Reoveepuhastuse valdkonnas on lämmastiku bioloogiline muundamine lämmastiku ja fosfori eemaldamise ning heitenormide täitmise põhiprotsess. See protsess ei hõlma mitte ühte reaktsiooni, vaid pigem kolme põhietapi koordineeritud lõpuleviimist: ammonifikatsioon, nitrifikatsioon ja denitrifikatsioon. Üheskoos muudavad need etapid järk-järgult heitvees sisalduva kompleksse orgaanilise ja anorgaanilise lämmastiku kahjutuks lämmastikgaasiks, vähendades põhimõtteliselt veekogude lämmastikukoormust.
Sissejuhatus
Reovees sisalduv lämmastik esineb peamiselt orgaanilise lämmastiku (nagu valk ja uurea) ja ammoniaaklämmastiku kujul. Otsene heide võib põhjustada keskkonnaprobleeme, näiteks veekogude eutrofeerumist. Bioloogilised puhastusmeetodid, mille eelisteks on kõrge efektiivsus ja ökonoomsus, on muutunud reoveest lämmastiku eemaldamise peamiseks tehnoloogiaks. Põhiprintsiip on kasutada ära erinevate mikroorganismide metaboolsed aktiivsused konkreetsetes keskkonnatingimustes lämmastikuelementide järkjärguliseks muundamiseks, saavutades lõpuks gaasilise eemaldamise veekogudest atmosfääri. Järgnev lahkab süstemaatiliselt selle protsessi põhimehhanismi.
I. Ammonifikatsioon: orgaanilise lämmastiku muundamine ammooniumlämmastikuks
Ammonifikatsioon on esimene samm reoveest lämmastiku eemaldamisel, mis viitab orgaaniliste lämmastikuühendite muundamisele
Protsessi soodustavad eelkõige ammoniseerivad bakterid. Sõltuvalt keskkonna hapnikusisaldusest võib selle jagada kahte rada: aeroobne transformatsioon ja anaeroobne transformatsioon.
1. Aeroobne transformatsioon
Aeroobsetes tingimustes osalevad reaktsioonis mikroorganismid, nagu Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus ja fakultatiivne Proteus vulgaris, lagundes peamiselt orgaanilist lämmastikku kahe peamise mehhanismi kaudu:
• Oksüdatiivne deaminatsioon: oksüdaaside katalüüsil kaotavad aminohapped järk-järgult oma aminorühmad, tekitades ketohappeid ja ammoniaaki.
Võttes näiteks alaniini:
CH3CH(NH2)COOH → CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3
(alaniin → iminopropioonhape → püroviinamarihape + ammoniaak)
• Ammoniaagi hüdrolüüs: hüdrolüütiliste ensüümide toimel hüdrolüüsitakse lämmastikku{0}}sisaldavaid orgaanilisi ühendeid, nagu uurea, saades ammoniaagi.
Karbamiidi hüdrolüüsi reaktsioon:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
Selles protsessis osalevad bakterid hõlmavad aeroobseid baktereid, nagu Enterococcus faecalis ja Bacillus uurea.
2. Anaeroobne muundamine
Anaeroobses või hapnikuvaeses{0}}keskkonnas viivad anaeroobsed ja fakultatiivsed anaeroobsed mikroorganismid ammonifikatsiooni lõpule kolmel viisil:
• Redutseerimine ja deamineerimine:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH NH3
• Vee{0}}põhine ammoniaagi eemaldamine:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH NH3
• Dehüdratsioon ja deaminatsioon:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH NH3+H2O
II. Nitrifikatsioon: ammoniaaklämmastiku oksüdeerimine nitraatlämmastikuks
Nitrifikatsioon on teine tuumareaktsioon, mis oksüdeerib NH3-N NOx-N-ks, mille viivad sünergistlikult lõpule nitritibakterid ja nitraadibakterid ning mis jaguneb kaheks etapiks: nitritimine ja nitrifikatsioon.
1. Reaktsioonimehhanism
• Nitritimisreaktsioon (domineerivad nitritibakterid):
NH3 + 1.5O2 → NO2− H+ + H2O + 273.5kJ
• Nitrifikatsioonireaktsioon (domineerivad nitrobakterid):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• Reaktsiooni üldvalem:
NH3 + 2O2 → NO3− H+ + H2O + 346.69kJ
2. Protsessi põhiomadused
• Suur hapnikutarve: teoreetiline kulu 4,2g 1g eemaldamise kohta, seetõttu tuleb nitrifikatsioonireaktsioon läbi viia piisavates õhutustingimustes.
• Madal kasvukiirus: nitrifitseerivatel bakteritel on äärmiselt madal rakusaak ja nad on külmadel talvekuudel ebapiisava aktiivsuse suhtes altid. Seetõttu on puhastamise efektiivsuse tagamiseks vajalik säilitada muda kõrge kontsentratsioon.
• Aluselisuse tarbimine: reaktsioon tekitab suures koguses H+.. Teoreetiliselt kulub iga 1 g oksüdatsiooni kohta 7,54 g aluselist (arvutatud CaCO3-na). Leeliseliste ainete lisamisega on vaja säilitada süsteemi pH stabiilsus.
III. Denitrifikatsioon: nitraatlämmastiku redutseerimine gaasiliseks lämmastiks
Denitrifikatsioon on reoveest lämmastiku eemaldamise viimane etapp. See viitab protsessile, kus denitrifitseerivad bakterid redutseerivad NOx−N ja teised lämmastikoksiidid gaasiliseks lämmastikoksiidiks või gaasilisteks lämmastikoksiidideks kui elektronaktseptoriteks anaeroobsetes või hapnikuvaeguses (DO < 0,3–0,5 mg/L) tingimustes.
1. Reaktsioonimehhanism
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Täielik redutseerimisreaktsioon (näiteks orgaanilised ühendid kui elektronidoonorid):
NO3−+5[H] (elektronidoonor) → 0,5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (elektronidoonor) → 0,5N2 + H2O + OH−
2. Nõuded süsinikuallikale ja mikroobide omadused
• Süsinikuallika tarbimine: teoreetiliselt on vaja 2,86 g süsinikuallikat 1 g nitraatlämmastiku muundamiseks N2-ks ja 1,71 g orgaanilist ainet 1 g nitritilämmastiku muundamiseks.
• Elektronide doonorite mitmekesisus: [H]-d võivad pakkuda orgaanilised ühendid, sulfiidid jne, pakkudes protsessi optimeerimiseks mitut süsinikuallika võimalust.
• Mikroobide omadused: Denitrifitseerivad bakterid on enamasti fakultatiivsed bakterid, mis hingavad hapniku juuresolekul terminaalse elektroni aktseptorina O2 ja hapniku puudumisel kasutavad hingamiseks NOx−N. See omadus on anoksilise denitrifikatsiooniprotsessi põhialus.
Kokkuvõte
Lämmastiku bioloogiline muundamine kanalisatsioonis on ahelprotsess, mis on omavahel seotud:
Ammonifikatsioon lagundab orgaanilisi lämmastiku molekule, vabastades ammoniaaklämmastikku;
Nitrifikatsioon hõlmab aeroobses keskkonnas ammooniumlämmastiku järkjärgulist oksüdeerumist nitraatlämmastikuks;
Denitrifikatsioon redutseerib nitraatlämmastiku anoksilises keskkonnas lämmastikgaasiks, saavutades lõpuks lämmastiku eemaldamise veekogudest atmosfääri.
Selle protsessi tõhus toimimine sõltub täpsest kontrollist selliste põhiparameetrite üle nagu hapnikusisaldus, aluselisus, süsinikuallikas ja temperatuur ning see on põhiline tehniline tugi, et saavutada stabiilne lämmastiku eemaldamine kaasaegsetes linnareoveejaamades ja tööstusliku reoveepuhastuses.
