En el funcionament diari del tractament d'aigües residuals, sovint s'escolten dos termes: nitrificació i desnitrificació. Moltes persones que són noves en el tractament d'aigües residuals solen confondre aquests dos conceptes. Malgrat els seus noms similars, tots dos giren al voltant del personatge "硝", en realitat tenen papers completament diferents en el tractament d'aigües residuals.
En termes simples, la nitrificació és responsable de convertir el nitrogen amoníac en nitrat, mentre que la desnitrificació és responsable de convertir el nitrat en nitrogen gasós. Un és un procés d'oxidació i l'altre és un procés de reducció. Els dos processos són com una cursa de relleus, i només quan es completen de manera coordinada es pot eliminar realment el nitrogen de les aigües residuals.
Un cop s'entén aquest punt, la lògica darrere de diversos processos d'eliminació de nitrogen, com ara A/O, AAO i rasa d'oxidació, es fa molt més clara.
I. Nitrificació: convertir el nitrogen amoníac en nitrat
A les aigües residuals domèstiques i moltes aigües residuals industrials, el nitrogen existeix principalment en forma de nitrogen amoníac. Si el nitrogen amoníac s'aboca directament a les masses d'aigua, pot provocar fàcilment l'eutrofització i també exercir efectes tòxics sobre els organismes aquàtics com els peixos. Per tant, les plantes de tractament d'aigües residuals han de convertir primer el nitrogen amoníac.
Aquest procés de transformació es coneix com a nitrificació.
La nitrificació és en realitat un procés d'oxidació dut a terme per microorganismes, que es pot dividir aproximadament en dos passos:
El primer pas és l'oxidació del nitrogen d'amoníac en nitrit
Pas 2: el nitrit s'oxida encara més a nitrat
Tot el procés requereix suficient oxigen, de manera que la nitrificació es produeix normalment en entorns aeròbics, com ara tancs d'aireació o tancs bioquímics MBR.
Els microorganismes implicats en aquest procés es coneixen com a bacteris nitrificants. Es diferencien dels bacteris heteròtrofs ordinaris pel fet que pertanyen a la categoria autòtrofa, principalment obtenint energia de substàncies inorgàniques. El seu ritme de creixement és relativament lent i també són sensibles als canvis ambientals.
També és per això que moltes depuradores d'aigües residuals solen experimentar una disminució de la capacitat de nitrificació durant l'hivern.
II. Desnitrificació: transformació dels nitrats en nitrogen gasós
Tot i que la nitrificació ha resolt el problema del nitrogen amoníac, el nitrogen de l'aigua no ha desaparegut realment en aquest punt; només s'ha transformat d'una forma a una altra. Per "eliminar" realment el nitrogen de les aigües residuals, cal completar el segon pas de - desnitrificació -.
La desnitrificació és un procés de reducció. En un ambient anaeròbic, els microorganismes utilitzen l'oxigen del nitrat, reduint-lo gradualment a nitrogen gas. La via de reacció és aproximadament la següent:
Nitrat → Nitrit → Òxid Nitrós → Òxid Nitrós → Nitrogen
El gas nitrogen (N₂)* generat finalment s'alliberarà a l'aire en forma gasosa, de manera que el nitrogen de les aigües residuals s'elimina realment. Els microorganismes que completen aquest procés s'anomenen bacteris desnitrificants. A diferència dels bacteris nitrificants, pertanyen a bacteris heteròtrofs i requereixen carboni orgànic com a font d'energia.
També és per això que moltes plantes de tractament d'aigües residuals necessiten afegir fonts de carboni durant l'eliminació de nitrogen.
III. Diverses diferències clau entre la nitrificació i la desnitrificació
Si veiem aquests dos processos junts, trobarem que són diametralment oposats en molts aspectes.
1. Diferents condicions d'oxigen
La nitrificació s'ha de produir en un ambient aeròbic, normalment requereix que els nivells d'oxigen dissolt es mantinguin al voltant de 2 mg/L.
La desnitrificació requereix un ambient anaeròbic amb oxigen dissolt que es mantingui per sota de 0,5 mg/L. Si hi ha massa oxigen, els bacteris desnitrificants preferiran utilitzar oxigen en lloc de nitrat.
En termes simples, la nitrificació prospera en oxigen, mentre que la desnitrificació és inhibida per l'oxigen.
2. Diferents tipus de microorganismes
La nitrificació s'aconsegueix principalment per bacteris nitrificants, que inclouen nitrosomonas i nitrobacter
Aquests bacteris pertanyen a bacteris autòtrofs, que creixen lentament i requereixen una edat de fang més llarga.
La desnitrificació es realitza mitjançant bacteris desnitrificants, que pertanyen a la categoria de bacteris heteròtrofs i presenten una taxa de creixement relativament més ràpida.
3. Diferents requisits de fonts de carboni
Els bacteris nitrificants utilitzen principalment substàncies inorgàniques per obtenir energia i, en general, no depenen de fonts de carboni orgànic.
Els bacteris desnitrificants requereixen carboni orgànic com a donant d'electrons. Per tant, quan la matèria orgànica disponible a les aigües residuals és insuficient, sovint cal afegir fonts externes de carboni com l'acetat de sodi, metanol i glucosa.
En el funcionament de moltes plantes d'aigües residuals, la font insuficient de carboni és sovint un factor important que afecta l'eficiència d'eliminació de nitrogen.
4. La ubicació de l'ocurrència és diferent
En els processos comuns d'eliminació de nitrogen, els dos solen estar disposats en zones de reacció diferents.
Per exemple, en processos A/O o AAO:
Tanc anòxic - Desnitrificació Tanc aeròbic - Nitrificació
El nitrat produït per nitrificació torna a la zona anòxica mitjançant recirculació interna, on es transforma encara més mitjançant bacteris desnitrificants.
5. Diferents resultats finals
El resultat de la nitrificació és una disminució del nitrogen amoníac i un augment del nitrat
El resultat de la desnitrificació és: reducció de nitrats i producció de nitrogen gasós
En altres paraules, el nitrogen només pot sortir de la massa d'aigua després de completar la desnitrificació.
IV. en realitat són una cursa de relleus
Des d'una perspectiva holística, la nitrificació i la desnitrificació no són dos processos independents, sinó més aviat dos passos consecutius en l'eliminació biològica del nitrogen.
Tot el procés de conversió de nitrogen es pot entendre simplement com:
Nitrogen amoniacal → Nitrit nitrit → Nitrat nitrat → Nitrit nitrit → Nitrogen gasós
La nitrificació s'encarrega de convertir el nitrogen d'amoníac en nitrat, mentre que la desnitrificació és responsable de reduir el nitrat a nitrogen gas.
Els dos estan connectats com una cursa de relleus.
Si només hi ha nitrificació i no hi ha desnitrificació, el nitrat de l'aigua encara causarà eutrofització.
Si no hi ha nitrificació, faltarà "matèries primeres" per a la desnitrificació.
També és per això que la majoria dels processos d'eliminació de nitrogen incorporen zones tant aeròbiques com anòxiques.
V. Conclusió
En l'àmbit del tractament d'aigües residuals, molts conceptes poden semblar similars, però la lògica subjacent és completament diferent.
La nitrificació i la desnitrificació són un parell típic.
Un es produeix en un ambient aeròbic, mentre que l'altre es produeix en un ambient anaeròbic;
Un s'encarrega d'oxidar el nitrogen amoníac, i l'altre s'encarrega de reduir el nitrat;
Només quan es combinen els dos es pot formar un procés d'eliminació biològica completa del nitrogen.
Un cop entès això, quan mirem diversos processos d'eliminació de nitrogen, com ara A/O, AAO i rasa d'oxidació, podem veure que tots estan optimitzats i combinats al voltant d'aquests dos passos.
Molts processos complexos en el tractament d'aigües residuals, en última instància, estan creant un "entorn de treball" adequat per a aquests microorganismes.