Pri vsakodnevnem delovanju čiščenja odpadne vode pogosto slišimo dva izraza: nitrifikacija in denitrifikacija. Mnogi ljudje, ki se prvič srečajo s čiščenjem odpadne vode, pogosto zamenjujejo ta dva pojma. Kljub podobnima imenoma, ki se vrtita okoli lika "硝", dejansko igrata popolnoma različni vlogi pri čiščenju odpadne vode.
Preprosto povedano, nitrifikacija je odgovorna za pretvorbo amonijevega dušika v nitrat, medtem ko je denitrifikacija odgovorna za pretvorbo nitrata v dušikov plin. Eden je proces oksidacije, drugi pa redukcija. Oba procesa sta kot štafeta in šele ko sta usklajena, je mogoče dušik v odplakah resnično odstraniti.
Ko to točko razumemo, postane logika za različnimi postopki odstranjevanja dušika, kot so A/O, AAO in oksidacijski jarek, veliko jasnejša.
I. Nitrifikacija: pretvorba amonijevega dušika v nitrat
V gospodinjskih odplakah in številnih industrijskih odpadnih vodah dušik obstaja predvsem v obliki dušika iz amonijaka. Če se dušik iz amonijaka neposredno izpusti v vodna telesa, lahko zlahka povzroči evtrofikacijo in ima tudi strupene učinke na vodne organizme, kot so ribe. Zato morajo čistilne naprave najprej pretvoriti dušik iz amoniaka.
Ta proces transformacije je znan kot nitrifikacija.
Nitrifikacija je pravzaprav oksidacijski proces, ki ga izvajajo mikroorganizmi in ga lahko v grobem razdelimo na dva koraka:
Prvi korak je oksidacija amonijevega dušika v nitrit
2. korak: Nitrit se nadalje oksidira v nitrat
Celoten proces zahteva dovolj kisika, zato nitrifikacija običajno poteka v aerobnih okoljih, kot so prezračevalne posode ali biokemične posode MBR.
Mikroorganizmi, vključeni v ta proces, so znani kot nitrifikacijske bakterije. Od običajnih heterotrofnih bakterij se razlikujejo po tem, da spadajo v kategorijo avtotrofnih, saj pridobivajo energijo predvsem iz anorganskih snovi. Njihova rast je relativno počasna, poleg tega pa so občutljivi na spremembe okolja.
To je tudi razlog, zakaj se v mnogih čistilnih napravah pozimi zmanjša zmogljivost nitrifikacije.
II. Denitrifikacija: pretvorba nitrata v dušik
Čeprav je nitrifikacija rešila problem amonijevega dušika, dušik v vodi na tej točki ni zares izginil; le preobrazil se je iz ene oblike v drugo. Za resnično »odstranitev« dušika iz odpadne vode je treba dokončati drugi korak - denitrifikacija -.
Denitrifikacija je proces redukcije. V anaerobnem okolju mikroorganizmi izkoriščajo kisik v nitratu in ga postopoma reducirajo v plinast dušik. Reakcijska pot je približno naslednja:
Nitrat → Nitrit → Dušikov oksid → Dušikov oksid → Dušik
Končno ustvarjen plin dušik (N₂)* bo izpuščen v zrak v plinasti obliki, tako da je dušik v odplakah resnično odstranjen. Mikroorganizmi, ki dokončajo ta proces, se imenujejo denitrifikacijske bakterije. Za razliko od nitrifikacijskih bakterij spadajo med heterotrofne bakterije in kot vir energije potrebujejo organski ogljik.
To je tudi razlog, zakaj morajo številne čistilne naprave med odstranjevanjem dušika dodati vire ogljika.
III. Več ključnih razlik med nitrifikacijo in denitrifikacijo
Če ta dva procesa pogledamo skupaj, ugotovimo, da sta si v mnogih pogledih diametralno nasprotna.
1. Različni pogoji kisika
Nitrifikacija mora potekati v aerobnem okolju, ki običajno zahteva vzdrževanje ravni raztopljenega kisika pri približno 2 mg/l.
Denitrifikacija zahteva anaerobno okolje z vzdrževanjem raztopljenega kisika pod 0,5 mg/L. Če je kisika preveč, bodo denitrifikacijske bakterije raje izkoristile kisik kot nitrat.
Preprosto povedano, nitrifikacija uspeva v kisiku, medtem ko denitrifikacijo zavira kisik.
2. Različne vrste mikroorganizmov
Nitrifikacijo izvajajo predvsem nitrifikacijske bakterije, ki vključujejo nitrosomonas in nitrobacter
Te bakterije spadajo med avtotrofne bakterije, ki rastejo počasi in zahtevajo daljšo starost blata.
Denitrifikacijo izvajajo denitrifikacijske bakterije, ki spadajo v kategorijo heterotrofnih bakterij in imajo razmeroma hitrejšo rast.
3. Različne zahteve glede virov ogljika
Nitrifikacijske bakterije za energijo uporabljajo predvsem anorganske snovi in se na splošno ne zanašajo na vire organskega ogljika.
Denitrifikacijske bakterije potrebujejo organski ogljik kot darovalca elektronov. Kadar je razpoložljiva organska snov v odpadni vodi nezadostna, je zato pogosto treba dodati zunanje vire ogljika, kot so natrijev acetat, metanol in glukoza.
Pri delovanju številnih naprav za odpadne vode je nezadosten vir ogljika pogosto pomemben dejavnik, ki vpliva na učinkovitost odstranjevanja dušika.
4. Mesto nastanka je drugačno
V običajnih postopkih odstranjevanja dušika sta oba običajno razporejena v različnih reakcijskih conah.
Na primer v procesih A/O ali AAO:
Anoksični rezervoar - Denitrifikacija Aerobni rezervoar - Nitrifikacija
Nitrat, proizveden z nitrifikacijo, se prek notranjega kroženja vrne v anoksično cono, kjer ga denitrifikacijske bakterije nadalje preoblikujejo.
5. Različni končni rezultati
Rezultat nitrifikacije je zmanjšanje amonijevega dušika in povečanje nitrata
Rezultat denitrifikacije je: zmanjšanje nitratov in proizvodnja dušika
Z drugimi besedami, dušik lahko zapusti vodno telo šele, ko je denitrifikacija končana.
IV. so pravzaprav štafeta
S celostnega vidika nitrifikacija in denitrifikacija nista dva neodvisna procesa, temveč dva zaporedna koraka v biološkem odstranjevanju dušika.
Celoten proces pretvorbe dušika lahko preprosto razumemo kot:
Amonijačni dušik → Nitritni dušik → Nitratni dušik → Nitritni dušik → Dušikov plin
Nitrifikacija je odgovorna za pretvorbo amonijevega dušika v nitrat, medtem ko je denitrifikacija odgovorna za zmanjšanje nitrata nazaj v dušikov plin.
Oba sta povezana kot štafeta.
Če obstaja le nitrifikacija in ne denitrifikacija, bo nitrat v vodi še vedno povzročal evtrofikacijo.
Če nitrifikacije ni, bo primanjkovalo »surovine« za denitrifikacijo.
To je tudi razlog, zakaj večina postopkov odstranjevanja dušika vključuje tako aerobna kot anoksična območja.
V. Sklep
Na področju čiščenja odpadnih voda se mnogi koncepti morda zdijo podobni, vendar je osnovna logika popolnoma drugačna.
Nitrifikacija in denitrifikacija sta tipičen par.
Ena se pojavi v aerobnem okolju, druga pa v anaerobnem okolju;
Eden je odgovoren za oksidacijo dušika v amoniaku, drugi pa za zmanjšanje nitrata;
Šele ko se oboje združi, se lahko oblikuje popoln biološki postopek odstranjevanja dušika.
Ko to razumemo, ko pogledamo različne postopke odstranjevanja dušika, kot so A/O, AAO in oksidacijski jarek, lahko vidimo, da so vsi optimizirani in združeni okoli teh dveh korakov.
Številni zapleteni procesi čiščenja odplak v končni fazi pravzaprav ustvarjajo primerno »delovno okolje« za te mikroorganizme.
