Механизм процесса нитрификации-денитрификации

Процесс трансформации органического азота, поступающего с физиологическими выделениями человека и животных, начинается в канализационной сети. В результате аммонификации, протекающей под воздействием уробактерий, мочевина -CO(NH₂)₂ - основная составляющая мочи, гидролизуется с образованием углекислого аммония.

CO(NH₂)₂ + 2H₂O = (NH₄)₂CO₃

Углекислый аммоний диссоциирует на аммиак, углекислый газ и воду

(NH₄)₂CO₃ = 2NH₃ ↑ + CO₂↑ + H₂O

В водном растворе аммиак присутствует в виде гидроксида аммония

NH₃ + H₂O = NH₄ OH

После полной аммонификации азот присутствует в сточной жидкости, в зависимости от значений рН, в виде аммиака (NH₃) или иона аммония (NH⁺). При увеличении рН концентрация аммония (NH⁺) снижается, а NH₃ увеличивается.

Сточная жидкость, поступающая на очистные сооружения канализации, содержит растворимые и нерастворимые вещества органического и минерального происхождения. Нерастворимые оседающие частицы органического и минерального происхождения задерживаются в песколовках и первичных отстойниках. В первичных отстойниках также происходит снижение азота органического, остаток которого в дальнейшем аммонифицируется в аэротенках. С осветленной сточной жидкостью в аэротенк направляются легко окисляемый органический субстрат, а также соединения азота, фосфора, серы и др.

В аэротенках облигатные аэробы и факультативные анаэробы окисляют легко окисляемый питательный субстрат до угольной кислоты, неустойчивого соединения, диссоциирующего на СО₂ и H₂O, при этом значения БПК_полн снижается до 15 мг/л. Если фактическая продолжительность нахождения сточной жидкости в аэротенке превышает расчетную, необходимую для снижения БПК_полн до 15мг/л, в сооружении начинает развиваться процесс нитрификации, т.е. окисления азотсодержащих соединений.

Окисление азота осуществляется автотрофными облигатными аэробами, использующими для синтеза клетки неорганический углерод, присутствующий в сточной жидкости в виде СО₂ , HCO и CO _. Наиболее легкоусвояемой формой является бикарбонат. Окисление азота протекает в две стадии. На первой стадии образуются нитриты

2NH₃ + 3О₂ = 2HNO₂ + 2H₂O + 158ккал/моль

В окислении азота аммонийного до NO принимают участие нитрозные бактерии (Nitrosomonas), имеющие грамотрицательный заряд. Нитриты относятся к неустойчивому соединению: при недостатке кислорода (0,5-1мг/л) они восстанавливаются до NO, N₂O, N₂ или NH , а при его избытке (3-4мг/л) нитриты окисляются нитратными бактериями (Nitrobacter) до нитратов

2HNO₂ +О₂ = 2HNO₃ +48 ккал/моль

В любой биологической системе в ходе изъятия загрязнений образуется избыточная биомасса. К сожалению, мнения по приросту активного ила в нитрификаторе расходятся. Одни исследователи считают, что прирост ила в нитрификаторе настолько мал, что им можно пренебречь. Другие исследователи настоятельно рекомендуют определять прирост из расчета 0,15мг ила на 1мг окисленного азота аммонийного. В рассматриваемых далее примерах прирост ила в нитрификаторе принят равным нулю.

На процесс нитрификации существенное влияние оказывает температура сточной жидкости, начальная концентрация азота аммонийного, растворенный кислород, доза ила и его зольность. Расчет нитрификатора, как и аэротенка, производится на самый неблагоприятный холодный период года. Концентрацию растворенного кислорода можно принимать равной 3-4мг/л. Зольность ила в нитрификаторе по сравнению с денитрификатором и аэротенком может быть выше на 5-10%.

В денитрификаторе при наличии питательного субстрата и циркулирующего активного ила, обогащенного нитратами, развивается процесс денитрификации, т.е. восстановление нитратов до элементарного азота.

NO₃ → NO₂ → NO → N₂O → N₂

В условиях острого дефицита кислорода (0,1-0,2мг/л) факультативные анаэробы способны использовать для дыхания связанный кислород нитратов. Поддержание активного ила во взвешенном состоянии производится мешалками. Не допускается перемешивание воздухом, так как микроорганизмы активного ила очень быстро перестраиваются на использование свободного кислорода. В денитрификаторе необходимо поддерживать требуемое соотношение углерод- и азотсодержащих соединений. Это соотношение должно быть БПК_полн: N-NO₃ = 3…6:1, оптимальным является соотношение БПК_полн: N-NO₃ = 4:1. Процесс восстановления азота нитратного осуществляется факультативными анаэробами. При денитрификации в результате расщепления легко окисляемого субстрата сточная жидкость обогащается компонентами угольной кислоты (СО₂, НСО , СО ). В качестве питательного субстрата в денитрификаторе могут использоваться сточная жидкость, метанол (СН₃ОН), этанол (С₂Н₅ОН), уксусная кислота (СН₃СООН) и другие карбоновые кислоты. При использовании метанола он окисляется до элементарных соединений, а нитраты восстанавливаются до N₂.

5СН₃ОН + 6 NО =5 НСО +3 N₂ + ОН +7Н₂О

Прирост активного ила в денитрификаторе некоторые исследователи рекомендуют определять из расчета 0,5 мг активного ила на 1 мг восстановленного азота нитратов. На наш взгляд, это ошибочные рекомендации, так как количество образующейся биомассы зависит от БПК_полн сточной жидкости, поступающей в денитрификатор.

В рассматриваемых далее примерах прирост ила в денитрификаторе (Пi)_ден определяется в зависимости от вида органического субстрата:

- в случае использования метанола, уксусной кислоты, спиртов и др. прирост ила принят равным БПК_полн поступающей сточной жидкости - (Пi)_ден ≈ (Len)_ден

- при использовании сточной воды - он определяется по формуле определения прироста ила в аэротенках.

Если денитрификатор устанавливается на последней стадии очистки, то после него предусматривается постаэратор с продолжительностью пребывания сточной жидкости в течение 0,5 -1 часа для отдувки азота (N₂), который, попав во вторичный отстойник, затруднит осаждение активного ила. Отдувка производится воздухом, удельный расход которого составляет 0,5 м³/м³ в час. В постаэраторе одновременно с отдувкой азота происходит частичное доокисление органических веществ, поступивших из денитрификатора в случае передозировки питательного субстрата.

Возможные варианты удаления азота из сточной жидкости.

Удаление азота методом нитрификации-денитрификации (по Людзак-Эттингеру) может осуществляться по трем схемам (рис.1).

При удалении из сточной жидкости азота по схеме «а» денитрификатор устанавливается в начале. Причем в качестве питательного субстрата используются загрязнения поступающей на очистку сточной жидкости. В случае недостатка питательного субстрата вводится искусственный субстрат. Если количество питательного субстрата сточной жидкости превышает количество, необходимое для восстановления поступающего в денитрификатор азота нитратного, то после денитрификации желательно предусмотреть аэротенк, в котором БПК_полн. сточной жидкости будет снижаться до 15 мг/л. Устройство нитрификатора на последней стадии очистки стоков не позволяет удалить из сточной жидкости азот, как в схеме «б», а может лишь обеспечить полное окисление азота аммонийного до азота нитратного. Концентрация N-NO₃ в очищенной сточной жидкости зависит от степени рециркуляции активного ила: чем она выше, тем ниже концентрация азота нитратного.

Применяя технологическую схему «б», в которой денитрификатор расположен в конце и применяется искусственный органический субстрат, из сточной жидкости можно удалить практически весь азот.

Схема «в» отличается от схемы «б» тем, что поступающая из первичных отстойников сточная жидкость делится на два потока: один направляется в аэротенк, другой – в денитрификатор. При высоких значениях БПК_полн. осветленной сточной жидкости исключается применение искусственного питательного субстрата. Недостатком этой схемы является присутствие в очищенной сточной жидкости, сбрасываемой в водоем, азота аммонийного, поступившего в денитрификатор с осветленной водой. Его концентрация также зависит от степени рециркуляции.

В состав сооружений по удалению азота методом нитрификации-денитрификации входят: аэротенки, нитрификаторы, денитрификаторы, постаэраторы.

Расчет сооружений по удалению из сточной жидкости азота сводится к определению:

-объемов аэротенка, нитрификатора, денитрификатора, постаэратора;

-требуемого объема воздуха для аэротенка, нитрификатора и постаэратора;

-требуемого количества питательного субстрата для восстановления окисленной формы азота (NO ) до элементарного (N₂);

-сухого вещества и объема избыточного ила, образующегося в аэротенках, нитрификаторах, денитрификторах в результате изъятия из сточной жидкости органических загрязнений и азота.

Ниже приводятся алгоритмы расчета нитрификаторов-денитрификаторов по двум схемам («а» и «в»).

Расшифровка буквенных обозначений, использованных в расчетных формулах, приведена в алгоритме расчета по схеме «а».

При выполнении курсового проекта в полном объеме подбор воздуходувок производится с учетом расхода воздуха на все технологические нужды.

Рис.1. Возможные схемы удаления из сточной жидкости азота методом нитрификации-денитрификации.

1-первичный отстойник; 2-аэротенк; 3-нитрификатор;

4-денитрификатор; 5-постаэратор; 6-вторичный отстойник;

7-насосная станция циркулирующего активного ила;

8-циркулирующий активный ил.