Jätevedenkäsittelyn päivittäisessä toiminnassa kuullaan usein kaksi termiä: nitrifikaatio ja denitrifikaatio. Monet ihmiset, jotka ovat uusia jätevesien käsittelyssä, sekoittavat nämä kaksi käsitettä. Huolimatta samankaltaisista nimistä, jotka molemmat pyörivät "硝" -hahmon ympärillä, heillä on itse asiassa täysin erilaiset roolit jätevesien käsittelyssä.
Yksinkertaisesti sanottuna nitrifikaatio on vastuussa ammoniakkitypen muuttamisesta nitraatiksi, kun taas denitrifikaatio on vastuussa nitraatin muuntamisesta typpikaasuksi. Toinen on hapetusprosessi ja toinen pelkistysprosessi. Nämä kaksi prosessia ovat kuin viestikilpailu, ja vasta kun ne on saatu päätökseen yhdessä, jäteveden typpi voidaan todella poistaa.
Kun tämä seikka on ymmärretty, eri typenpoistoprosessien, kuten A/O:n, AAO:n ja hapetusojan, taustalla oleva logiikka tulee paljon selkeämmäksi.
I. Nitrifikaatio: ammoniakkitypen muuttaminen nitraatiksi
Talousjätevesissä ja monissa teollisuusjätevesissä typpeä on pääasiassa ammoniakkitypen muodossa. Jos ammoniakkityppeä pääsee suoraan vesistöihin, se voi helposti johtaa rehevöitymiseen ja aiheuttaa myrkyllisiä vaikutuksia vesieliöille, kuten kaloihin. Siksi jätevedenpuhdistamoiden on ensin muutettava ammoniakkityppi.
Tämä muunnosprosessi tunnetaan nimellä nitrifikaatio.
Nitrifikaatio on itse asiassa mikro-organismien suorittama hapetusprosessi, joka voidaan jakaa karkeasti kahteen vaiheeseen:
Ensimmäinen vaihe on ammoniakkitypen hapetus nitriitiksi
Vaihe 2: Nitriitti hapetetaan edelleen nitraatiksi
Koko prosessi vaatii riittävästi happea, joten nitrifikaatiota tapahtuu tyypillisesti aerobisissa ympäristöissä, kuten ilmastussäiliöissä tai MBR-biokemian säiliöissä.
Tähän prosessiin osallistuvat mikro-organismit tunnetaan nitrifioivina bakteereina. Ne eroavat tavallisista heterotrofisista bakteereista siinä, että ne kuuluvat autotrofiseen luokkaan ja saavat energiaa ensisijaisesti epäorgaanisista aineista. Niiden kasvuvauhti on suhteellisen hidasta, ja ne ovat myös herkkiä ympäristön muutoksille.
Tästä syystä monien jätevedenpuhdistamoiden nitrifikaatiokyky heikkenee talvella.
II. Denitrifikaatio: nitraatin muuttaminen typpikaasuksi
Vaikka nitrifikaatio on ratkaissut ammoniakkitypen ongelman, vedessä oleva typpi ei ole tässä vaiheessa todella kadonnut; se on vain muuttunut muodosta toiseen. Jotta typen todella "poistetaan" jätevedestä, toinen vaihe - denitrifikaatio - on suoritettava loppuun.
Denitrifikaatio on pelkistysprosessi. Anaerobisessa ympäristössä mikro-organismit hyödyntävät nitraatissa olevaa happea ja pelkistävät sen vähitellen typpikaasuksi. Reaktioreitti on suunnilleen seuraava:
Nitraatti → nitriitti → typpioksiduuli → typpioksiduuli → typpi
Lopulta muodostunut typpikaasu (N2)* vapautuu ilmaan kaasumaisessa muodossa, jolloin jäteveden typpi todella poistuu. Mikro-organismeja, jotka suorittavat tämän prosessin loppuun, kutsutaan denitrifioiviksi bakteereiksi. Toisin kuin nitrifioivat bakteerit, ne kuuluvat heterotrofisiin bakteereihin ja tarvitsevat orgaanista hiiltä energialähteenä.
Tästä syystä monien jätevedenpuhdistamoiden on lisättävä hiililähteitä typenpoiston aikana.
III. Useita keskeisiä eroja nitrifikaation ja denitrifikaation välillä
Jos tarkastelemme näitä kahta prosessia yhdessä, huomaamme, että ne ovat monilta osin täysin vastakkaisia.
1. Erilaiset happiolosuhteet
Nitrifikaation on tapahduttava aerobisessa ympäristössä, mikä vaatii tyypillisesti liuenneen hapen pitoisuuden pysymistä noin 2 mg/l:ssa.
Denitrifikaatio vaatii anaerobista ympäristöä, jossa liuennutta happea pidetään alle 0,5 mg/l. Jos happea on liikaa, denitrifioivat bakteerit käyttävät mieluummin happea kuin nitraattia.
Yksinkertaisesti sanottuna nitrifikaatio viihtyy hapessa, kun taas happi estää denitrifikaatiota.
2. Erityyppiset mikro-organismit
Nitrifikaatio tapahtuu pääasiassa nitrifioivien bakteerien avulla, joita ovat nitrosomonas ja nitrobakteerit
Nämä bakteerit kuuluvat autotrofisiin bakteereihin, jotka kasvavat hitaasti ja vaativat pidemmän lietteen iän.
Denitrifikaatiota suorittavat denitrifioivat bakteerit, jotka kuuluvat heterotrofisten bakteerien luokkaan ja joilla on suhteellisen nopeampi kasvunopeus.
3. Erilaiset hiililähdevaatimukset
Nitrifioivat bakteerit käyttävät energiana ensisijaisesti epäorgaanisia aineita eivätkä yleensä ole riippuvaisia orgaanisista hiilen lähteistä.
Denitrifioivat bakteerit tarvitsevat orgaanista hiiltä elektronin luovuttajana. Siksi, kun jätevedessä olevaa orgaanista ainetta ei ole riittävästi, on usein tarpeen lisätä ulkoisia hiilen lähteitä, kuten natriumasetaattia, metanolia ja glukoosia.
Monien jätevesilaitosten toiminnassa riittämätön hiililähde on usein merkittävä typenpoistotehokkuuteen vaikuttava tekijä.
4. Tapahtumapaikka on erilainen
Tavallisissa typenpoistoprosesseissa nämä kaksi on yleensä järjestetty eri reaktioalueille.
Esimerkiksi A/O- tai AAO-prosesseissa:
Anoksinen säiliö - Denitrifikaatio Aerobinen säiliö - Nitrifikaatio
Nitrifikaation kautta tuotettu nitraatti palaa sisäisen kierrätyksen kautta hapettomalle alueelle, jossa denitrifioivat bakteerit muuttavat sitä edelleen.
5. Erilaiset lopputulokset
Nitrifikaation seurauksena ammoniakkitypen määrä vähenee ja nitraattipitoisuus lisääntyy
Denitrifikaation tulos on: nitraatin pelkistyminen ja typpikaasun muodostuminen
Toisin sanoen typpi voi poistua vesistöstä vasta denitrifikaation päätyttyä.
IV. ne ovat itse asiassa viestikilpailu
Kokonaisvaltaisesta näkökulmasta nitrifikaatio ja denitrifikaatio eivät ole kaksi itsenäistä prosessia, vaan pikemminkin kaksi peräkkäistä vaihetta biologisessa typenpoistossa.
Koko typen konversioprosessi voidaan yksinkertaisesti ymmärtää seuraavasti:
Ammoniumtyppi → nitriittityppi → nitraattityppi → nitriittityppi → typpikaasu
Nitrifikaatio on vastuussa ammoniakkitypen muuttamisesta nitraatiksi, kun taas denitrifikaatio on vastuussa nitraatin pelkistämisestä takaisin typpikaasuksi.
Nämä kaksi ovat yhteydessä toisiinsa kuin viestikilpailu.
Jos tapahtuu vain nitrifikaatiota eikä denitrifikaatiota, vedessä oleva nitraatti aiheuttaa silti rehevöitymistä.
Jos nitrifikaatiota ei tapahdu, denitrifikaation "raaka-aineista" tulee pulaa.
Tästä syystä useimmat typenpoistoprosessit sisältävät sekä aerobisia että hapettomia vyöhykkeitä.
V. Johtopäätös
Jätevedenkäsittelyn alalla monet käsitteet voivat näyttää samanlaisilta, mutta taustalla oleva logiikka on täysin erilainen.
Nitrifikaatio ja denitrifikaatio ovat tyypillinen pari.
Toinen esiintyy aerobisessa ympäristössä, kun taas toinen tapahtuu anaerobisessa ympäristössä;
Toinen on vastuussa ammoniakkitypen hapettamisesta ja toinen nitraatin pelkistämisestä;
Vain kun nämä kaksi yhdistetään, voidaan muodostaa täydellinen biologinen typenpoistoprosessi.
Tämän ymmärtämisen jälkeen, kun tarkastelemme erilaisia typenpoistoprosesseja, kuten A/O, AAO ja hapetusoja, voimme nähdä, että ne kaikki on optimoitu ja yhdistetty näiden kahden vaiheen ympärille.
Monet monimutkaiset jätevedenkäsittelyprosessit luovat viime kädessä sopivan "työympäristön" näille mikro-organismeille.
