Notekūdeņu attīrīšanas jomā slāpekļa bioloģiskā transformācija ir galvenais process slāpekļa un fosfora atdalīšanai un emisiju standartu izpildei. Šis process ietver nevis vienu reakciju, bet gan saskaņotu trīs galveno posmu pabeigšanu: amonifikācija, nitrifikācija un denitrifikācija. Kopā šīs darbības pakāpeniski pārvērš notekūdeņos esošo sarežģīto organisko un neorganisko slāpekli nekaitīgā slāpekļa gāzē, būtiski samazinot slāpekļa slodzi ūdenstilpēs.
Ievads
Slāpeklis notekūdeņos galvenokārt ir organiskā slāpekļa (piemēram, olbaltumvielu un urīnvielas) un amonjaka slāpekļa formā. Tieša noplūde var izraisīt vides problēmas, piemēram, ūdenstilpju eitrofikāciju. Bioloģiskās attīrīšanas metodes ar augstu efektivitāti un ekonomiju ir kļuvušas par galveno tehnoloģiju slāpekļa atdalīšanai no notekūdeņiem. Pamatprincips ir izmantot dažādu mikroorganismu vielmaiņas aktivitātes īpašos vides apstākļos, lai pakāpeniski pārveidotu slāpekļa elementus, galu galā panākot gāzveida izvadīšanu no ūdenstilpēm uz atmosfēru. Tālāk tiks sistemātiski izdalīts šī procesa galvenais mehānisms.
I. Amonifikācija: organiskā slāpekļa pārvēršana amonija slāpeklī
Amonifikācija ir pirmais solis slāpekļa atdalīšanai no notekūdeņiem, kas attiecas uz organisko slāpekļa savienojumu pārvēršanu par
Procesu galvenokārt veicina amonifikācijas baktērijas. Atkarībā no skābekļa satura vidē to var iedalīt divos veidos: aerobā transformācija un anaerobā transformācija.
1. Aerobā transformācija
Aerobos apstākļos reakcijā piedalās tādi mikroorganismi kā Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus un fakultatīvais Proteus vulgaris, galvenokārt sadalot organisko slāpekli, izmantojot divus galvenos mehānismus:
• Oksidatīvā deaminācija: oksidāžu katalīzes rezultātā aminoskābes pakāpeniski zaudē savas aminogrupas, veidojot ketoskābes un amonjaku.
Kā piemēru ņemot alanīnu:
CH3CH(NH2)COOH → CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3
(Alanīns → iminopropionskābe → pirovīnskābe + amonjaks)
• Amonjaka hidrolīze: hidrolītisko enzīmu ietekmē tiek hidrolizēti slāpekli saturoši organiskie savienojumi, piemēram, urīnviela, veidojot amonjaku.
Urīnvielas hidrolīzes reakcija:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
Šajā procesā iesaistītās baktērijas ietver aerobās baktērijas, piemēram, Enterococcus faecalis un Bacillus urea.
2. Anaerobā konversija
Anaerobā vai skābekļa{0}}deficīta vidē anaerobie un fakultatīvi anaerobie mikroorganismi pabeidz amonifikāciju trīs veidos:
• Samazināšana un deaminēšana:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• Amonjaka noņemšana uz ūdens-bāzes:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• Dehidratācija un deaminācija:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
II. Nitrifikācija: amonjaka slāpekļa oksidēšana par nitrātu slāpekli
Nitrifikācija ir otrā kodolreakcija, kas oksidē NH3-N par NOx-N, ko sinerģiski pabeidz nitrītu baktērijas un nitrātu baktērijas, un tā ir sadalīta divos posmos: nitrēšana un nitrifikācija.
1. Reakcijas mehānisms
• Nitrēšanas reakcija (dominē nitrītu baktērijas):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5kJ
• Nitrifikācijas reakcija (dominē nitrobaktērijas):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• Kopējā reakcijas formula:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69kJ
2. Galvenie procesa raksturlielumi
• Augsts skābekļa patēriņš: teorētiskais patēriņš 4,2g uz 1g izņemšanu, tāpēc nitrifikācijas reakcija jāveic pietiekamos aerācijas apstākļos.
• Zems augšanas ātrums: nitrificējošām baktērijām ir ārkārtīgi zems šūnu daudzums, un tās ir vairāk pakļautas nepietiekamai aktivitātei aukstajos ziemas mēnešos. Tāpēc, lai nodrošinātu attīrīšanas efektivitāti, ir jāuztur augsta dūņu koncentrācija.
• Sārmainības patēriņš: reakcija rada lielu daudzumu H+.. Teorētiski katrs 1 g oksidācijas tiek patērēts 7,54 g sārmainības (aprēķināts kā CaCO3). Ir nepieciešams uzturēt sistēmas pH stabilitāti, pievienojot sārmainus līdzekļus.
III. Denitrifikācija: nitrātu slāpekļa reducēšana par slāpekļa gāzi
Denitrifikācija ir pēdējais posms slāpekļa atdalīšanai no notekūdeņiem. Tas attiecas uz procesu, kurā denitrificējošās baktērijas anaerobos vai skābekļa -deficīta (DO < 0,3–0,5 mg/L) apstākļos reducē NOx-N un citus slāpekļa oksīdus par slāpekļa gāzi vai gāzveida slāpekļa oksīdiem kā elektronu akceptoriem.
1. Reakcijas mehānisms
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Pilnīga reducēšanas reakcija (kā piemēru ņemot organiskos savienojumus kā elektronu donorus):
NO3−+5[H] (elektronu donors) → 0,5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (elektronu donors) → 0,5N2 + H2O + OH−
2. Oglekļa avota prasības un mikrobu īpašības
• Oglekļa avota patēriņš: teorētiski ir nepieciešami 2,86 g oglekļa avota, lai pārvērstu 1 g nitrātu slāpekļa par N2, un 1,71 g organiskās vielas, lai pārvērstu 1 g nitrītu slāpekļa.
• Elektronu donoru daudzveidība: [H] var nodrošināt organiskie savienojumi, sulfīdi utt., piedāvājot vairākas oglekļa avotu iespējas procesa optimizācijai.
• Mikrobu īpašības: Denitrificējošās baktērijas pārsvarā ir fakultatīvas baktērijas, kas elpo, izmantojot O2 kā gala elektronu akceptoru skābekļa klātbūtnē, un izmanto NOx−N elpošanai bez skābekļa. Šī īpašība ir anoksiskā denitrifikācijas procesa galvenais pamats.
Kopsavilkums
Slāpekļa bioloģiskā transformācija notekūdeņos ir ķēdes process, kas ir savstarpēji saistīts:
Amonifikācija sadala organiskā slāpekļa molekulas, atbrīvojot amonjaka slāpekli;
Nitrifikācija ietver pakāpenisku amonija slāpekļa oksidēšanu par nitrātu slāpekli aerobā vidē;
Denitrifikācija samazina nitrātu slāpekli par slāpekļa gāzi bezskābekļa vidē, galu galā panākot slāpekļa izvadīšanu no ūdenstilpēm atmosfērā.
Šī procesa efektīva darbība ir atkarīga no precīzas galveno parametru, piemēram, skābekļa satura, sārmainības, oglekļa avota un temperatūras, kontroles, un tas kalpo kā galvenais tehniskais atbalsts, lai panāktu stabilu slāpekļa atdalīšanu mūsdienu pilsētas notekūdeņu iekārtās un rūpniecisko notekūdeņu attīrīšanā.