A szennyvíztisztítás napi működése során gyakran hallható két kifejezés: nitrifikáció és denitrifikáció. Sokan, akik még nem ismerik a szennyvízkezelést, hajlamosak összekeverni ezt a két fogalmat. A hasonló nevük ellenére, mindkettő a "硝" karakter körül forog, valójában teljesen más szerepet töltenek be a szennyvízkezelésben.
Egyszerűen fogalmazva, a nitrifikáció felelős az ammónia-nitrogén nitráttá, míg a denitrifikáció a nitrát nitrogéngázzá történő átalakításáért. Az egyik egy oxidációs folyamat, a másik egy redukciós folyamat. A két folyamat olyan, mint egy váltóverseny, és csak akkor lehet igazán eltávolítani a szennyvíz nitrogénjét, ha összehangoltan fejeződnek be.
Ha ezt a pontot megértjük, sokkal világosabbá válik a különféle nitrogéneltávolítási folyamatok mögötti logika, mint például az A/O, AAO és az oxidációs árok.
I. Nitrifikáció: ammónia-nitrogén átalakítása nitráttá
A háztartási szennyvízben és számos ipari szennyvízben a nitrogén elsősorban ammónia-nitrogén formájában van jelen. Ha az ammónia-nitrogént közvetlenül a víztestekbe juttatják, az könnyen eutrofizációhoz vezethet, és mérgező hatást gyakorolhat a vízi szervezetekre, például a halakra. Ezért a szennyvíztisztító telepeknek először az ammónia-nitrogént kell átalakítaniuk.
Ezt az átalakulási folyamatot nitrifikációnak nevezik.
A nitrifikáció valójában egy mikroorganizmusok által végrehajtott oxidációs folyamat, amely nagyjából két lépésre osztható:
Az első lépés az ammónia-nitrogén oxidációja nitritté
2. lépés: A nitritet tovább oxidálják nitráttá
Az egész folyamat elegendő oxigént igényel, ezért a nitrifikáció jellemzően aerob környezetben, például levegőztető tartályokban vagy MBR biokémiai tartályokban történik.
Az ebben a folyamatban részt vevő mikroorganizmusokat nitrifikáló baktériumoknak nevezik. Abban különböznek a közönséges heterotróf baktériumoktól, hogy az autotróf kategóriába tartoznak, elsősorban szervetlen anyagokból nyernek energiát. Növekedési ütemük viszonylag lassú, a környezeti változásokra is érzékenyek.
Ez az oka annak is, hogy sok szennyvíztisztító telepen télen csökken a nitrifikációs kapacitás.
II. Denitrifikáció: nitrát nitrogéngázzá alakítása
Bár a nitrifikáció megoldotta az ammónia-nitrogén problémáját, a nitrogén a vízben ezen a ponton nem tűnt el igazán; csupán átalakult egyik formából a másikba. Ahhoz, hogy valóban „eltávolítsuk” a nitrogént a szennyvízből, be kell fejezni a - denitrifikáció - második lépését.
A denitrifikáció redukciós folyamat. Anaerob környezetben a mikroorganizmusok a nitrátban lévő oxigént hasznosítják, fokozatosan nitrogéngázzá redukálva. A reakció folyamata nagyjából a következő:
Nitrát → Nitrit → Dinitrogén-oxid → Dinitrogén-oxid → Nitrogén
A végül keletkezett nitrogéngáz (N2)* gáznemű formában kerül a levegőbe, így a szennyvízben lévő nitrogén valóban eltávozik. Azokat a mikroorganizmusokat, amelyek ezt a folyamatot befejezik, denitrifikáló baktériumoknak nevezik. A nitrifikáló baktériumokkal ellentétben ezek a heterotróf baktériumok közé tartoznak, és energiaforrásként szerves szenet igényelnek.
Ezért is kell sok szennyvíztisztító telepen szénforrást hozzáadni a nitrogéneltávolítás során.
III. Számos fő különbség a nitrifikáció és a denitrifikáció között
Ha ezt a két folyamatot együtt nézzük, azt találjuk, hogy sok szempontból homlokegyenest ellentétesek.
1. Különböző oxigénviszonyok
A nitrifikációnak aerob környezetben kell megtörténnie, ami általában megköveteli, hogy az oldott oxigén szintjét 2 mg/l körüli értéken tartsák.
A denitrifikációhoz olyan anaerob környezetre van szükség, amelyben az oldott oxigén értéke 0,5 mg/l alatt van. Ha túl sok az oxigén, a denitrifikáló baktériumok szívesebben használják az oxigént, mint a nitrátot.
Egyszerűen fogalmazva, a nitrifikáció az oxigénben virágzik, míg a denitrifikációt az oxigén gátolja.
2. Különböző típusú mikroorganizmusok
A nitrifikációt elsősorban nitrifikáló baktériumok végzik, köztük a nitrosomonas és a nitrobacter
Ezek a baktériumok az autotróf baktériumok közé tartoznak, amelyek lassan szaporodnak és hosszabb iszapkort igényelnek.
A denitrifikációt denitrifikáló baktériumok végzik, amelyek a heterotróf baktériumok kategóriába tartoznak, és viszonylag gyorsabban szaporodnak.
3. Különböző szénforrás-követelmények
A nitrifikáló baktériumok elsősorban szervetlen anyagokat használnak fel energiára, és általában nem támaszkodnak szerves szénforrásokra.
A denitrifikáló baktériumok szerves szenet igényelnek elektrondonorként. Ezért, ha a szennyvízben a rendelkezésre álló szerves anyag nem elegendő, gyakran szükség van külső szénforrások, például nátrium-acetát, metanol és glükóz hozzáadására.
Számos szennyvíztelep működése során a nitrogéneltávolítás hatékonyságát gyakran jelentős tényező a nem megfelelő szénforrás.
4. Az előfordulás helye eltérő
A szokásos nitrogéneltávolítási eljárásokban a kettő általában különböző reakciózónákba rendeződik.
Például A/O vagy AAO folyamatokban:
Anoxikus tartály - Denitrifikáció Aerob tartály - Nitrifikáció
A nitrifikáció során keletkező nitrát belső recirkulációval visszakerül az anoxikus zónába, ahol a denitrifikáló baktériumok tovább alakítják.
5. Különböző végeredmények
A nitrifikáció eredménye az ammónia nitrogén csökkenése és a nitrát növekedése
A denitrifikáció eredménye: a nitrát redukciója és a nitrogéngáz termelése
Más szóval, a nitrogén csak a denitrifikáció befejezése után hagyhatja el a víztestet.
IV. valójában egy váltóverseny
Holisztikus szempontból a nitrifikáció és a denitrifikáció nem két független folyamat, hanem a biológiai nitrogéneltávolítás két egymást követő lépése.
A teljes nitrogénátalakítási folyamat egyszerűen felfogható:
Ammóniás nitrogén → Nitrit nitrogén → Nitrát nitrogén → Nitrit nitrogén → Nitrogén gáz
A nitrifikáció felelős az ammónia-nitrogén nitráttá alakításáért, míg a denitrifikáció a nitrát nitrogéngázzá történő visszaredukálásáért.
A kettő úgy kapcsolódik egymáshoz, mint egy váltóverseny.
Ha csak nitrifikáció van, denitrifikáció nincs, a vízben lévő nitrát akkor is eutrofizációt okoz.
Ha nincs nitrifikáció, akkor hiányozni fog a denitrifikáció "alapanyaga".
Ez az oka annak is, hogy a legtöbb nitrogéneltávolítási folyamat aerob és anoxikus zónákat is tartalmaz.
V. Következtetés
A szennyvízkezelés területén sok fogalom hasonlónak tűnhet, de a mögöttes logika teljesen más.
A nitrifikáció és a denitrifikáció tipikus párja.
Az egyik aerob környezetben, míg a másik anaerob környezetben fordul elő;
Az egyik az ammónia-nitrogén oxidálásáért, a másik a nitrát redukálásáért felelős;
Csak a kettő kombinálásával jöhet létre egy teljes biológiai nitrogéneltávolítási folyamat.
Ennek megértése után, ha megvizsgáljuk a különböző nitrogéneltávolítási folyamatokat, mint például az A/O, AAO és az oxidációs árok, láthatjuk, hogy ezek mind e két lépés köré vannak optimalizálva és kombinálva.
A szennyvíztisztítás számos összetett folyamata végső soron megfelelő "munkakörnyezetet" teremt ezeknek a mikroorganizmusoknak.