Inom avloppsvattenrening är den biologiska omvandlingen av kväve kärnprocessen för att uppnå kväve- och fosforavskiljning och uppfylla utsläppsnormer. Denna process involverar inte en enda reaktion, utan snarare ett koordinerat slutförande av tre nyckelsteg: ammonifiering, nitrifikation och denitrifikation. Tillsammans omvandlar dessa steg gradvis komplext organiskt kväve och oorganiskt kväve i avloppsvatten till ofarlig kvävgas, vilket i grunden minskar kvävebelastningen i vattendrag.
Introduktion
Kväve i avloppsvatten finns främst i form av organiskt kväve (som protein och urea) och ammoniakkväve. Direkt utsläpp kan leda till miljöproblem som övergödning av vattenförekomster. Biologiska reningsmetoder, med sina fördelar av hög effektivitet och ekonomi, har blivit den vanliga tekniken för att avlägsna kväve från avloppsvatten. Kärnprincipen är att använda olika mikroorganismers metaboliska aktiviteter under specifika miljöförhållanden för att gradvis omvandla kväveelement, vilket i slutändan uppnår gasformigt avlägsnande från vattenkroppar till atmosfären. Följande kommer systematiskt att dissekera kärnmekanismen i denna process.
I. Ammonifiering: omvandling av organiskt kväve till ammoniakhaltigt kväve
Ammonifiering är det första steget i att ta bort kväve från avloppsvatten, och hänvisar till omvandlingen av organiska kväveföreningar till
Processen underlättas i första hand av ammonifiering av bakterier. Beroende på syrehalten i miljön kan den kategoriseras i två vägar: aerob transformation och anaerob transformation
1. Aerob transformation
Under aeroba förhållanden deltar mikroorganismer som Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus och facultative Proteus vulgaris i reaktionen och bryter i första hand ned organiskt kväve genom två huvudmekanismer:
• Oxidativ deaminering: Under katalys av oxidaser förlorar aminosyror gradvis sina aminogrupper för att generera ketosyror och ammoniak.
Ta alanin som ett exempel:
CH3CH(NH2)COOH → CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3
(Alanin → Iminopropionsyra → Pyrodruvsyra + Ammoniak)
• Hydrolys av ammoniak: Under inverkan av hydrolytiska enzymer hydrolyseras kväve-innehållande organiska föreningar som urea för att producera ammoniak.
Karbamidhydrolysreaktion:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
Bakterierna som är involverade i denna process inkluderar aeroba bakterier som Enterococcus faecalis och Bacillus urea.
2. Anaerob omvandling
I anaeroba eller syrefattiga miljöer-fullbordar anaeroba och fakultativa anaeroba mikroorganismer ammonifiering genom tre vägar:
• Reduktion och deaminering:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• Vattenbaserat-avlägsnande av ammoniak:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• Dehydrering och deaminering:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
II. Nitrifikation: Oxidation av ammoniakkväve till nitratkväve
Nitrifikation är den andra kärnreaktionen som oxiderar NH3−N till NOx−N, som synergistiskt fullbordas av nitritbakterier och nitratbakterier, och är uppdelad i två steg: nitritering och nitrifikation
1. Reaktionsmekanism
• Nitritationsreaktion (domineras av nitritbakterier):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5kJ
• Nitrifikationsreaktion (domineras av nitrobakterier):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• Övergripande reaktionsformel:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69kJ
2. Viktiga processegenskaper
• Högt syrebehov: Teoretisk förbrukning på 4,2 g per borttagning av 1 g, därför måste nitrifikationsreaktionen utföras under tillräckliga luftningsförhållanden.
• Låg tillväxthastighet: Nitrifierande bakterier har extremt lågt cellutbyte och de är mer benägna att få otillräcklig aktivitet under de kalla vintermånaderna. Därför är det nödvändigt att upprätthålla en hög slamkoncentration för att säkerställa behandlingseffektivitet.
• Alkalinitetsförbrukning: Reaktionen genererar en stor mängd H+. Teoretiskt förbrukas 7,54 g alkalinitet (beräknat som CaCO3) för varje 1 g oxidation. Det är nödvändigt att bibehålla systemets pH-stabilitet genom att tillsätta alkaliska medel.
III. Denitrifikation: Reduktion av nitratkväve till kvävgas
Denitrifiering är det sista steget i att ta bort kväve från avloppsvatten. Det hänvisar till processen där denitrifierande bakterier reducerar NOx−N och andra kväveoxider till kvävgas eller gasformiga kväveoxider som elektronacceptorer under anaeroba eller syrebrist (DO < 0,3~0,5mg/L) förhållanden.
1. Reaktionsmekanism
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Komplett reduktionsreaktion (med organiska föreningar som elektrondonatorer som exempel):
NO3−+5[H] (elektrondonator) → 0,5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (elektrondonator) → 0,5N2 + H2O + OH−
2. Krav på kolkällor och mikrobiella egenskaper
• Förbrukning av kolkällor: Teoretiskt krävs 2,86 g kolkälla för att omvandla 1 g nitratkväve till N2, och 1,71 g organiskt material behövs för att omvandla 1 g nitritkväve.
• Mångfald av elektrondonatorer: [H] kan tillhandahållas av organiska föreningar, sulfider, etc., vilket erbjuder flera alternativ för kolkällor för processoptimering.
• Mikrobiella egenskaper: Denitrifierande bakterier är mestadels fakultativa bakterier, som andas med O2 som terminal elektronacceptor i närvaro av syre, och använder NOx−N för andning i frånvaro av syre. Denna egenskap är kärnan i den anoxiska denitrifieringsprocessen.
Sammanfattning
Den biologiska omvandlingen av kväve i avloppsvatten är en kedjeprocess som är sammankopplad:
Ammonifiering bryter ner organiska kvävemolekyler och frigör ammoniakkväve;
Nitrifikation innebär gradvis oxidation av ammoniakhaltigt kväve till nitratkväve i en aerob miljö;
Denitrifikation reducerar nitratkväve till kvävgas i anoxiska miljöer, vilket i slutändan uppnår avlägsnande av kväve från vattendrag till atmosfären.
Den effektiva driften av denna process förlitar sig på exakt kontroll över nyckelparametrar som syrehalt, alkalinitet, kolkälla och temperatur, och fungerar som det centrala tekniska stödet för att uppnå stabil kväveavskiljning i moderna urbana avloppsvattenanläggningar och industriell rening av avloppsvatten.