Forvirrende indikatorer i avløpsvannbehandling: nitrifikasjon og denitrifikasjon

I den daglige driften av avløpsrensing høres ofte to begreper: nitrifikasjon og denitrifikasjon. Mange mennesker som er nye til behandling av avløpsvann har en tendens til å forveksle disse to konseptene. Til tross for deres lignende navn, som begge dreier seg om karakteren "硝", spiller de faktisk helt forskjellige roller i avløpsrensing.

Enkelt sagt er nitrifikasjon ansvarlig for å omdanne ammoniakknitrogen til nitrat, mens denitrifikasjon er ansvarlig for å omdanne nitrat til nitrogengass. Den ene er en oksidasjonsprosess, og den andre er en reduksjonsprosess. De to prosessene er som et stafettløp, og først når de er gjennomført i koordinering kan nitrogen i kloakken virkelig fjernes.

Når dette punktet er forstått, blir logikken bak ulike nitrogenfjerningsprosesser, som A/O, AAO og oksidasjonsgrøft, mye klarere.

I husholdningskloakk og mange industrielle avløpsvann finnes nitrogen primært i form av ammoniakknitrogen. Hvis ammoniakknitrogen slippes direkte ut i vannforekomster, kan det lett føre til eutrofiering og også ha toksiske effekter på vannlevende organismer som fisk. Derfor må avløpsrenseanlegg først omdanne ammoniakknitrogen.

Denne transformasjonsprosessen er kjent som nitrifikasjon.

Nitrifikasjon er faktisk en oksidasjonsprosess utført av mikroorganismer, som grovt sett kan deles inn i to trinn:

Det første trinnet er oksidering av ammoniakknitrogen til nitritt
Trinn 2: Nitritt oksideres videre til nitrat

Hele prosessen krever tilstrekkelig oksygen, så nitrifikasjon skjer vanligvis i aerobe miljøer, for eksempel luftetanker eller MBR biokjemiske tanker.

Mikroorganismene som er involvert i denne prosessen er kjent som nitrifiserende bakterier. De skiller seg fra vanlige heterotrofe bakterier ved at de tilhører den autotrofe kategorien, først og fremst henter energi fra uorganiske stoffer. Veksthastigheten deres er relativt langsom, og de er også følsomme for miljøendringer.

Dette er også grunnen til at mange renseanlegg har en tendens til å oppleve en nedgang i nitrifikasjonskapasiteten om vinteren.

Selv om nitrifikasjon har løst problemet med ammoniakknitrogen, har ikke nitrogenet i vannet virkelig forsvunnet på dette tidspunktet; den har bare forvandlet seg fra en form til en annen. For å virkelig "fjerne" nitrogen fra avløpsvann, må det andre trinnet - denitrifisering - fullføres.

Denitrifisering er en reduksjonsprosess. I et anaerobt miljø utnytter mikroorganismer oksygenet i nitrat, og reduserer det gradvis til nitrogengass. Reaksjonsveien er omtrent som følger:

Nitrat → Nitritt → Nitrogenoksid → Nitrogenoksid → Nitrogen

Den endelig genererte nitrogengassen (N₂)* vil slippes ut i luften i gassform, og dermed blir nitrogenet i kloakken virkelig fjernet. Mikroorganismene som fullfører denne prosessen kalles denitrifiserende bakterier. I motsetning til nitrifiserende bakterier, tilhører de heterotrofe bakterier og krever organisk karbon som energikilde.

Dette er også grunnen til at mange avløpsrenseanlegg må tilføre karbonkilder under nitrogenfjerning.

Hvis vi ser på disse to prosessene sammen, vil vi finne at de er diametralt motsatte i mange aspekter.

1. Ulike oksygenforhold

Nitrifikasjon må skje i et aerobt miljø, som vanligvis krever at nivået av oppløst oksygen holdes på rundt 2 mg/L.

Denitrifikasjon krever et anaerobt miljø med oppløst oksygen som holdes under 0,5 mg/L. Hvis det er for mye oksygen, vil denitrifiserende bakterier foretrekke å bruke oksygen fremfor nitrat.

Enkelt sagt trives nitrifikasjon i oksygen, mens denitrifikasjon hemmes av oksygen.

2. Ulike typer mikroorganismer

Nitrifikasjon oppnås først og fremst av nitrifiserende bakterier, som inkluderer nitrosomonas og nitrobacter

Disse bakteriene tilhører autotrofe bakterier, som vokser sakte og krever lengre slamalder.

Denitrifisering utføres av denitrifiserende bakterier, som tilhører kategorien heterotrofe bakterier og har en relativt raskere veksthastighet.

3. Ulike krav til karbonkilder

Nitrifiserende bakterier bruker primært uorganiske stoffer til energi og er generelt ikke avhengige av organiske karbonkilder.

Denitrifiserende bakterier krever organisk karbon som elektrondonor. Derfor, når det tilgjengelige organiske materialet i avløpsvannet er utilstrekkelig, er det ofte nødvendig å tilsette eksterne karbonkilder som natriumacetat, metanol og glukose.

I driften av mange avløpsanlegg er utilstrekkelig karbonkilde ofte en vesentlig faktor som påvirker effektiviteten av nitrogenfjerning.

4. Stedet for forekomsten er annerledes

I vanlige nitrogenfjerningsprosesser er de to vanligvis arrangert i forskjellige reaksjonssoner.

For eksempel i A/O- eller AAO-prosesser:

Anoksisk tank - Denitrifikasjon Aerobic tank - Nitrifikasjon

Nitratet som produseres gjennom nitrifikasjon går tilbake til den anoksiske sonen via intern resirkulasjon, hvor det videre transformeres av denitrifiserende bakterier.
5. Ulike sluttresultater

Resultatet av nitrifikasjon er en reduksjon i ammoniakknitrogen og en økning i nitrat

Resultatet av denitrifikasjon er: reduksjon av nitrat og produksjon av nitrogengass

Nitrogen kan med andre ord først forlate vannforekomsten etter at denitrifiseringen er fullført.

Fra et helhetlig perspektiv er nitrifikasjon og denitrifikasjon ikke to uavhengige prosesser, men snarere to påfølgende trinn i biologisk nitrogenfjerning.

Hele nitrogenkonverteringsprosessen kan enkelt forstås som:

Ammoniakknitrogen → Nitrittnitrogen → Nitratnitrogen → Nitrittnitrogen → Nitrogengass

Nitrifikasjon er ansvarlig for å omdanne ammoniakknitrogen til nitrat, mens denitrifikasjon er ansvarlig for å redusere nitrat tilbake til nitrogengass.
De to henger sammen som et stafettløp.

Hvis det kun er nitrifikasjon og ingen denitrifikasjon, vil nitratet i vannet likevel forårsake eutrofiering.
Dersom det ikke er nitrifikasjon, vil det være mangel på «råvarer» til denitrifikasjon.

Dette er også grunnen til at de fleste nitrogenfjerningsprosesser inkluderer både aerobe og anoksiske soner.

Innenfor avløpsvannbehandling kan mange konsepter virke like, men den underliggende logikken er helt annerledes.

Nitrifikasjon og denitrifikasjon er et typisk par.

Den ene forekommer i et aerobt miljø, mens det andre forekommer i et anaerobt miljø;
Den ene er ansvarlig for å oksidere ammoniakknitrogen, og den andre er ansvarlig for å redusere nitrat;
Først når de to kombineres kan en fullstendig biologisk nitrogenfjerningsprosess dannes.

Etter å ha forstått dette, når vi ser på ulike nitrogenfjerningsprosesser, som A/O, AAO og oksidasjonsgrøft, kan vi se at de alle er optimalisert og kombinert rundt disse to trinnene.

Mange komplekse prosesser innen kloakkbehandling skaper i siste instans et passende "arbeidsmiljø" for disse mikroorganismene.