstået, bliver logikken bag forskellige nitrogenfjernelsesprocesser, såsom A/O, AAO og oxidationsgrøft, meget klarere.

I husholdningsspildevand og mange industrispildevand findes kvælstof primært i form af ammoniak-kvælstof. Hvis ammoniak-kvælstof udledes direkte i vandområder, kan det let føre til eutrofiering og også have toksiske effekter på vandlevende organismer som fisk. Derfor skal renseanlæggene først omdanne ammoniak-kvælstof.

Denne transformationsproces er kendt som nitrifikation.

Nitrifikation er faktisk en oxidationsproces udført af mikroorganismer, som groft kan opdeles i to trin:

Det første trin er oxidationen af ​​ammoniak nitrogen til nitrit
Trin 2: Nitrit oxideres yderligere til nitrat

Hele processen kræver tilstrækkelig ilt, så nitrifikation sker typisk i aerobe miljøer, såsom beluftningstanke eller MBR biokemiske tanke.

Mikroorganismerne involveret i denne proces er kendt som nitrificerende bakterier. De adskiller sig fra almindelige heterotrofe bakterier ved, at de tilhører den autotrofe kategori, der primært får energi fra uorganiske stoffer. Deres væksthastighed er relativt langsom, og de er også følsomme over for miljøændringer.

Det er også grunden til, at mange spildevandsrensningsanlæg har en tendens til at opleve et fald i nitrifikationskapaciteten om vinteren.

Selvom nitrifikation har løst problemet med ammoniak-nitrogen, er nitrogenet i vandet ikke rigtigt forsvundet på dette tidspunkt; den har blot forvandlet sig fra en form til en anden. For virkelig at "fjerne" nitrogen fra spildevand skal det andet trin - denitrifikation - fuldføres.

Denitrifikation er en reduktionsproces. I et anaerobt miljø udnytter mikroorganismer ilten i nitrat og reducerer det gradvist til nitrogengas. Reaktionsvejen er groft sagt som følger:

Nitrat → Nitrit → Dinitrogenoxid → Dinitrogenoxid → Nitrogen

Den endeligt genererede nitrogengas (N₂)* vil blive frigivet til luften i gasform, således at nitrogenet i spildevandet virkelig fjernes. De mikroorganismer, der fuldender denne proces, kaldes denitrificerende bakterier. I modsætning til nitrificerende bakterier tilhører de heterotrofe bakterier og kræver organisk kulstof som energikilde.

Det er også grunden til, at mange spildevandsrensningsanlæg skal tilføre kulstofkilder under nitrogenfjernelse.

Hvis vi ser disse to processer sammen, vil vi opdage, at de er diametralt modsatte i mange aspekter.

1. Forskellige iltforhold

Nitrifikation skal ske i et aerobt miljø, hvilket typisk kræver, at niveauet af opløst ilt holdes på omkring 2 mg/L.

Denitrifikation kræver et anaerobt miljø med opløst ilt, der holdes under 0,5 mg/L. Hvis der er for meget ilt, vil denitrificerende bakterier foretrække at udnytte ilt frem for nitrat.

Enkelt sagt trives nitrifikation i ilt, mens denitrifikation hæmmes af ilt.

2. Forskellige typer mikroorganismer

Nitrifikation udføres primært af nitrificerende bakterier, som omfatter nitrosomonas og nitrobacter

Disse bakterier tilhører autotrofe bakterier, som vokser langsomt og kræver en længere slamalder.

Denitrifikation udføres af denitrificerende bakterier, som tilhører kategorien heterotrofe bakterier og udviser en relativt hurtigere væksthastighed.

3. Forskellige krav til kulstofkilde

Nitrificerende bakterier udnytter primært uorganiske stoffer til energi og er generelt ikke afhængige af organiske kulstofkilder.

Denitrificerende bakterier kræver organisk kulstof som elektrondonor. Når det tilgængelige organiske stof i spildevandet er utilstrækkeligt, er det derfor ofte nødvendigt at tilføje eksterne kulstofkilder såsom natriumacetat, methanol og glucose.

I driften af ​​mange spildevandsanlæg er utilstrækkelig kulstofkilde ofte en væsentlig faktor, der påvirker effektiviteten af ​​nitrogenfjernelse.

4. Stedet for forekomsten er anderledes

I almindelige nitrogenfjernelsesprocesser er de to normalt arrangeret i forskellige reaktionszoner.

For eksempel i A/O- eller AAO-processer:

Anoxisk tank - Denitrifikation Aerob tank - Nitrifikation

Det nitrat, der produceres ved nitrifikation, vender tilbage til den anoxiske zone via intern recirkulation, hvor det omdannes yderligere af denitrificerende bakterier.
5. Forskellige endelige resultater

Resultatet af nitrifikation er et fald i ammoniak-nitrogen og en stigning i nitrat

Resultatet af denitrifikation er: reduktion af nitrat og produktion af nitrogengas

Kvælstof kan med andre ord først forlade vandmassen, efter at denitrifikationen er afsluttet.

Fra et holistisk perspektiv er nitrifikation og denitrifikation ikke to uafhængige processer, men derimod to på hinanden følgende trin i biologisk nitrogenfjernelse.

Hele nitrogenomdannelsesprocessen kan ganske enkelt forstås som:

Ammoniak nitrogen → Nitrit nitrogen → Nitrat nitrogen → Nitrit nitrogen → Nitrogengas

Nitrifikation er ansvarlig for at omdanne ammoniak nitrogen til nitrat, mens denitrifikation er ansvarlig for at reducere nitrat tilbage til nitrogengas.
De to er forbundet som et stafetløb.

Hvis der kun er nitrifikation og ingen denitrifikation, vil nitratet i vandet stadig forårsage eutrofiering.
Hvis der ikke er nitrifikation, vil der mangle "råvarer" til denitrifikation.

Dette er også grunden til, at de fleste nitrogenfjernelsesprocesser inkorporerer både aerobe og anoxiske zoner.

Inden for spildevandsbehandling kan mange begreber se ens ud, men den bagvedliggende logik er en helt anden.

Nitrifikation og denitrifikation er et typisk par.

Den ene forekommer i et aerobt miljø, mens det andet forekommer i et anaerobt miljø;
Den ene er ansvarlig for at oxidere ammoniak nitrogen, og den anden er ansvarlig for at reducere nitrat;
Først når de to kombineres, kan der dannes en fuldstændig biologisk nitrogenfjernelsesproces.

Når vi har forstået dette, når vi ser på forskellige nitrogenfjernelsesprocesser, såsom A/O, AAO og oxidationsgrøft, kan vi se, at de alle er optimeret og kombineret omkring disse to trin.

Mange komplekse processer i spildevandsrensning skaber i sidste ende et passende "arbejdsmiljø" for disse mikroorganismer.