Förvirrande indikatorer i avloppsvattenrening: nitrifikation och denitrifikation

I den dagliga driften av avloppsvattenrening hörs ofta två termer: nitrifikation och denitrifikation. Många människor som är nya inom avloppsrening tenderar att blanda ihop dessa två begrepp. Trots deras liknande namn, båda kretsar kring karaktären "硝", spelar de faktiskt helt olika roller i avloppsrening.

Enkelt uttryckt är nitrifikation ansvarig för att omvandla ammoniakkväve till nitrat, medan denitrifikation ansvarar för att omvandla nitrat till kvävgas. Den ena är en oxidationsprocess och den andra är en reduktionsprocess. De två processerna är som ett stafettlopp, och först när de är genomförda i samordning kan kväve i avloppet verkligen avlägsnas.

När denna punkt väl är förstådd blir logiken bakom olika processer för borttagning av kväve, såsom A/O, AAO och oxidationsdike, mycket tydligare.

I hushållsavlopp och många industriavloppsvatten förekommer kväve främst i form av ammoniakkväve. Om ammoniakkväve släpps ut direkt i vattendrag kan det lätt leda till övergödning och även utöva toxiska effekter på vattenlevande organismer som fisk. Därför måste avloppsreningsverk först omvandla ammoniakkväve.

Denna omvandlingsprocess är känd som nitrifikation.

Nitrifikation är egentligen en oxidationsprocess som utförs av mikroorganismer, som grovt sett kan delas in i två steg:

Det första steget är oxidationen av ammoniakkväve till nitrit
Steg 2: Nitrit oxideras ytterligare till nitrat

Hela processen kräver tillräckligt med syre, så nitrifikation sker vanligtvis i aeroba miljöer, såsom luftningstankar eller MBR biokemiska tankar.

Mikroorganismerna som är involverade i denna process är kända som nitrifierande bakterier. De skiljer sig från vanliga heterotrofa bakterier genom att de tillhör den autotrofa kategorin, främst härrörande från oorganiska ämnen. Deras tillväxttakt är relativt långsam, och de är också känsliga för miljöförändringar.

Det är också därför som många avloppsreningsverk tenderar att uppleva en minskning av nitrifikationskapaciteten under vintern.

Även om nitrifikation har löst problemet med ammoniakkväve, har kvävet i vattnet inte riktigt försvunnit vid denna tidpunkt; den har bara förvandlats från en form till en annan. För att verkligen "ta bort" kväve från avloppsvatten måste det andra steget - denitrifiering - slutföras.

Denitrifiering är en reduktionsprocess. I en anaerob miljö använder mikroorganismer syret i nitrat och reducerar det gradvis till kvävgas. Reaktionsvägen är ungefär som följer:

Nitrat → Nitrit → Nitrogenoxid → Nitrogenoxid → Kväve

Den slutligen genererade kvävgasen (N₂)* kommer att släppas ut i luften i gasform, så att kvävet i avloppsvattnet verkligen avlägsnas. Mikroorganismerna som fullbordar denna process kallas denitrifierande bakterier. Till skillnad från nitrifierande bakterier tillhör de heterotrofa bakterier och kräver organiskt kol som energikälla.

Det är också därför som många avloppsreningsverk behöver tillföra kolkällor under kväverening.

Om vi ​​ser dessa två processer tillsammans, kommer vi att finna att de är diametralt motsatta i många aspekter.

1. Olika syreförhållanden

Nitrifikation måste ske i en aerob miljö, vilket vanligtvis kräver att nivåerna av löst syre hålls på cirka 2 mg/L.

Denitrifikation kräver en anaerob miljö med löst syre som hålls under 0,5 mg/L. Om det finns för mycket syre, kommer denitrifierande bakterier att föredra att använda syre snarare än nitrat.

Enkelt uttryckt trivs nitrifikationen i syre, medan denitrifikationen hämmas av syre.

2. Olika typer av mikroorganismer

Nitrifikation åstadkoms främst av nitrifierande bakterier, som inkluderar nitrosomonas och nitrobacter

Dessa bakterier tillhör autotrofa bakterier, som växer långsamt och kräver längre slamålder.

Denitrifiering utförs av denitrifierande bakterier, som tillhör kategorin heterotrofa bakterier och uppvisar en relativt snabbare tillväxthastighet.

3. Olika krav på kolkällor

Nitrifierande bakterier använder i första hand oorganiska ämnen för energi och är i allmänhet inte beroende av organiska kolkällor.

Denitrifierande bakterier kräver organiskt kol som elektrondonator. Därför, när det tillgängliga organiska materialet i avloppsvattnet är otillräckligt, är det ofta nödvändigt att tillsätta externa kolkällor som natriumacetat, metanol och glukos.

I driften av många avloppsanläggningar är otillräcklig kolkälla ofta en betydande faktor som påverkar effektiviteten i kvävereduktionen.

4. Platsen för förekomsten är annorlunda

I vanliga kväveavskiljningsprocesser är de två vanligtvis anordnade i olika reaktionszoner.

Till exempel i A/O- eller AAO-processer:

Anoxisk tank - Denitrifiering Aerobic tank - Nitrifikation

Det nitrat som produceras genom nitrifikation återgår till den anoxiska zonen via intern recirkulation, där det omvandlas ytterligare av denitrifierande bakterier.
5. Olika slutresultat

Resultatet av nitrifikation är en minskning av ammoniakkväve och en ökning av nitrat

Resultatet av denitrifiering är: minskning av nitrat och produktion av kvävgas

Med andra ord kan kväve lämna vattenförekomsten först efter att denitrifieringen är avslutad.

Ur ett holistiskt perspektiv är nitrifikation och denitrifikation inte två oberoende processer, utan snarare två på varandra följande steg i biologiskt kväveavskiljning.

Hela kväveomvandlingsprocessen kan enkelt förstås som:

Ammoniakkväve → Nitritkväve → Nitratkväve → Nitritkväve → Kvävgas

Nitrifikation är ansvarig för att omvandla ammoniakkväve till nitrat, medan denitrifikation ansvarar för att reducera nitrat tillbaka till kvävgas.
De två hänger ihop som ett stafettlopp.

Om det bara är nitrifikation och ingen denitrifikation kommer nitratet i vattnet ändå att orsaka övergödning.
Om det inte finns någon nitrifikation kommer det att saknas "råvaror" för denitrifikation.

Detta är också anledningen till att de flesta kväveavskiljningsprocesser inkluderar både aeroba och anoxiska zoner.

Inom avloppsvattenrening kan många begrepp verka lika, men den bakomliggande logiken är helt annorlunda.

Nitrifikation och denitrifikation är ett typiskt par.

Den ena förekommer i en aerob miljö, medan den andra förekommer i en anaerob miljö;
En är ansvarig för att oxidera ammoniakkväve, och den andra är ansvarig för att reducera nitrat;
Först när de två kombineras kan en fullständig biologisk kvävereduktionsprocess bildas.

Efter att ha förstått detta, när vi tittar på olika processer för borttagning av kväve, såsom A/O, AAO och oxidationsdike, kan vi se att de alla är optimerade och kombinerade kring dessa två steg.

Många komplexa processer inom avloppsrening skapar i slutändan faktiskt en lämplig "arbetsmiljö" för dessa mikroorganismer.