Na področju čiščenja odpadne vode je biološka transformacija dušika ključni proces za doseganje odstranitve dušika in fosforja ter izpolnjevanje emisijskih standardov. Ta proces ne vključuje ene same reakcije, temveč usklajeno dokončanje treh ključnih korakov: amonifikacije, nitrifikacije in denitrifikacije. Skupaj ti koraki postopoma pretvorijo kompleksen organski dušik in anorganski dušik v odpadni vodi v neškodljiv dušikov plin, kar bistveno zmanjša obremenitev vodnih teles z dušikom.
Uvod
Dušik v odplakah obstaja predvsem v obliki organskega dušika (kot so beljakovine in sečnina) in dušika iz amoniaka. Neposredni izpusti lahko povzročijo okoljske težave, kot je evtrofikacija vodnih teles. Biološke metode čiščenja so s svojimi prednostmi visoke učinkovitosti in ekonomičnosti postale glavna tehnologija za odstranjevanje dušika iz odplak. Osnovno načelo je uporaba presnovnih aktivnosti različnih mikroorganizmov v posebnih okoljskih pogojih za postopno preoblikovanje dušikovih elementov, s čimer se končno doseže odstranitev plinov iz vodnih teles v ozračje. V nadaljevanju bomo sistematično razčlenili osrednji mehanizem tega procesa.
I. Amonifikacija: pretvorba organskega dušika v amonijski dušik
Amonifikacija je prvi korak pri odstranjevanju dušika iz odpadne vode, ki se nanaša na pretvorbo organskih dušikovih spojin v
Proces pospešujejo predvsem amonificirajoče bakterije. Glede na vsebnost kisika v okolju ga lahko razvrstimo v dve poti: aerobno transformacijo in anaerobno transformacijo.
1. Aerobna preobrazba
V aerobnih pogojih v reakciji sodelujejo mikroorganizmi, kot so Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus in fakultativni Proteus vulgaris, ki predvsem razgrajujejo organski dušik prek dveh glavnih mehanizmov:
• Oksidativna deaminacija: Pod katalizo oksidaz aminokisline postopoma izgubijo svoje amino skupine, da nastanejo keto kisline in amoniak.
Kot primer vzamemo alanin:
CH3CH(NH2)COOH → CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3
(Alanin → Iminopropionska kislina → Pirovinska kislina + amoniak)
• Hidroliza amoniaka: Pod delovanjem hidrolitskih encimov se organske spojine, ki vsebujejo dušik, kot je sečnina,- hidrolizirajo, da nastane amoniak.
Reakcija hidrolize sečnine:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
Bakterije, vključene v ta proces, vključujejo aerobne bakterije, kot sta Enterococcus faecalis in Bacillus urea.
2. Anaerobna pretvorba
V anaerobnem okolju ali okolju s pomanjkanjem-kisika anaerobni in fakultativno anaerobni mikroorganizmi dokončajo amonifikacijo po treh poteh:
• Redukcija in deaminacija:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• Odstranjevanje amoniaka-na osnovi vode:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• Dehidracija in deaminacija:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
II. Nitrifikacija: oksidacija amonijevega dušika v nitratni dušik
Nitrifikacija je druga glavna reakcija, ki oksidira NH3−N v NOx−N, ki jo sinergistično zaključijo nitritne bakterije in nitratne bakterije, in je razdeljena na dve stopnji: nitritacijo in nitrifikacijo.
1. Reakcijski mehanizem
• Nitritacijska reakcija (prevladujejo nitritne bakterije):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5kJ
• Nitrifikacijska reakcija (prevladujejo nitrobakterije):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• Celotna formula reakcije:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69kJ
2. Ključne značilnosti procesa
• Visoka potreba po kisiku: Teoretična poraba 4,2 g na odstranitev 1 g, zato je treba reakcijo nitrifikacije izvesti pod zadostnimi pogoji prezračevanja.
• Nizka stopnja rasti: Nitrificirajoče bakterije imajo izredno nizek izkoristek celic in so v hladnih zimskih mesecih bolj nagnjene k nezadostni aktivnosti. Zato je za zagotovitev učinkovitosti čiščenja potrebno vzdrževati visoko koncentracijo blata.
• Poraba alkalnosti: reakcija ustvari veliko količino H+.. Teoretično se za vsak 1 g oksidacije porabi 7,54 g alkalnosti (izračunano kot CaCO3). Potrebno je ohranjati stabilnost pH sistema z dodajanjem alkalnih sredstev.
III. Denitrifikacija: Redukcija nitratnega dušika v plinast dušik
Denitrifikacija je zadnji korak pri odstranjevanju dušika iz odpadne vode. Nanaša se na proces, pri katerem denitrifikacijske bakterije reducirajo NOx−N in druge dušikove okside v dušikov plin ali plinaste dušikove okside kot akceptorje elektronov v anaerobnih pogojih ali pogojih s pomanjkanjem-kisika (DO < 0,3~0,5 mg/L).
1. Reakcijski mehanizem
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Popolna redukcijska reakcija (na primer organske spojine kot donorji elektronov):
NO3−+5[H] (donor elektronov) → 0,5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (donor elektronov) → 0,5N2 + H2O + OH−
2. Zahteve glede vira ogljika in značilnosti mikrobov
• Poraba vira ogljika: Teoretično je za pretvorbo 1 g nitratnega dušika v N2 potrebnih 2,86 g ogljičnega vira, za pretvorbo 1 g nitritnega dušika pa 1,71 g organske snovi.
• Raznolikost donorjev elektronov: [H] lahko zagotovijo organske spojine, sulfidi itd., kar ponuja več možnosti virov ogljika za optimizacijo procesa.
• Značilnosti mikrobov: Denitrifikacijske bakterije so večinoma fakultativne bakterije, ki v prisotnosti kisika dihajo z uporabo O2 kot končnega sprejemnika elektronov, v odsotnosti kisika pa uporabljajo NOx−N za dihanje. Ta lastnost je temeljni temelj procesa anoksične denitrifikacije.
Povzetek
Biološka transformacija dušika v odplakah je verižni proces, ki je med seboj povezan:
Amonifikacija razgradi organske molekule dušika, pri čemer se sprosti dušik iz amoniaka;
Nitrifikacija vključuje postopno oksidacijo amonijskega dušika v nitratni dušik v aerobnem okolju;
Denitrifikacija reducira nitratni dušik v dušikov plin v anoksičnih okoljih, s čimer se na koncu doseže odstranitev dušika iz vodnih teles v ozračje.
Učinkovito delovanje tega procesa temelji na natančnem nadzoru ključnih parametrov, kot so vsebnost kisika, alkalnost, vir ogljika in temperatura, in služi kot osnovna tehnična podpora za doseganje stabilnega odstranjevanja dušika v sodobnih mestnih napravah za čiščenje odpadne vode in pri čiščenju industrijske odpadne vode.