Ruglingsvísar í skólphreinsun: Nitrification og denitrification

Í daglegum rekstri skólphreinsunar heyrast oft tvö hugtök: nitrification og denitrification. Margir sem eru nýir í skólphreinsun hafa tilhneigingu til að rugla saman þessum tveimur hugtökum. Þrátt fyrir svipuð nöfn, sem báðar snúast um persónuna „硝“, gegna þeir í raun allt öðrum hlutverkum í skólphreinsun.

Í einföldu máli er nítrunarábyrgð ábyrg fyrir því að umbreyta ammoníak köfnunarefni í nítrat, en denitrification er ábyrg fyrir því að breyta nítrati í köfnunarefnisgas. Annað er oxunarferli og hitt er afoxunarferli. Ferlarnir tveir eru eins og boðhlaup og aðeins þegar þeim er lokið í samhæfingu er hægt að fjarlægja köfnunarefni í skólpi.

Þegar þetta atriði hefur verið skilið, verður rökfræðin á bak við ýmis köfnunarefnisfjarlægingarferli, eins og A/O, AAO og oxunarskurður, mun skýrari.

Í skólpi heimilisins og mörgum iðnaðarafrennslisvatni er köfnunarefni fyrst og fremst til í formi ammoníaksköfnunarefnis. Ef ammoníak köfnunarefni er beint út í vatnshlot getur það auðveldlega leitt til ofauðgunar og einnig haft eituráhrif á vatnalífverur eins og fiska. Því þurfa skólphreinsistöðvar að umbreyta ammoníak köfnunarefni fyrst.

Þetta umbreytingarferli er þekkt sem nitrification.

Nitrification er í raun oxunarferli framkvæmt af örverum, sem gróflega má skipta í tvö skref:

Fyrsta skrefið er oxun ammoníak köfnunarefnis í nítrít
Skref 2: Nítrít er frekar oxað í nítrat

Allt ferlið krefst nægilegs súrefnis, þannig að nítrification á sér stað venjulega í loftháðu umhverfi, svo sem loftunargeymum eða MBR lífefnatankum.

Örverurnar sem taka þátt í þessu ferli eru þekktar sem nítrunarbakteríur. Þær eru frábrugðnar venjulegum heterotrophic bakteríum að því leyti að þær tilheyra sjálfvirkum flokki, fyrst og fremst fá orku úr ólífrænum efnum. Vaxtarhraði þeirra er tiltölulega hægur og þeir eru einnig viðkvæmir fyrir umhverfisbreytingum.

Þetta er líka ástæðan fyrir því að margar skólphreinsistöðvar hafa tilhneigingu til að upplifa samdrátt í nítrunargetu á veturna.

Þó nítrification hafi leyst vandamál ammoníak köfnunarefnis, köfnunarefni í vatninu hefur ekki raunverulega horfið á þessum tímapunkti; það hefur aðeins breyst úr einni mynd í aðra. Til að raunverulega "fjarlægja" köfnunarefni úr frárennslisvatni, þarf að ljúka öðru skrefi - denitrification -.

Denitrification er minnkunarferli. Í loftfirrtu umhverfi nýta örverur súrefnið í nítrati og minnka það smám saman í köfnunarefnisgas. Viðbragðsferillinn er í grófum dráttum sem hér segir:

Nítrat → Nítrít → Nituroxíð → Nituroxíð → Nitur

Lokamyndað köfnunarefnisgas (N₂)* verður sleppt út í loftið í loftkenndu formi, þannig er köfnunarefnið í skólpinu sannarlega fjarlægt. Örverurnar sem ljúka þessu ferli eru kallaðar denitrifying bakteríur. Ólíkt nítrunargerlum tilheyra þær heterotrophic bakteríum og þurfa lífrænt kolefni sem orkugjafa.

Þetta er líka ástæðan fyrir því að margar skólphreinsistöðvar þurfa að bæta við kolefnisgjöfum við brottnám niturs.

Ef við skoðum þessa tvo ferla saman munum við komast að því að þeir eru öfugsnúnir á mörgum sviðum.

1. Mismunandi súrefnisskilyrði

Nitrification verður að eiga sér stað í loftháðu umhverfi, sem venjulega krefst þess að magn uppleysts súrefnis sé haldið í kringum 2 mg/L.

Denitrification krefst loftfirrts umhverfi með uppleystu súrefni sem haldið er undir 0,5 mg/L. Ef það er of mikið súrefni, munu bakteríur sem eru með afeitrun kjósa að nýta súrefni frekar en nítrat.

Í einföldu máli þrífst nitrification í súrefni, en denitrification er hamlað af súrefni.

2. Mismunandi gerðir örvera

Nitrunar er fyrst og fremst framkvæmt með nítrunargerlum, þar á meðal nitrosomonas og nitrobacter

Þessar bakteríur tilheyra sjálfvirkum bakteríum, sem vaxa hægt og þurfa lengri seyrualdur.

Denitrification fer fram með denitrifying bakteríum, sem tilheyra heterotrophic bakteríum flokki og sýna tiltölulega hraðari vaxtarhraða.

3. Mismunandi kröfur um kolefnisgjafa

Nitrandi bakteríur nýta fyrst og fremst ólífræn efni til orku og treysta almennt ekki á lífræna kolefnisgjafa.

Denitrifying bakteríur þurfa lífrænt kolefni sem rafeindagjafa. Þess vegna, þegar tiltækt lífrænt efni í frárennslisvatni er ófullnægjandi, er oft nauðsynlegt að bæta við ytri kolefnisgjöfum eins og natríumasetati, metanóli og glúkósa.

Í rekstri margra frárennslisstöðva er ófullnægjandi kolefnisgjafi oft mikilvægur þáttur sem hefur áhrif á skilvirkni köfnunarefnisfjarlægingar.

4. Staðsetning atviksins er önnur

Í algengum köfnunarefnisfjarlægingarferlum er þessu tvennu venjulega raðað á mismunandi hvarfsvæði.

Til dæmis, í A/O eða AAO ferlum:

Anoxic tankur - Denitrification Loftháð tankur - Nitrification

Nítratið sem framleitt er með nítrification fer aftur til súrefnislausu svæðisins með innri endurrás, þar sem því er umbreytt enn frekar með bakteríum sem nítrunar.
5. Mismunandi lokaniðurstöður

Afleiðing nítrunar er minnkun á ammoníak köfnunarefni og aukning á nítrati

Niðurstaðan af denitrification er: minnkun nítrats og framleiðsla köfnunarefnisgass

Með öðrum orðum, köfnunarefni getur aðeins farið úr vatnshlotinu eftir að denitrification er lokið.

Frá heildrænu sjónarhorni eru nitrification og denitrification ekki tvö sjálfstæð ferli, heldur tvö samfelld skref í líffræðilegri nitureyðingu.

Allt köfnunarefnisbreytingarferlið má einfaldlega skilja sem:

Ammóníak köfnunarefni → Nítrít köfnunarefni → Nítrat köfnunarefni → Nítrít köfnunarefni → Nitur gas

Nitrification er ábyrg fyrir því að umbreyta ammoníak köfnunarefni í nítrat, en denitrification er ábyrgur fyrir því að minnka nítrat aftur í köfnunarefnisgas.
Þetta tvennt tengist eins og boðhlaup.

Ef það er bara nítrification og engin denitrification mun nítratið í vatninu samt valda ofauðgun.
Ef það er engin nítríðun verður skortur á "hráefni" til nítrunar.

Þetta er líka ástæðan fyrir því að flestir köfnunarefnisfjarlægingarferli innihalda bæði loftháð og anoxísk svæði.

Á sviði skólphreinsunar geta mörg hugtök virst svipuð, en undirliggjandi rökfræði er allt önnur.

Nitrification og denitrification eru dæmigerð par.

Annað gerist í loftháðu umhverfi, en hitt gerist í loftfirrtu umhverfi;
Annar er ábyrgur fyrir oxun ammoníak köfnunarefnis, og hinn er ábyrgur fyrir að draga úr nítrati;
Aðeins þegar þetta tvennt er sameinað er hægt að mynda algjört líffræðilegt köfnunarefnishreinsunarferli.

Eftir að hafa skilið þetta, þegar við skoðum ýmsa köfnunarefnisfjarlægingarferli, eins og A/O, AAO og oxunarskurð, getum við séð að þau eru öll fínstillt og sameinuð í kringum þessi tvö skref.

Mörg flókin ferli við hreinsun skólps eru í raun og veru að skapa viðeigandi „vinnuumhverfi“ fyrir þessar örverur.