Alhliða greining á líffræðilegu umbreytingarferli köfnunarefnis í skólpi

Á sviði skólphreinsunar er líffræðileg umbreyting köfnunarefnis kjarnaferlið til að ná nitur- og fosfórfjarlægingu og uppfylla losunarstaðla. Þetta ferli felur ekki í sér eina viðbrögð, heldur samræmda lokun þriggja lykilþrepa: ammonification, nitrification og denitrification. Saman breyta þessi skref smám saman flóknu lífrænu köfnunarefni og ólífrænu köfnunarefni í frárennslisvatni í skaðlaust köfnunarefnisgas, sem dregur í grundvallaratriðum úr köfnunarefnisálagi í vatnshlotum.

Inngangur
Köfnunarefni í skólpi er fyrst og fremst til í formi lífræns köfnunarefnis (eins og próteins og þvagefnis) og ammoníaksköfnunarefnis. Bein losun getur leitt til umhverfisvandamála eins og ofauðgunar vatnshlota. Líffræðilegar meðhöndlunaraðferðir, með kostum þeirra mikillar skilvirkni og hagkvæmni, eru orðin almenn tækni til að fjarlægja nitur úr skólpi. Meginreglan er að nýta efnaskiptavirkni mismunandi örvera við sérstakar umhverfisaðstæður til að umbreyta köfnunarefnisþáttum smám saman og að lokum ná loftkenndum flutningi úr vatnshlotum út í andrúmsloftið. Eftirfarandi mun kerfisbundið kryfja kjarnakerfi þessa ferlis.

Ammonification er fyrsta skrefið í hreinsun köfnunarefnis úr skólpvatni, sem vísar til umbreytingar lífrænna köfnunarefnissambanda í
Ferlið er fyrst og fremst auðveldað með því að ammonifying bakteríur. Það fer eftir súrefnisinnihaldi umhverfisins, það er hægt að flokka það í tvær leiðir: loftháð umbreyting og loftfirrð umbreyting
1. Loftháð umbreyting
Við loftháðar aðstæður taka örverur eins og Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus og facultative Proteus vulgaris þátt í efnahvarfinu og brjóta fyrst og fremst niður lífrænt köfnunarefni með tveimur meginaðferðum:
• Oxandi deamíneyðing: Við hvata oxidasa missa amínósýrur smám saman amínóhópa til að mynda ketósýrur og ammoníak.
Tökum alanín sem dæmi:
CH3CH(NH2)COOH→ CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3

(Alanín → Iminopropionic acid → Pyruvic acid + Ammoníak)
• Vatnsrof ammoníaks: Undir verkun vatnsrofsensíma eru köfnunarefni-sem innihalda lífræn efnasambönd eins og þvagefni vatnsrofið til að framleiða ammoníak.
Vatnsrofsviðbrögð þvagefnis:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
Bakteríurnar sem taka þátt í þessu ferli eru loftháðar bakteríur eins og Enterococcus faecalis og Bacillus urea.

2. Loftfirrt umbreyting
Í loftfirrtum eða súrefnissnauðu -umhverfi fullkomna loftfirrtar og geðrofnar loftfirrtar örverur ammonification með þremur leiðum:
• Minnkun og deamíneyðing:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• Fjarlæging ammoníak sem byggir á vatni-:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• Ofþornun og afvötnun:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
 

Nitrification er annað kjarnahvarfið sem oxar NH3−N í NOx−N, sem er samverkandi lokið af nítrítbakteríum og nítratbakteríum, og er skipt í tvö stig: nítrunar og nítrunar
1. Viðbragðsbúnaður
• Nítrunarviðbrögð (einkennist af nítrítbakteríum):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5kJ
• Nitrunarviðbrögð (einkennist af nítróbakteríum):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• Heildarhvarfsformúla:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69kJ

2. Helstu eiginleikar ferlisins
• Mikil súrefnisþörf: Fræðileg neysla upp á 4,2g fyrir hvert 1g sem er fjarlægt, því þarf að framkvæma nítrunarviðbrögðin við nægjanlegar loftræstingaraðstæður.
• Lítill vaxtarhraði: Nítrandi bakteríur hafa afar lága frumuuppskeru og þeim er hættara við ófullnægjandi virkni á köldum vetrarmánuðum. Þess vegna er nauðsynlegt að viðhalda háum seyrustyrk til að tryggja skilvirkni meðferðar.
• Basaleikanotkun: Hvarfið myndar mikið magn af H+. Fræðilega er 7,54 g af basa (reiknað sem CaCO3) neytt fyrir hvert 1g af oxun. Nauðsynlegt er að viðhalda pH stöðugleika kerfisins með því að bæta við basískum efnum.

Denitrification er lokaskrefið í því að fjarlægja nitur úr skólpvatni. Það vísar til þess ferlis þar sem afoxandi bakteríur minnka NOx−N og önnur köfnunarefnisoxíð í köfnunarefnisgas eða loftkennd köfnunarefnisoxíð sem rafeindaviðtaka við loftfirrðar eða súrefnisskortur (DO < 0,3~0,5mg/L) aðstæður.
1. Viðbragðsbúnaður
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Fullkomið afoxunarhvarf (tekin lífræn efnasambönd sem rafeindagjafa sem dæmi):
NO3−+5[H] (rafeindagjafi) → 0,5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (rafeindagjafi) → 0,5N2 + H2O + OH−

2. Kröfur um kolefnisgjafa og örverueiginleikar

• Kolefnisnotkun: Fræðilega þarf 2,86g af kolefnisgjafa til að breyta 1g af nítratköfnunarefni í N2 og 1,71g af lífrænu efni þarf til að breyta 1g af nítrítköfnunarefni.
• Fjölbreytileiki rafeindagjafa: [H] er hægt að veita með lífrænum efnasamböndum, súlfíðum o.s.frv., sem býður upp á marga möguleika á kolefnisgjafa til hagræðingar ferlisins.
• Örverueiginleikar: Denitrifying bakteríur eru aðallega geðrænar bakteríur, sem anda með því að nota O2 sem enda rafeindaviðtakann í nærveru súrefnis, og nota NOx−N til öndunar í fjarveru súrefnis. Þessi eiginleiki er kjarninn í anoxískum denitrification ferli.
 

Samantekt
Líffræðileg umbreyting köfnunarefnis í skólpi er keðjuferli sem er samtengt:
Ammonification brýtur niður lífrænar köfnunarefnissameindir, losar ammoníak köfnunarefni;
Nitrification felur í sér smám saman oxun ammoníak köfnunarefnis í nítrat köfnunarefni í loftháðu umhverfi;
Denitrification dregur úr nítratköfnunarefni í köfnunarefnisgas í súrefnislausu umhverfi, sem að lokum nær að fjarlægja köfnunarefni úr vatnshlotum út í andrúmsloftið.
Skilvirkur rekstur þessa ferlis byggir á nákvæmri stjórn á lykilstærðum eins og súrefnisinnihaldi, basa, kolefnisgjafa og hitastigi, og þjónar sem kjarna tæknilega stuðningur til að ná stöðugri nitureyðingu í nútíma skólpsverksmiðjum í þéttbýli og meðhöndlun iðnaðar frárennslisvatns.