In de dagelijkse praktijk van de afvalwaterzuivering hoor je vaak twee termen: nitrificatie en denitrificatie. Veel mensen die nieuw zijn in de behandeling van afvalwater hebben de neiging deze twee concepten met elkaar te verwarren. Ondanks hun vergelijkbare namen, die beide draaien om het personage "硝", spelen ze eigenlijk totaal verschillende rollen in de afvalwaterzuivering.
Simpel gezegd is nitrificatie verantwoordelijk voor de omzetting van ammoniakstikstof in nitraat, terwijl denitrificatie verantwoordelijk is voor de omzetting van nitraat in stikstofgas. Het ene is een oxidatieproces en het andere is een reductieproces. De twee processen zijn als een estafetterace, en alleen als ze in coördinatie worden voltooid, kan de stikstof in het rioolwater echt worden verwijderd.
Zodra dit punt wordt begrepen, wordt de logica achter verschillende stikstofverwijderingsprocessen, zoals A/O, AAO en oxidatiesloot, veel duidelijker.
I. Nitrificatie: het omzetten van ammoniakstikstof in nitraat
In huishoudelijk afvalwater en veel industrieel afvalwater komt stikstof voornamelijk voor in de vorm van ammoniakstikstof. Als ammoniakstikstof rechtstreeks in waterlichamen wordt geloosd, kan dit gemakkelijk leiden tot eutrofiëring en ook toxische effecten hebben op in het water levende organismen zoals vissen. Daarom moeten afvalwaterzuiveringsinstallaties eerst ammoniakstikstof omzetten.
Dit transformatieproces staat bekend als nitrificatie.
Nitrificatie is eigenlijk een oxidatieproces dat wordt uitgevoerd door micro-organismen en dat grofweg in twee stappen kan worden verdeeld:
De eerste stap is de oxidatie van ammoniakstikstof tot nitriet
Stap 2: Nitriet wordt verder geoxideerd tot nitraat
Het hele proces vereist voldoende zuurstof, dus nitrificatie vindt doorgaans plaats in aerobe omgevingen, zoals beluchtingstanks of biochemische MBR-tanks.
De micro-organismen die bij dit proces betrokken zijn, staan bekend als nitrificerende bacteriën. Ze verschillen van gewone heterotrofe bacteriën doordat ze tot de autotrofe categorie behoren en voornamelijk energie ontlenen aan anorganische stoffen. Hun groeisnelheid is relatief langzaam en ze zijn ook gevoelig voor veranderingen in het milieu.
Dit is ook de reden waarom veel afvalwaterzuiveringsinstallaties in de winter de neiging hebben om een afname van de nitrificatiecapaciteit te ervaren.
II. Denitrificatie: het omzetten van nitraat in stikstofgas
Hoewel nitrificatie het probleem van ammoniakstikstof heeft opgelost, is de stikstof in het water op dit punt nog niet echt verdwenen; het is alleen maar getransformeerd van de ene vorm naar de andere. Om stikstof echt uit afvalwater te ‘verwijderen’ moet de tweede stap - denitrificatie - worden voltooid.
Denitrificatie is een reductieproces. In een anaërobe omgeving gebruiken micro-organismen de zuurstof in nitraat en reduceren dit geleidelijk tot stikstofgas. Het reactiepad is grofweg als volgt:
Nitraat → Nitriet → Lachgas → Lachgas → Stikstof
Het uiteindelijk gegenereerde stikstofgas (N₂)* komt in gasvorm vrij in de lucht, waardoor de stikstof in het riool daadwerkelijk wordt verwijderd. De micro-organismen die dit proces voltooien, worden denitrificerende bacteriën genoemd. In tegenstelling tot nitrificerende bacteriën behoren ze tot heterotrofe bacteriën en hebben ze organische koolstof nodig als energiebron.
Dit is ook de reden waarom veel afvalwaterzuiveringsinstallaties koolstofbronnen moeten toevoegen tijdens de stikstofverwijdering.
III. Verschillende belangrijke verschillen tussen nitrificatie en denitrificatie
Als we deze twee processen samen bekijken, zullen we ontdekken dat ze in veel opzichten lijnrecht tegenover elkaar staan.
1. Verschillende zuurstofomstandigheden
Nitrificatie moet plaatsvinden in een aerobe omgeving, waarbij het niveau van opgeloste zuurstof doorgaans op ongeveer 2 mg/l moet worden gehouden.
Denitrificatie vereist een anaerobe omgeving waarin de opgeloste zuurstof onder de 0,5 mg/l wordt gehouden. Als er te veel zuurstof is, zullen denitrificerende bacteriën er de voorkeur aan geven zuurstof te gebruiken in plaats van nitraat.
Simpel gezegd gedijt nitrificatie in zuurstof, terwijl denitrificatie wordt geremd door zuurstof.
2. Verschillende soorten micro-organismen
Nitrificatie wordt voornamelijk tot stand gebracht door nitrificerende bacteriën, waaronder nitrosomonas en nitrobacter
Deze bacteriën behoren tot autotrofe bacteriën, die langzaam groeien en een langere slibleeftijd nodig hebben.
Denitrificatie wordt uitgevoerd door denitrificerende bacteriën, die tot de categorie heterotrofe bacteriën behoren en een relatief snellere groeisnelheid vertonen.
3. Verschillende vereisten voor koolstofbronnen
Nitrificerende bacteriën gebruiken voornamelijk anorganische stoffen voor energie en zijn over het algemeen niet afhankelijk van organische koolstofbronnen.
Denitrificerende bacteriën hebben organische koolstof nodig als elektronendonor. Wanneer de beschikbare organische stof in het afvalwater onvoldoende is, is het daarom vaak nodig om externe koolstofbronnen zoals natriumacetaat, methanol en glucose toe te voegen.
Bij de werking van veel afvalwaterzuiveringsinstallaties is een onvoldoende koolstofbron vaak een belangrijke factor die de efficiëntie van de stikstofverwijdering beïnvloedt.
4. De plaats van optreden is anders
Bij gebruikelijke stikstofverwijderingsprocessen worden de twee gewoonlijk in verschillende reactiezones gerangschikt.
In A/O- of AAO-processen bijvoorbeeld:
Anoxische tank - Denitrificatie Aërobe tank - Nitrificatie
Het door nitrificatie geproduceerde nitraat keert via interne recirculatie terug naar de anoxische zone, waar het verder wordt omgezet door denitrificerende bacteriën.
5. Verschillende eindresultaten
Het resultaat van nitrificatie is een afname van ammoniakstikstof en een toename van nitraat
Het resultaat van denitrificatie is: reductie van nitraat en productie van stikstofgas
Met andere woorden: stikstof kan het waterlichaam pas verlaten nadat de denitrificatie is voltooid.
IV. ze zijn eigenlijk een estafetterace
Vanuit een holistisch perspectief zijn nitrificatie en denitrificatie geen twee onafhankelijke processen, maar eerder twee opeenvolgende stappen in de biologische stikstofverwijdering.
Het gehele stikstofomzettingsproces kan eenvoudig worden opgevat als:
Ammoniakale stikstof → Nitrietstikstof → Nitraatstikstof → Nitrietstikstof → Stikstofgas
Nitrificatie is verantwoordelijk voor het omzetten van ammoniakstikstof in nitraat, terwijl denitrificatie verantwoordelijk is voor het terugbrengen van nitraat naar stikstofgas.
De twee zijn als een estafette met elkaar verbonden.
Als er alleen sprake is van nitrificatie en geen denitrificatie, zal het nitraat in het water alsnog eutrofiëring veroorzaken.
Als er geen sprake is van nitrificatie, zal er een gebrek zijn aan ‘grondstoffen’ voor denitrificatie.
Dit is ook de reden waarom de meeste stikstofverwijderingsprocessen zowel aerobe als anoxische zones omvatten.
V. Conclusie
Op het gebied van afvalwaterzuivering lijken veel concepten op elkaar, maar de onderliggende logica is totaal anders.
Nitrificatie en denitrificatie zijn een typisch paar.
De ene vindt plaats in een aërobe omgeving, terwijl de andere plaatsvindt in een anaërobe omgeving;
De ene is verantwoordelijk voor het oxideren van ammoniakstikstof en de andere is verantwoordelijk voor het verminderen van nitraat;
Alleen wanneer deze twee worden gecombineerd kan een compleet biologisch stikstofverwijderingsproces ontstaan.
Nu we dit hebben begrepen, kunnen we, als we kijken naar verschillende stikstofverwijderingsprocessen, zoals A/O, AAO en oxidatiesloot, zien dat ze allemaal rond deze twee stappen zijn geoptimaliseerd en gecombineerd.
Veel complexe processen in de rioolwaterzuivering creëren uiteindelijk feitelijk een geschikte "werkomgeving" voor deze micro-organismen.