Jätevesien käsittelyssä typen biologinen muuntaminen on ydinprosessi typen ja fosforin poistamiseksi ja päästönormien täyttämiseksi. Tämä prosessi ei sisällä yhtä reaktiota, vaan kolmen avainvaiheen koordinoitua loppuunsaattamista: ammonifikaatio, nitrifikaatio ja denitrifikaatio. Yhdessä nämä vaiheet muuttavat jäteveden monimutkaisen orgaanisen typen ja epäorgaanisen typen vähitellen vaarattomaksi typpikaasuksi, mikä vähentää olennaisesti vesistöjen typpikuormitusta.
Johdanto
Jäteveden typpi on pääasiassa orgaanisen typen (kuten proteiinin ja urean) ja ammoniakkitypen muodossa. Suorat päästöt voivat johtaa ympäristöongelmiin, kuten vesistöjen rehevöitymiseen. Biologisista käsittelymenetelmistä, joiden edut ovat korkea hyötysuhde ja taloudellisuus, on tullut valtavirtatekniikka typenpoistoon jätevedestä. Perusperiaatteena on hyödyntää erilaisten mikro-organismien aineenvaihduntaa tietyissä ympäristöolosuhteissa typpielementtien asteittaiseksi muuntamiseksi, jolloin lopulta saavutetaan kaasumainen poistuminen vesistöistä ilmakehään. Seuraavassa käsitellään systemaattisesti tämän prosessin ydinmekanismia.
I. Ammonifikaatio: orgaanisen typen muuttaminen ammoniumtypeksi
Ammonifikaatio on ensimmäinen vaihe typen poistamisessa jätevedestä, mikä viittaa orgaanisten typpiyhdisteiden muuntamiseen
Prosessia helpottavat ensisijaisesti ammonifioivat bakteerit. Ympäristön happipitoisuudesta riippuen se voidaan luokitella kahteen reittiin: aerobiseen transformaatioon ja anaerobiseen transformaatioon.
1. Aerobinen muunnos
Aerobisissa olosuhteissa mikro-organismit, kuten Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus ja fakultatiivinen Proteus vulgaris, osallistuvat reaktioon ja hajottavat ensisijaisesti orgaanista typpeä kahden päämekanismin kautta:
• Oksidatiivinen deaminaatio: Oksidaasien katalyysin aikana aminohapot menettävät vähitellen aminoryhmänsä muodostaen ketohappoja ja ammoniakkia.
Esimerkkinä alaniini:
CH3CH(NH2)COOH → CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3
(Alaniini → Iminopropionihappo → Pyruviinihappo + ammoniakki)
• Ammoniakin hydrolyysi: Hydrolyyttisten entsyymien vaikutuksesta typpeä{0}} sisältävät orgaaniset yhdisteet, kuten urea, hydrolysoituvat, jolloin muodostuu ammoniakkia.
Urean hydrolyysireaktio:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
Tähän prosessiin osallistuvia bakteereja ovat aerobiset bakteerit, kuten Enterococcus faecalis ja Bacillus urea.
2. Anaerobinen muuntaminen
Anaerobisissa tai happi{0}}puutteellisissa ympäristöissä anaerobiset ja fakultatiiviset anaerobiset mikro-organismit suorittavat ammonifikaation kolmella tavalla:
• Pelkistys ja deaminaatio:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• Vesi{0}}pohjainen ammoniakin poisto:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• Kuivuminen ja deaminaatio:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
II. Nitrifikaatio: Ammoniakkitypen hapetus nitraattitypeksi
Nitrifikaatio on toinen ydinreaktio, joka hapettaa NH3-N:n NOx-N:ksi, jonka synergistisesti täydentävät nitriittibakteerit ja nitraattibakteerit, ja se on jaettu kahteen vaiheeseen: nitritointiin ja nitrifikaatioon.
1. Reaktiomekanismi
• Nitritaatioreaktio (hallitsevat nitriittibakteerit):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5kJ
• Nitrifikaatioreaktio (hallitsevat nitrobakteerit):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• Kokonaisreaktiokaava:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69kJ
2. Tärkeimmät prosessin ominaisuudet
• Suuri hapenkulutus: Teoreettinen kulutus 4,2g 1g poistoa kohti, joten nitrifikaatioreaktio on suoritettava riittävissä ilmastusolosuhteissa.
• Alhainen kasvunopeus: Nitrifikaatiobakteerien solusaanto on erittäin alhainen, ja ne ovat alttiimpia riittämättömälle aktiivisuudelle kylminä talvikuukausina. Siksi on välttämätöntä ylläpitää korkeaa lietteen pitoisuutta käsittelyn tehokkuuden varmistamiseksi.
• Alkalisuuden kulutus: Reaktio tuottaa suuren määrän H+. Teoriassa 7,54 g alkalisuutta (laskettuna CaCO3:na) kuluu jokaista 1 g hapettumista kohden. On välttämätöntä ylläpitää järjestelmän pH-stabiilisuutta lisäämällä alkalisia aineita.
III. Denitrifikaatio: Nitraattitypen pelkistäminen typpikaasuksi
Denitrifikaatio on viimeinen vaihe typen poistamisessa jätevedestä. Se viittaa prosessiin, jossa denitrifioivat bakteerit pelkistävät NOx−N:n ja muut typen oksidit typpikaasuksi tai kaasumaisiksi typen oksideiksi elektronien vastaanottajiksi anaerobisissa tai happivajaisissa olosuhteissa (DO < 0,3–0,5 mg/L).
1. Reaktiomekanismi
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Täydellinen pelkistysreaktio (ottamalla esimerkiksi orgaaniset yhdisteet elektronin luovuttajiksi):
NO3−+5[H] (elektronin luovuttaja) → 0,5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (elektronin luovuttaja) → 0,5N2 + H2O + OH−
2. Hiililähdevaatimukset ja mikrobien ominaisuudet
• Hiililähteen kulutus: Teoreettisesti tarvitaan 2,86 g hiililähdettä 1 g nitraattityppeä muuttamaan N2:ksi ja 1,71 g orgaanista ainetta 1 g nitriittitypen muuntamiseen.
• Elektronien luovuttajien monimuotoisuus: [H] voidaan tuottaa orgaanisilla yhdisteillä, sulfideilla jne., mikä tarjoaa useita hiililähdevaihtoehtoja prosessin optimointiin.
• Mikrobiominaisuudet: Denitrifioivat bakteerit ovat enimmäkseen fakultatiivisia bakteereja, jotka hengittävät käyttämällä O2:ta terminaalisena elektronin vastaanottajana hapen läsnä ollessa ja käyttävät NOx−N:ää hengitykseen ilman happea. Tämä ominaisuus on hapettoman denitrifikaatioprosessin ydin.
Yhteenveto
Typen biologinen muutos jätevedessä on ketjuprosessi, joka liittyy toisiinsa:
Ammonifikaatio hajottaa orgaanisia typpimolekyylejä vapauttaen ammoniakkityppeä;
Nitrifikaatio käsittää ammoniumtypen asteittaisen hapettumisen nitraattitypeksi aerobisessa ympäristössä;
Denitrifikaatio pelkistää nitraattitypen typpikaasuksi hapettomissa ympäristöissä, mikä lopulta johtaa typen poistoon vesistöistä ilmakehään.
Tämän prosessin tehokas toiminta perustuu avainparametrien, kuten happipitoisuuden, emäksisuuden, hiilen lähteen ja lämpötilan, tarkaan hallintaan, ja se toimii keskeisenä teknisenä tukena vakaan typenpoiston saavuttamiseksi nykyaikaisissa kaupunkijätevesilaitoksissa ja teollisuuden jätevesien käsittelyssä.