Нитробактер и нитросомонас, их роль в очистке сточных вод

Процесс нитрификации осуществляется нитрифицирующими бактериями. В этом процессе участвуют две группы бактерий. Первая окисляет аммиак до нитрита, а вторая нитрит до нитрата. Наиболее известные из них Nitrosomonas europaea и Nitrobacter winogradskyi соответственно. Нитрификаторы - это грамотрицательные бактерии, принадлежащие к семейству Nitrobacteraceae. Нитрифицирующие бактерии можно выращивать на чисто минеральных средах, но в таких условиях они растут медленно.

Окисления аммиака можно представить в виде цепочки промежуточных продуктов:

NH₃ → NH₂OH → [NOH] → NO^2- → NO^3-

Первый этап окисления катализируется монооксигеназой. Атом кислорода доставляется молекулярным кислородом. Второй этап идет при участии гидроксиламин-оксидоредуктазы. При окислении нитрита электроны переносятся на цитохром a₁. Только стадия окисления нитрита в нитрат является энергетически выгодной для бактерии.

Сточные воды очищаются от органических веществ обычными биологическими методами (в аэротенках), однако соединения азота в них практически не извлекаются. Для их удаления требуются биологические методы с использованием взвешенной культуры активного ила, прикрепленных микроорганизмов активного ила или комбинациями этих двух методов. В обоих методах происходят процессы нитрификации и денитрификации — окисления аммиака до азотной кислоты, сопровождаемые ассимиляцией углекислоты (нитрификация) нитрита до газообразного азота (денитрификация).

В активном иле бактерии — верификаторы находятся в ассоциации с гетеротрофной микрофлорой. Усиленное поглощение ею кислорода в процессе окисления органических веществ создает условия, при которых нитрифицирующие микроорганизмы находятся в невыгодном положении. Окисление аммонийного азота начинается после того, как органические вещества практически использованы, деятельность гетеротрофной микрофлоры вышла на стационарный режим и в аэрируемой смеси имеется растворенный кислород. Однако в результате изменений соотношения нитрификаторов и гетеротрофных микроорганизмов в активном иле, наблюдающихся при уменьшении или увеличении концентрации органических веществ в сточной воде, может происходить изменение констант скорости нитрификации. На скорость нитрификации оказывают влияние температуры, концентрация растворенного кислорода, рН, окислительно-восстановительный потенциал среды, токсичные компоненты. Скорость нитрификации возрастает с увеличением температуры от 5 до 30 С. Оптимальное значение рН — 8,4. От величины рН зависит доступность неорганического углерода для нитрифицирующих бактерий. При снижении рН реакция равновесных состояний углерода сдвигается влево и большая часть углерода находится в форме угольной кислоты. Повышение рН также отрицательно сказывается на процессе нитрификации. При повышении рН в среде увеличивается содержание свободного аммиака, являющегося ингибитором нитрификации. Нитрифицирующие микроорганизмы требуют создания определенного окислительно-восстановительного потенциала среды: чем он больше, тем более низким должно быть оптимальное значение рН для нитрификаторов. Роль окислителя — акцептора электронов — в этом процессе выполняют нитраты, в аэробном — кислород. Денитрифицирующие бактерии обладают способностью восстанавливать нитрат через нитрит до газообразной закиси азота и азота.

В отсутствие кислорода нитрат служит конечным акцептором водорода. Способность получать энергию, используя нитрат как конечный акцептор водорода с образованием молекулярного азота, широко распространена у бактерий. Этот процесс денитрификации существует только у факультативных аэробов; среди облигатных анаэробов нет денитрификаторов. Многие денитрификаторы могут расти, используя в качестве акцептора водорода не только нитрат, но и нитрит. На активность денитрификации влияют: источник органиченного углерода и его концентрация, содержание нитратов, концентрация кислорода, рН, Eh, температура, присутствие токсичных веществ и другие факторы. В качестве углеродного питания для денитрифицирующих микроорганизмов может быть использована любая неконсервативная органика — углеводы, спирты, органической кислоты, углеводороды, продукты распада белков и др. В практике очистки сточных вод источником углеродного питания служат сточные воды, прошедшие очистку в первичных отстойниках, различные спирты, чаще всего метиловый, ацетон, уксусная кислота, осадок из первичных отстойников, а также высококонцентрированные органические стоки отдельных производств. Растворенный кислород тормозит денитрификацию, выступая в роли акцептора электронов и тем самым предотвращая восстановление нитратов. Его концентрация в зоне денитрификации не должна превышать 0,5 мг О/л. Однако практически процесс протекает при значительно большем содержании кислорода. Важным условием успешной денитрификации являются определенные значения окислительно-восстановительного потенциала среды (Eh), а не отсутствие кислорода. В отличие от нитрификации, денитрификация увеличивает щелочность среды и вызывает увеличение рН.

В раздельных системах очистка сточных вод от соединений азота с использованием взвешенных культуры после каждой ступени очистки имеется свой вторичный отстойник. Последовательность отдельных стадий процесса и схемы очистки могут быть разнообразными. Наиболее часто встречается такая: денитрификация, окисление органических веществ, нитрификация; окисление органических веществ, нитрификация, денитрификация. Процесс характеризуется высокими скоростями, легкостью управления и устойчивостью на каждой стадии. Недостаток раздельных систем — наличие дополнительных вторичных отстойников, требующих сооружения насосных станций, для перекачивания циркулирующего ила и больших перепадов геодезии, отметок. Иногда в раздельных системах функций окисления органических веществ и нитрификации совмещены в одном сооружении, что позволяет значит, снизить прирост активного ила и обеспечить нитрифицирующие микроорганизмы неорганическим углеродом, который в виде СО₂ выделяется при очистке сточных вод от органических веществ. Однако эта схема менее устойчива к присутствующим в сточных водах токсичным для нитрифицирующих микроорганизмов органическим веществам. В комбинированных системах с использованием взвешенной культуры микроорганизмов процессы очистки сточных вод от органических веществ, нитрификация и денитрификация происходят в одном сооружении смет, популяцией микроорганизмов (одноиловая система). Процесс очистки осуществляется последовательно в нескольких чередующихся аэробных и бескислородных зонах секционированного биореактора с добавлением части исходных сточных вод в секции денитрификации.

Сооружения с прикрепленной культурой микроорганизмов могут быть комбинированными или отдельно стоящими. В качестве таких сооружений применяются биофильтры с гравийной или пластмассовой загрузкой, дисковые или барабанные биофильтры, затопленные биофильтры, сооружения с псевдосжиженным слоем песка, керамзита, мрамора, клиноптидолита или активированного угля, сооружения с фильтрацией жидкости через загрузку в виде плотного зернистого или волокнистого слоя. В сооружениях - с прикрепленным илом поддерживается высокая концентрация микроорганизмов, поэтому продолжительность процесса очистки заметно сокращается. В этих сооружениях в значительно меньшей степени сказывается отрицательное влияние пониженных температур жидкости и залповых сбросов токсикантов на эффективность процесса очистки сточных вод. Эффективность очистки мало зависит от режима работы отстойников, во многих случаях они вообще не требуются. Основной недостаток сооружений с прикрепленным илом — необходимость периодической регенерации загрузки в связи с опасностью ее зарастания.