A szennyvízben lévő nitrogén biológiai átalakulási folyamatának átfogó elemzése

A szennyvíztisztítás területén a nitrogén biológiai átalakulása a nitrogén- és foszforeltávolítás és a kibocsátási normák teljesítésének alapvető folyamata. Ez a folyamat nem egyetlen reakciót foglal magában, hanem három kulcsfontosságú lépés összehangolt végrehajtását: az ammonifikációt, a nitrifikációt és a denitrifikációt. Ezek a lépések együttesen a szennyvízben lévő komplex szerves nitrogént és szervetlen nitrogént fokozatosan ártalmatlan nitrogéngázzá alakítják, alapvetően csökkentve a víztestek nitrogénterhelését.

Bevezetés
A szennyvízben lévő nitrogén elsősorban szerves nitrogén (például fehérje és karbamid) és ammónia-nitrogén formájában létezik. A közvetlen kibocsátás olyan környezeti problémákhoz vezethet, mint a víztestek eutrofizációja. A biológiai tisztítási módszerek nagy hatékonysággal és gazdaságosságukkal a szennyvíz nitrogén eltávolításának fő technológiájává váltak. Az alapelv az, hogy a különböző mikroorganizmusok anyagcsere-tevékenységét speciális környezeti feltételek mellett hasznosítsák a nitrogénelemek fokozatos átalakítására, ami végső soron gáznemű eltávolítást ér el a víztestekből a légkörbe. Az alábbiakban szisztematikusan boncolgatjuk ennek a folyamatnak a fő mechanizmusát.

Az ammonifikáció a szennyvíz nitrogén eltávolításának első lépése, amely a szerves nitrogénvegyületek átalakulását jelenti.
A folyamatot elsősorban az ammonifikáló baktériumok segítik elő. A környezet oxigéntartalmától függően két útra osztható: aerob átalakulás és anaerob átalakulás.
1. Aerob átalakulás
Aerob körülmények között olyan mikroorganizmusok vesznek részt a reakcióban, mint az Aeromonas hydrophila, a Bacillus cereus és a fakultatív Proteus vulgaris, amelyek elsősorban a szerves nitrogént két fő mechanizmuson keresztül bontják le:
• Oxidatív dezamináció: Az oxidázok katalízise során az aminosavak fokozatosan elveszítik aminocsoportjaikat, így ketosavak és ammónia keletkezik.
Példaként az alanint vesszük:
CH3CH(NH2)COOH → CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3

(Alanin → Iminopropionsav → Piruborsav + Ammónia)
• Az ammónia hidrolízise: Hidrolitikus enzimek hatására a nitrogén{0}}tartalmú szerves vegyületek, például a karbamid hidrolizálódnak, és ammónia keletkezik.
Karbamid hidrolízis reakció:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
A folyamatban részt vevő baktériumok közé tartoznak az olyan aerob baktériumok, mint az Enterococcus faecalis és a Bacillus urea.

2. Anaerob konverzió
Anaerob vagy oxigénhiányos{0}}környezetben az anaerob és fakultatív anaerob mikroorganizmusok három úton hajtják végre az ammonifikációt:
• Redukció és dezaminálás:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• Víz{0}}alapú ammónia eltávolítás:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• Kiszáradás és dezaminálás:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
 

A nitrifikáció a második magreakció, amely az NH3-N-t NOx-N-vé oxidálja, amelyet a nitrit- és nitrátbaktériumok szinergikusan kiegészítenek, és két szakaszra oszlik: nitritációra és nitrifikációra.
1. Reakciómechanizmus
• Nitritációs reakció (a nitrit baktériumok uralják):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5kJ
• Nitrifikációs reakció (a nitrobaktériumok uralják):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• A reakció általános képlete:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69kJ

2. Főbb folyamatjellemzők
• Magas oxigénigény: Elméleti fogyasztás 4,2g 1g eltávolításonként, ezért a nitrifikációs reakciót megfelelő levegőztetési körülmények között kell végrehajtani.
• Alacsony szaporodási sebesség: A nitrifikáló baktériumok rendkívül alacsony sejthozammal rendelkeznek, és a hideg téli hónapokban hajlamosabbak az elégtelen aktivitásra. Ezért szükséges a magas iszapkoncentráció fenntartása a kezelés hatékonyságának biztosítása érdekében.
• Lúgosság fogyasztás: A reakció során nagy mennyiségű H+. keletkezik. Elméletileg 7,54 g lúgosság (CaCO3-ként számolva) fogy minden 1 g oxidációhoz. A rendszer pH-jának stabilitását lúgos szerek hozzáadásával kell fenntartani.

A denitrifikáció a nitrogén szennyvízből történő eltávolításának utolsó lépése. Arra a folyamatra vonatkozik, amelyben a denitrifikáló baktériumok NOx-N-t és más nitrogén-oxidokat redukálnak nitrogéngázzá vagy gáznemű nitrogén-oxidokká, mint elektronakceptorok anaerob vagy oxigénhiányos (DO < 0,3-0,5 mg/L) körülmények között.
1. Reakciómechanizmus
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Teljes redukciós reakció (például a szerves vegyületeket tekintve elektrondonornak):
NO3−+5[H] (elektrondonor) → 0,5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (elektrondonor) → 0,5N2 + H2O + OH−

2. A szénforrás követelményei és a mikrobiális jellemzők

• Szénforrás felhasználás: Elméletileg 2,86 g szénforrás szükséges 1 g nitrát nitrogén N2-vé alakításához, és 1,71 g szerves anyag szükséges 1 g nitrit nitrogén átalakításához.
• Elektrondonorok sokfélesége: A [H]-t szerves vegyületek, szulfidok stb. biztosíthatják, ami többféle szénforrás lehetőséget kínál a folyamatok optimalizálásához.
• Mikrobiális jellemzők: A denitrifikáló baktériumok többnyire fakultatív baktériumok, amelyek oxigén jelenlétében terminális elektronakceptorként O2-t használnak, oxigén hiányában pedig NOx−N-t használnak légzésre. Ez a jellemző az anoxikus denitrifikációs folyamat alapvető alapja.
 

Összegzés
A nitrogén biológiai átalakulása a szennyvízben egy láncfolyamat, amely összekapcsolódik:
Az ammonifikáció lebontja a szerves nitrogénmolekulákat, ammónia-nitrogén szabadul fel;
A nitrifikáció magában foglalja az ammóniás nitrogén fokozatos oxidációját nitrát nitrogénné aerob környezetben;
A denitrifikáció a nitrát nitrogént nitrogéngázzá redukálja anoxikus környezetben, ami végső soron a nitrogén eltávolítását a víztestekből a légkörbe.
Ennek az eljárásnak a hatékony működése az olyan kulcsparaméterek pontos szabályozásán alapul, mint az oxigéntartalom, lúgosság, szénforrás és hőmérséklet, és alapvető műszaki támogatásként szolgál a stabil nitrogéneltávolítás eléréséhez a modern városi szennyvíztelepeken és az ipari szennyvízkezelésben.