Биологическое удаление азота при очистке сточных вод

В неочищенных сточных водах основная масса азота (60–70%) находится в виде аммонийного азота. Если происходит попадание в канализационную систему сточных вод от сельхозугодий, то в воде может содержаться небольшое количество нитратов. Основные виды азотсодержащих соединений и процессы их трансформации приведены на рис. 1. Первый процесс — образование иона аммония из органических соединении. Этот процесс называется аммонификацией и осуществляется ферментами, продуцируемыми микроорганизмами. Азот используется для роста микроорганизмов, и таким образом часть неорганического азота переходит во вновь образующиеся бактериальные клетки. При большом возрасте ила и достаточно высокой температуре происходит устойчивое накопление нитрифицирующих бактерий, и аммонийный азот окисляется сначала до нитритного, а затем до нитратного.

Процесс называется нитрификацией и осуществляется только при наличии растворенного кислорода.

Образовавшийся нитратный азот может использоваться для окисления органических соединений, восстанавливаясь до свободного азота (N₂), который отдувается при аэрировании в атмосферу. Этот процесс многостадийный. Нитратный азот сначала восстанавливается в нитритный азот NO₂, затем — в закись азота N₂O и, наконец, в молекулярный азот. Этот процесс называется денитрификацией и протекает в отсутствие кислорода при наличии органических соединений. При низкой концентрации органических соединений процесс образования молекулярного азота осуществляют бактерии анаммокс, которые окисляют аммоний нитритом в анаэробных условиях. В качестве источника углерода для роста клеток они используют углекислоту.

Преобразование аммонийного азота в сточных водах — процесс, протекающий с потреблением кислорода. Он осуществляется весьма ограниченным количеством видов микроорганизмов и идет в две стадия (рис. 2) Большинство бактерий-нитрификаторов — облигатные аэробные микроорганизмы, автотрофы, что означает, что они нуждаются в кислороде, так как получают энергию за счет окислительно-восстановительных реакций. Данные микроорганизмы используют неорганический углерод как единственный источник углерода. Активный ил содержит только 1–2 % нитрифицирующих бактерий.

В общем виде уравнение окисления аммонийного азота имеет следующий вид: NH₄⁺ + 2O₂ → NO₂^–+H₂O + H⁺.

Преобразование аммонийного азота в нитритный осуществляется бактериями вида Nitromonas, а нитритного в нитритный — Nitrobacter. В отличие от деструкции органических соединений, продукты нитрификации не безопасны. Нитраты — биогенный элемент, который может стимулироватъ процесс эвтрофикации (зарастания) водоема, а также снижение рН. Нитриты являются токсичными веществами и вызывают онкологические заболевания.

Как видно из рис. 2, для окисления одной молекулы аммонийного азота требуется две молекулы кислорода (4 атома), т.е. теоретически для окисления 1 г аммонийного азота до нитратного азота требуется 4,6 г кислород.

На рис. 2 также видно, что в процессе нитрификации образуется кислота (Н⁺). В количестве 2 эквивалента на 14 г азота, или приблизительно 0,14 эквивалента/г N. При такой щелочности воды в водоеме — приемнике сточных вод, нитрификация может давать значительное снижение рН. Уменьшение рН приводит к ингибированию процесса нитрификации, лучшие результаты получаются при рН 7–9 (оптимум рН~8). Для поддержания рН в оптимальной области возможно добавление извести. Энергетический коэффициент при нитрификации невелик, что, в свою очередь, обусловливает низкие удельные скорости роста автотрофных микроорганизмов. Поэтому для осуществления устойчивого процесса нитрификации необходимо поддерживать постоянно высокий возраст ила, который определяется отношением общей массы ила в системе к скорости его удаления из системы, однако при расчете нитрификации необходимо учитывать только массу ила, находящегося в аэробных условиях.

Удельная скорость роста нитрификаторов, как и другие биологические процессы, чрезвычайно чувствительна к температурному режиму, что и отражено на рис. 3.

Содержание растворенного кислорода в аэротенке также влияет на скорость нитрификации, что можно выразить уравнением скорости реакции, основанной на концентрации растворенного кислорода:

Скорость реакции = макс. скорость × (конц. О₂) / (K_s +(конц. О₂).

Поскольку K_s для процесса нитрификации приблизительно равен 0,5 мг/л, увеличение концентрации растворенного кислорода больше чем до 1,5–2мг/л технологического эффекта не дает, но увеличивает эксплуатационные расходы.

Полученный в результате нитрификации нитратный азот может быть преобразован в свободный азот (газ), который отдувается при аэрировании в атмосферу. Процесс называется денитрификацией и может быть описан следующим образом (рис. 4).

Как видно из рис. 4, данный процесс аналогичен аэробной деструкции органических соединений, только кислород заменен нитратом. Большинство аэробных бактерий способно осуществлять оба процесса.

Сточные воды содержат различные виды микроорганизмов, способных к осуществлению процесса денитрификации. Денитрифицирующие бактерии — гетеротрофные организмы, которые в качестве источника углеродного питания способны использовать широкий спектр органических соединений. Однако процесс денитрификации осуществляется только, когда растворенный кислород отсутствует или его концентрация невелика. Выход энергии при использовании нитратов в качестве окислителя несколько меньше, чем при использовании кислорода, поэтому использование кислорода для микроорганизмов предпочтительнее.

В процессе денитрификации рН среды несколько увеличивается. Количество образовавшейся при этом щелочи нейтрализует ½ количества кислоты, образовавшейся при нитрификации.

Рост денитрифицирующих бактерий также зависит от температуры. Кроме того, колоссальное значение имеет состав органических соединений. Для оценки возможной эффективности денитрификации в конкретном сооружении, необходимо знать скорость этого процесса. При использовании более легко окисляемых соединений, скорость процесса возрастает. На рис. 5 показана зависимость скорости денитрификации от типов органических соединений, используемых в качестве источника углерода.

Скорость денитрификации при использовании метанола и ацетата в качестве источников углерода выше, чем при использовании в этой же цепи сложных органических соединений поступающей сточной воды. Для того чтобы процесс денитрификации проходил удовлетворительно в сточных водах должно присутствовать достаточное количество органических соединений. Если для денитрификации используется неочищенная сточная вода, отношение БПК/общий азот на входе должно быть минимум 3,5–4. В этом случае могут быть получены низкие концентрации общего азота на выходе.

Предварительная обработка сточных вод перед биологической очисткой, например, первичное отстаивание и прочее уменьшает отношение БПК/общий азот за счет удаления части органических соединений при этих процессах. Данная ситуация может потребовать ввода дополнительного источника органического углерода в сточную воду. В значительной степени выбор источника углерода зависит от его цены и скорости денитрификации при использовании этого вещества. На выбор источника углерода также влияет конструкция очистных сооружений и возможность управления процессом. Подача промышленных сточных вод с достаточным содержанием легкоокисляемых органических соединений может являться приемлемым вариантом решения данной проблемы.