Nuotekų valymo srityje biologinė azoto transformacija yra pagrindinis procesas, skirtas azoto ir fosforo pašalinimui ir emisijos standartų reikalavimams pasiekti. Šis procesas apima ne vieną reakciją, o suderintą trijų pagrindinių žingsnių užbaigimą: amonifikavimą, nitrifikaciją ir denitrifikaciją. Kartu atliekant šiuos veiksmus kompleksinis organinis azotas ir neorganinis azotas nuotekose palaipsniui paverčiamas nekenksmingomis azoto dujomis, iš esmės sumažinant azoto apkrovą vandens telkiniuose.
Įvadas
Azotas nuotekose daugiausia yra organinio azoto (pvz., baltymų ir karbamido) ir amoniakinio azoto pavidalu. Tiesioginis išleidimas gali sukelti aplinkos problemų, pavyzdžiui, vandens telkinių eutrofikaciją. Biologiniai valymo metodai, pasižymintys dideliu efektyvumu ir ekonomiškumu, tapo pagrindine azoto šalinimo iš nuotekų technologija. Pagrindinis principas yra panaudoti įvairių mikroorganizmų metabolinę veiklą tam tikromis aplinkos sąlygomis, kad azoto elementai palaipsniui transformuotųsi ir galiausiai būtų pasiektas dujų pašalinimas iš vandens telkinių į atmosferą. Toliau bus sistemingai išaiškintas pagrindinis šio proceso mechanizmas.
I. Amonifikacija: organinio azoto pavertimas amoniakiniu azotu
Amonifikacija yra pirmasis azoto pašalinimo iš nuotekų žingsnis, susijęs su organinių azoto junginių pavertimu į
Procesą pirmiausia palengvina amonifikuojančios bakterijos. Priklausomai nuo deguonies kiekio aplinkoje, jis gali būti suskirstytas į du būdus: aerobinę transformaciją ir anaerobinę transformaciją.
1. Aerobinė transformacija
Aerobinėmis sąlygomis reakcijoje dalyvauja mikroorganizmai, tokie kaip Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus ir fakultatyvinis Proteus vulgaris, pirmiausia skaidydami organinį azotą dviem pagrindiniais mechanizmais:
• Oksidacinis deamininimas: katalizuojant oksidazėms aminorūgštys palaipsniui praranda savo aminogrupes, kad susidarytų keto rūgštys ir amoniakas.
Pavyzdžiui, alaninas:
CH3CH(NH2)COOH → CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3
(alaninas → iminopropiono rūgštis → piruvo rūgštis + amoniakas)
• Amoniako hidrolizė: veikiant hidroliziniams fermentams, azoto{0}}turintys organiniai junginiai, pvz., karbamidas, hidrolizuojami ir susidaro amoniakas.
Karbamido hidrolizės reakcija:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
Šiame procese dalyvaujančios bakterijos yra aerobinės bakterijos, tokios kaip Enterococcus faecalis ir Bacillus urea.
2. Anaerobinė konversija
Anaerobinėje ar deguonies -trūkumo aplinkoje anaerobiniai ir fakultatyviniai anaerobiniai mikroorganizmai amonifikaciją užbaigia trimis būdais:
• Redukcija ir deamininimas:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• Vandens{0}} amoniako šalinimas:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• Dehidratacija ir deaminacija:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
II. Nitrifikacija: amoniakinio azoto oksidacija į nitratinį azotą
Nitrifikacija yra antroji pagrindinė reakcija, kuri oksiduoja NH3-N į NOx-N, kurią sinergiškai užbaigia nitritinės ir nitratinės bakterijos, ir yra padalinta į du etapus: nitritavimą ir nitrifikaciją.
1. Reakcijos mechanizmas
• Nitritavimo reakcija (vyrauja nitritinės bakterijos):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5kJ
• Nitrifikacijos reakcija (dominuoja nitrobakterijos):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• Bendra reakcijos formulė:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69kJ
2. Pagrindinės proceso charakteristikos
• Didelis deguonies poreikis: Teorinis suvartojimas 4,2g vienam 1g pašalinimui, todėl nitrifikacijos reakcija turi būti vykdoma esant pakankamoms aeracijos sąlygoms.
• Mažas augimo greitis: Nitrifikuojančios bakterijos pasižymi itin mažu ląstelių derliumi, todėl jos yra labiau linkusios į nepakankamą aktyvumą šaltais žiemos mėnesiais. Todėl, siekiant užtikrinti valymo efektyvumą, būtina palaikyti didelę dumblo koncentraciją.
• Šarmingumo suvartojimas: reakcijos metu susidaro didelis kiekis H+. Teoriškai kiekvienam 1 g oksidacijos sunaudojama 7,54 g šarmingumo (skaičiuojant CaCO3). Būtina palaikyti sistemos pH stabilumą pridedant šarminių medžiagų.
III. Denitrifikacija: nitrato azoto redukcija į azoto dujas
Denitrifikacija yra paskutinis azoto pašalinimo iš nuotekų etapas. Tai reiškia procesą, kai denitrifikuojančios bakterijos NOx−N ir kitus azoto oksidus redukuoja į azoto dujas arba dujinius azoto oksidus kaip elektronų akceptorius anaerobinėmis arba deguonies -trūkumo sąlygomis (DO < 0,3–0,5 mg/L).
1. Reakcijos mechanizmas
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Visiška redukcijos reakcija (pavyzdžiui, organiniai junginiai yra elektronų donorai):
NO3−+5[H] (elektronų donoras) → 0,5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (elektronų donoras) → 0,5N2 + H2O + OH−
2. Reikalavimai anglies šaltiniams ir mikrobų charakteristikos
• Anglies šaltinio suvartojimas: teoriškai, norint paversti 1 g nitratinio azoto į N2, reikia 2,86 g anglies šaltinio, o 1 g nitrito azoto paversti reikia 1,71 g organinių medžiagų.
• Elektronų donorų įvairovė: [H] gali būti teikiamas organiniais junginiais, sulfidais ir kt., todėl proceso optimizavimui siūlomos kelios anglies šaltinio galimybės.
• Mikrobų charakteristikos: Denitrifikuojančios bakterijos dažniausiai yra fakultatyvinės bakterijos, kurios kvėpuoja naudodamos O2 kaip galinį elektronų akceptorių, kai yra deguonies, ir NOx−N naudoja kvėpavimui, kai nėra deguonies. Ši savybė yra pagrindinis anoksinio denitrifikacijos proceso pagrindas.
Santrauka
Biologinė azoto transformacija nuotekose yra grandininis procesas, kuris yra tarpusavyje susijęs:
Amonifikacija ardo organinio azoto molekules, išskirdama amoniakinį azotą;
Nitrifikacija apima laipsnišką amoniakinio azoto oksidaciją į nitratinį azotą aerobinėje aplinkoje;
Denitrifikacija sumažina nitratinį azotą į azoto dujas anoksinėje aplinkoje, galiausiai pasiekdamas azoto pašalinimą iš vandens telkinių į atmosferą.
Veiksmingas šio proceso veikimas priklauso nuo tikslios pagrindinių parametrų, tokių kaip deguonies kiekis, šarmingumas, anglies šaltinis ir temperatūra, valdymo, ir yra pagrindinė techninė pagalba, užtikrinanti stabilų azoto pašalinimą šiuolaikinėse miesto nuotekų gamyklose ir pramoninių nuotekų valymo įrenginiuose.