Ikdienas notekūdeņu attīrīšanas darbībā bieži tiek dzirdami divi termini: nitrifikācija un denitrifikācija. Daudzi cilvēki, kas ir jauni notekūdeņu attīrīšanas jomā, mēdz sajaukt šos divus jēdzienus. Neskatoties uz līdzīgiem nosaukumiem, kas abi griežas ap tēlu "硝", viņi notekūdeņu attīrīšanā spēlē pilnīgi dažādas lomas.
Vienkārši izsakoties, nitrifikācija ir atbildīga par amonjaka slāpekļa pārvēršanu nitrātā, savukārt denitrifikācija ir atbildīga par nitrātu pārvēršanu slāpekļa gāzē. Viens ir oksidācijas process, bet otrs ir reducēšanas process. Abi procesi ir kā stafetes sacīkstes, un tikai tad, kad tie ir saskaņoti, notekūdeņos esošais slāpeklis var tikt patiesi noņemts.
Kad šis punkts ir saprasts, daudz skaidrāka kļūst dažādu slāpekļa atdalīšanas procesu loģika, piemēram, A/O, AAO un oksidācijas grāvis.
I. Nitrifikācija: amonjaka slāpekļa pārvēršana nitrātā
Sadzīves notekūdeņos un daudzos rūpnieciskajos notekūdeņos slāpeklis galvenokārt pastāv amonjaka slāpekļa veidā. Ja amonjaka slāpeklis tiek tieši novadīts ūdenstilpēs, tas var viegli izraisīt eitrofikāciju un arī toksiski ietekmēt ūdens organismiem, piemēram, zivīm. Tāpēc notekūdeņu attīrīšanas iekārtām vispirms ir jāpārvērš amonjaka slāpeklis.
Šis transformācijas process ir pazīstams kā nitrifikācija.
Nitrifikācija faktiski ir mikroorganismu veikts oksidācijas process, ko aptuveni var iedalīt divos posmos:
Pirmais solis ir amonjaka slāpekļa oksidēšana nitrītos
2. solis: nitrītu tālāk oksidē līdz nitrātam
Visam procesam nepieciešams pietiekami daudz skābekļa, tāpēc nitrifikācija parasti notiek aerobās vidēs, piemēram, aerācijas tvertnēs vai MBR bioķīmiskajās tvertnēs.
Šajā procesā iesaistītie mikroorganismi ir pazīstami kā nitrificējošās baktērijas. Tās atšķiras no parastajām heterotrofajām baktērijām ar to, ka tās pieder pie autotrofu kategorijas, galvenokārt iegūstot enerģiju no neorganiskām vielām. To augšanas ātrums ir salīdzinoši lēns, un tie ir arī jutīgi pret vides izmaiņām.
Tas ir arī iemesls, kāpēc daudzās notekūdeņu attīrīšanas iekārtās ziemā ir tendence samazināties nitrifikācijas jaudai.
II. Denitrifikācija: nitrātu pārvēršana slāpekļa gāzē
Lai gan nitrifikācija ir atrisinājusi amonjaka slāpekļa problēmu, slāpeklis ūdenī šajā brīdī nav īsti pazudis; tas ir tikai pārveidojies no vienas formas citā. Lai patiesi "noņemtu" slāpekli no notekūdeņiem, ir jāpabeidz otrais - denitrifikācijas - posms.
Denitrifikācija ir reducēšanas process. Anaerobā vidē mikroorganismi izmanto nitrātos esošo skābekli, pakāpeniski pārvēršot to par slāpekļa gāzi. Reakcijas ceļš ir aptuveni šāds:
Nitrāts → Nitrīts → slāpekļa oksīds → slāpekļa oksīds → slāpeklis
Galu galā radītā slāpekļa gāze (N₂)* tiks izvadīta gaisā gāzveida veidā, tādējādi notekūdeņos esošais slāpeklis tiek patiesi izvadīts. Mikroorganismus, kas pabeidz šo procesu, sauc par denitrificējošām baktērijām. Atšķirībā no nitrificējošām baktērijām tās pieder pie heterotrofiskām baktērijām un kā enerģijas avotu prasa organisko oglekli.
Tāpēc daudzām notekūdeņu attīrīšanas iekārtām slāpekļa atdalīšanas laikā ir jāpievieno oglekļa avoti.
III. Vairākas galvenās atšķirības starp nitrifikāciju un denitrifikāciju
Ja aplūkosim šos divus procesus kopā, mēs atklāsim, ka daudzos aspektos tie ir diametrāli pretēji.
1. Dažādi skābekļa apstākļi
Nitrifikācijai jānotiek aerobā vidē, kas parasti prasa, lai izšķīdušā skābekļa līmenis būtu aptuveni 2 mg/l.
Denitrifikācijai nepieciešama anaeroba vide ar izšķīdušā skābekļa līmeni zem 0,5 mg/l. Ja skābekļa ir pārāk daudz, denitrificējošās baktērijas dod priekšroku skābekli, nevis nitrātu.
Vienkārši izsakoties, nitrifikācija plaukst skābeklī, bet denitrifikāciju kavē skābeklis.
2. Dažādu veidu mikroorganismi
Nitrifikāciju galvenokārt veic nitrificējošās baktērijas, tostarp nitrosomonas un nitrobacter
Šīs baktērijas pieder pie autotrofiskām baktērijām, kuras aug lēni un kurām nepieciešams ilgāks dūņu vecums.
Denitrifikāciju veic denitrifikācijas baktērijas, kas pieder pie heterotrofo baktēriju kategorijas un kurām ir salīdzinoši ātrāks augšanas ātrums.
3. Dažādas oglekļa avota prasības
Nitrificējošās baktērijas galvenokārt izmanto neorganiskās vielas enerģijas iegūšanai un parasti nepaļaujas uz organiskā oglekļa avotiem.
Denitrificējošām baktērijām ir nepieciešams organiskais ogleklis kā elektronu donors. Tāpēc, ja pieejamās organiskās vielas notekūdeņos ir nepietiekamas, bieži ir nepieciešams pievienot ārējos oglekļa avotus, piemēram, nātrija acetātu, metanolu un glikozi.
Daudzu notekūdeņu iekārtu darbībā nepietiekams oglekļa avots bieži vien ir būtisks faktors, kas ietekmē slāpekļa atdalīšanas efektivitāti.
4. Notikuma vieta ir atšķirīga
Kopējos slāpekļa atdalīšanas procesos tie abi parasti ir izvietoti dažādās reakcijas zonās.
Piemēram, A/O vai AAO procesos:
Anoksiskā tvertne - Denitrifikācija Aerobā tvertne - Nitrifikācija
Nitrifikācijas rezultātā iegūtais nitrāts iekšējās recirkulācijas ceļā atgriežas anoksiskajā zonā, kur to tālāk pārveido denitrificējošās baktērijas.
5. Dažādi gala rezultāti
Nitrifikācijas rezultāts ir amonjaka slāpekļa samazināšanās un nitrātu palielināšanās
Denitrifikācijas rezultāts ir: nitrātu samazināšana un slāpekļa gāzes veidošanās
Citiem vārdiem sakot, slāpeklis var iziet no ūdenstilpes tikai pēc denitrifikācijas pabeigšanas.
IV. tās patiesībā ir stafetes sacensības
No holistiskā viedokļa nitrifikācija un denitrifikācija nav divi neatkarīgi procesi, bet gan divi secīgi bioloģiskās slāpekļa atdalīšanas posmi.
Visu slāpekļa konversijas procesu var vienkārši saprast kā:
Amonija slāpeklis → Nitrītu slāpeklis → Nitrātu slāpeklis → Nitrītu slāpeklis → Slāpekļa gāze
Nitrifikācija ir atbildīga par amonjaka slāpekļa pārvēršanu nitrātā, savukārt denitrifikācija ir atbildīga par nitrātu reducēšanu atpakaļ par slāpekļa gāzi.
Abas ir saistītas kā stafetes sacensības.
Ja notiek tikai nitrifikācija un nav denitrifikācijas, nitrāti ūdenī joprojām izraisīs eitrofikāciju.
Ja nebūs nitrifikācijas, trūks "izejvielu" denitrifikācijai.
Tas ir arī iemesls, kāpēc lielākā daļa slāpekļa atdalīšanas procesu ietver gan aerobās, gan anoksiskās zonas.
V. Secinājums
Notekūdeņu attīrīšanas jomā daudzi jēdzieni var šķist līdzīgi, taču pamatā esošā loģika ir pilnīgi atšķirīga.
Nitrifikācija un denitrifikācija ir tipisks pāris.
Viens notiek aerobā vidē, bet otrs - anaerobā vidē;
Viens ir atbildīgs par amonjaka slāpekļa oksidēšanu, bet otrs ir atbildīgs par nitrātu samazināšanu;
Tikai tad, kad abus apvieno, var izveidoties pilnīgs bioloģiskais slāpekļa atdalīšanas process.
To saprotot, aplūkojot dažādus slāpekļa atdalīšanas procesus, piemēram, A/O, AAO un oksidācijas grāvi, mēs varam redzēt, ka tie visi ir optimizēti un apvienoti ap šiem diviem posmiem.
Galu galā daudzi sarežģīti notekūdeņu attīrīšanas procesi faktiski rada šiem mikroorganismiem piemērotu "darba vidi".