Op het gebied van de afvalwaterzuivering is de biologische omzetting van stikstof het kernproces voor het bereiken van stikstof- en fosforverwijdering en het voldoen aan de emissienormen. Dit proces omvat niet één enkele reactie, maar eerder een gecoördineerde voltooiing van drie belangrijke stappen: ammonificatie, nitrificatie en denitrificatie. Samen zetten deze stappen complexe organische stikstof en anorganische stikstof in afvalwater geleidelijk om in onschadelijk stikstofgas, waardoor de stikstofbelasting in waterlichamen fundamenteel wordt verminderd.
Invoering
Stikstof in rioolwater komt voornamelijk voor in de vorm van organische stikstof (zoals eiwit en ureum) en ammoniakstikstof. Directe lozingen kunnen leiden tot milieuproblemen zoals eutrofiëring van waterlichamen. Biologische zuiveringsmethoden, met hun voordelen van hoge efficiëntie en zuinigheid, zijn de reguliere technologie geworden voor de verwijdering van stikstof uit rioolwater. Het kernprincipe is het gebruik van de metabolische activiteiten van verschillende micro-organismen onder specifieke omgevingsomstandigheden om stikstofelementen geleidelijk te transformeren, waardoor uiteindelijk gasverwijdering uit waterlichamen naar de atmosfeer wordt bereikt. Het volgende zal systematisch het kernmechanisme van dit proces ontleden.
I. Ammonificatie: de omzetting van organische stikstof in ammoniakale stikstof
Ammonificatie is de eerste stap in de stikstofverwijdering uit afvalwater en verwijst naar de omzetting van organische stikstofverbindingen in
Het proces wordt voornamelijk vergemakkelijkt door ammoniserende bacteriën. Afhankelijk van het zuurstofgehalte van de omgeving kan het worden onderverdeeld in twee routes: aërobe transformatie en anaërobe transformatie.
1. Aërobe transformatie
Onder aërobe omstandigheden nemen micro-organismen zoals Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus en facultatieve Proteus vulgaris deel aan de reactie, waarbij ze voornamelijk organische stikstof afbreken via twee hoofdmechanismen:
• Oxidatieve deaminatie: Onder de katalyse van oxidasen verliezen aminozuren geleidelijk hun aminogroepen, waardoor ketozuren en ammoniak ontstaan.
Neem alanine als voorbeeld:
CH3CH(NH2)COOH → CH3C(NH2) COOH → CH3 COCOOH + NH3
(Alanine → iminopropionzuur → pyrodruivenzuur + ammoniak)
• Hydrolyse van ammoniak: onder invloed van hydrolytische enzymen worden stikstof-bevattende organische verbindingen zoals ureum gehydrolyseerd om ammoniak te produceren.
Ureumhydrolysereactie:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
De bacteriën die bij dit proces betrokken zijn, zijn onder meer aerobe bacteriën zoals Enterococcus faecalis en Bacillus ureum.
2. Anaerobe conversie
In anaerobe of zuurstofarme- omgevingen voltooien anaerobe en facultatieve anaerobe micro-organismen de ammonificatie via drie routes:
• Reductie en deaminatie:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• Water-verwijdering van ammoniak:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• Uitdroging en deaminatie:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
II. Nitrificatie: Oxidatie van ammoniakstikstof tot nitraatstikstof
Nitrificatie is de tweede kernreactie die NH3−N oxideert tot NOx−N, die synergetisch wordt voltooid door nitrietbacteriën en nitraatbacteriën, en is verdeeld in twee fasen: nitritatie en nitrificatie.
1. Reactiemechanisme
• Nitritatiereactie (gedomineerd door nitrietbacteriën):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5kJ
• Nitrificatiereactie (gedomineerd door nitrobacteriën):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• Algemene reactieformule:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69kJ
2. Belangrijkste proceskenmerken
• Hoog zuurstofverbruik: Theoretisch verbruik van 4,2 g per verwijdering van 1 g, daarom moet de nitrificatiereactie worden uitgevoerd onder voldoende beluchtingsomstandigheden.
• Lage groeisnelheid: Nitrificerende bacteriën hebben een extreem lage celopbrengst en zijn gevoeliger voor onvoldoende activiteit tijdens de koude wintermaanden. Daarom is het noodzakelijk om een hoge slibconcentratie te handhaven om de efficiëntie van de behandeling te garanderen.
• Alkaliteitsverbruik: De reactie genereert een grote hoeveelheid H.+. Theoretisch wordt 7,54 g alkaliteit (berekend als CaCO3) verbruikt voor elke 1 g oxidatie. Het is noodzakelijk om de pH-stabiliteit van het systeem te handhaven door alkalische middelen toe te voegen.
III. Denitrificatie: Reductie van nitraatstikstof tot stikstofgas
Denitrificatie is de laatste stap in de stikstofverwijdering uit afvalwater. Het verwijst naar het proces waarbij denitrificerende bacteriën NOx−N en andere stikstofoxiden reduceren tot stikstofgas of gasvormige stikstofoxiden als elektronenacceptoren onder anaerobe of zuurstof{1}}deficiënte (DO < 0,3~0,5 mg/l) omstandigheden.
1. Reactiemechanisme
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Volledige reductiereactie (als voorbeeld nemen we organische verbindingen als elektronendonoren):
NO3−+5[H] (elektronendonor) → 0,5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (elektronendonor) → 0,5N2 + H2O + OH−
2. Eisen aan koolstofbronnen en microbiële kenmerken
• Koolstofbronverbruik: Theoretisch is er 2,86 g koolstofbron nodig om 1 g nitraatstikstof om te zetten in N2, en 1,71 g organisch materiaal om 1 g nitrietstikstof om te zetten.
• Diversiteit aan elektronendonoren: [H] kan worden geleverd door organische verbindingen, sulfiden, enz., waardoor meerdere opties voor koolstofbronnen voor procesoptimalisatie worden geboden.
• Microbiële kenmerken: Denitrificerende bacteriën zijn meestal facultatieve bacteriën, die ademen met behulp van O2 als de terminale elektronenacceptor in aanwezigheid van zuurstof, en NOx−N gebruiken voor ademhaling in afwezigheid van zuurstof. Dit kenmerk vormt de kern van het anoxische denitrificatieproces.
Samenvatting
De biologische omzetting van stikstof in rioolwater is een ketenproces dat met elkaar verbonden is:
Ammonificatie breekt organische stikstofmoleculen af, waardoor ammoniakstikstof vrijkomt;
Nitrificatie omvat de geleidelijke oxidatie van ammoniakale stikstof tot nitraatstikstof in een aerobe omgeving;
Denitrificatie reduceert nitraatstikstof tot stikstofgas in anoxische omgevingen, waardoor uiteindelijk de verwijdering van stikstof uit waterlichamen naar de atmosfeer wordt bereikt.
De efficiënte werking van dit proces is afhankelijk van nauwkeurige controle over belangrijke parameters zoals zuurstofgehalte, alkaliteit, koolstofbron en temperatuur, en dient als de belangrijkste technische ondersteuning voor het bereiken van stabiele stikstofverwijdering in moderne stedelijke afvalwaterzuiveringsinstallaties en industriële afvalwaterzuivering.