شاخص های گیج کننده در تصفیه فاضلاب: نیتریفیکاسیون و نیترات زدایی

در عملیات روزانه تصفیه فاضلاب اغلب دو اصطلاح نیتریفیکاسیون و نیتریفیکاسیون شنیده می شود. بسیاری از افرادی که تازه وارد تصفیه فاضلاب هستند، این دو مفهوم را با هم اشتباه می گیرند. علی‌رغم نام‌های مشابه که هر دو حول شخصیت «硝» می‌چرخند، در واقع نقش‌های کاملاً متفاوتی در تصفیه فاضلاب دارند.

به عبارت ساده، نیتریفیکاسیون مسئول تبدیل نیتروژن آمونیاکی به نیترات است، در حالی که نیترات زدایی مسئول تبدیل نیترات به گاز نیتروژن است. یکی فرآیند اکسیداسیون و دیگری فرآیند کاهش است. این دو فرآیند مانند یک مسابقه رله هستند و تنها زمانی می توان نیتروژن موجود در فاضلاب را به طور واقعی حذف کرد.

هنگامی که این نکته درک شد، منطق پشت فرآیندهای مختلف حذف نیتروژن، مانند A/O، AAO، و خندق اکسیداسیون، بسیار واضح تر می شود.

در فاضلاب های خانگی و بسیاری از فاضلاب های صنعتی، نیتروژن عمدتاً به شکل نیتروژن آمونیاکی وجود دارد. اگر نیتروژن آمونیاکی مستقیماً به بدنه های آبی ریخته شود، به راحتی می تواند منجر به اوتروفیکاسیون شود و همچنین اثرات سمی بر موجودات آبزی مانند ماهی ها داشته باشد. بنابراین، تصفیه خانه های فاضلاب ابتدا نیاز به تبدیل نیتروژن آمونیاکی دارند.

این فرآیند تبدیل به نیتریفیکاسیون معروف است.

نیتریفیکاسیون در واقع یک فرآیند اکسیداسیون است که توسط میکروارگانیسم ها انجام می شود که تقریباً می توان آن را به دو مرحله تقسیم کرد:

مرحله اول اکسیداسیون نیتروژن آمونیاکی به نیتریت است
مرحله 2: نیتریت بیشتر به نیترات اکسید می شود

کل فرآیند به اکسیژن کافی نیاز دارد، بنابراین نیتریفیکاسیون معمولاً در محیط های هوازی مانند مخازن هوادهی یا مخازن بیوشیمیایی MBR رخ می دهد.

میکروارگانیسم های درگیر در این فرآیند به عنوان باکتری نیتریف کننده شناخته می شوند. آنها با باکتری های هتروتروف معمولی تفاوت دارند زیرا به دسته اتوتروف تعلق دارند که عمدتاً انرژی را از مواد معدنی می گیرند. سرعت رشد آنها نسبتا کند است و به تغییرات محیطی نیز حساس هستند.

همچنین به همین دلیل است که بسیاری از تصفیه خانه های فاضلاب تمایل به کاهش ظرفیت نیتریفیکاسیون در فصل زمستان دارند.

اگرچه نیتریفیکاسیون مشکل نیتروژن آمونیاکی را حل کرده است، نیتروژن موجود در آب در این مرحله واقعاً ناپدید نشده است. فقط از شکلی به شکل دیگر تبدیل شده است. برای "حذف" واقعی نیتروژن از فاضلاب، مرحله دوم - نیترات زدایی - باید تکمیل شود.

نیترات زدایی یک فرآیند کاهش است. در یک محیط بی هوازی، میکروارگانیسم ها از اکسیژن موجود در نیترات استفاده می کنند و به تدریج آن را به گاز نیتروژن کاهش می دهند. مسیر واکنش تقریباً به شرح زیر است:

نیترات → نیتریت → اکسید نیتروژن → اکسید نیتروژن → نیتروژن

گاز نیتروژن تولید شده در نهایت (N2)* به صورت گازی در هوا آزاد می شود، بنابراین نیتروژن موجود در فاضلاب واقعاً حذف می شود. میکروارگانیسم هایی که این فرآیند را تکمیل می کنند، باکتری های نیترات زدایی نامیده می شوند. برخلاف باکتری های نیتریف کننده، آنها متعلق به باکتری های هتروتروف هستند و به کربن آلی به عنوان منبع انرژی نیاز دارند.

همچنین به همین دلیل است که بسیاری از تصفیه خانه های فاضلاب نیاز به اضافه کردن منابع کربن در طول حذف نیتروژن دارند.

اگر این دو فرآیند را با هم ببینیم، متوجه می شویم که از بسیاری جهات کاملاً متضاد هستند.

1. شرایط مختلف اکسیژن

نیتریفیکاسیون باید در یک محیط هوازی اتفاق بیفتد و معمولاً نیاز به حفظ سطح اکسیژن محلول در حدود 2 میلی گرم در لیتر دارد.

نیترات زدایی نیاز به یک محیط بی هوازی با اکسیژن محلول در زیر 0.5 میلی گرم در لیتر دارد. اگر اکسیژن بیش از حد وجود داشته باشد، باکتری های نیترات زدایی ترجیح می دهند از اکسیژن به جای نیترات استفاده کنند.

به عبارت ساده، نیتریفیکاسیون در اکسیژن رشد می کند، در حالی که نیترات زدایی توسط اکسیژن مهار می شود.

2. انواع مختلف میکروارگانیسم ها

نیتریفیکاسیون در درجه اول توسط باکتری های نیتریفیک کننده انجام می شود که شامل نیتروزوموناس و نیتروباکتر است.

این باکتری ها متعلق به باکتری های اتوتروف هستند که به کندی رشد می کنند و به سن لجن طولانی تری نیاز دارند.

نیترات زدایی توسط باکتری های نیترات زدایی انجام می شود که به دسته باکتری های هتروتروف تعلق دارند و سرعت رشد نسبتاً سریع تری را نشان می دهند.

3. نیازهای مختلف منبع کربن

باکتری های نیتریف کننده در درجه اول از مواد معدنی برای انرژی استفاده می کنند و به طور کلی به منابع کربن آلی متکی نیستند.

باکتری های نیترات زدایی به کربن آلی به عنوان دهنده الکترون نیاز دارند. بنابراین، زمانی که مواد آلی موجود در فاضلاب ناکافی است، اغلب لازم است منابع کربن خارجی مانند استات سدیم، متانول و گلوکز اضافه شود.

در بهره برداری از بسیاری از کارخانه های فاضلاب، منبع کربن ناکافی اغلب عامل مهمی است که بر راندمان حذف نیتروژن تأثیر می گذارد.

4. محل وقوع متفاوت است

در فرآیندهای رایج حذف نیتروژن، این دو معمولاً در مناطق واکنش مختلف قرار می گیرند.

به عنوان مثال، در فرآیندهای A/O یا AAO:

مخزن بدون اکسیژن - نیترات زدایی مخزن هوازی - نیتریفیکاسیون

نیترات تولید شده از طریق نیتریفیکاسیون از طریق گردش مجدد داخلی به منطقه بدون اکسیژن باز می گردد، جایی که بیشتر توسط باکتری های نیترات زدایی تبدیل می شود.
5. نتایج نهایی متفاوت

نتیجه نیتریفیکاسیون کاهش نیتروژن آمونیاکی و افزایش نیترات است

نتیجه نیترات زدایی عبارت است از: کاهش نیترات و تولید گاز نیتروژن

به عبارت دیگر، نیتروژن تنها پس از اتمام نیترات زدایی می تواند از بدنه آب خارج شود.

از دیدگاه کل نگر، نیتریفیکاسیون و نیتروژن زدایی دو فرآیند مستقل نیستند، بلکه دو مرحله متوالی در حذف بیولوژیکی نیتروژن هستند.

کل فرآیند تبدیل نیتروژن را می توان به سادگی به صورت زیر درک کرد:

نیتروژن آمونیاکی → نیتروژن نیتریت → نیتروژن نیترات → نیتروژن نیتروژن → گاز نیتروژن

نیتریفیکاسیون مسئول تبدیل نیتروژن آمونیاکی به نیترات است، در حالی که نیترات زدایی مسئول کاهش نیترات به گاز نیتروژن است.
این دو مانند یک مسابقه رله به هم متصل هستند.

اگر فقط نیتریفیکاسیون وجود داشته باشد و نیترات زدایی وجود نداشته باشد، نیترات موجود در آب همچنان باعث اوتروفیکاسیون می شود.
اگر نیتریفیکاسیون وجود نداشته باشد، کمبود "مواد اولیه" برای نیترات زدایی وجود خواهد داشت.

همچنین به همین دلیل است که اکثر فرآیندهای حذف نیتروژن دارای مناطق هوازی و بدون اکسیژن هستند.

در زمینه تصفیه فاضلاب، بسیاری از مفاهیم ممکن است مشابه به نظر برسند، اما منطق اساسی کاملاً متفاوت است.

نیتریفیکاسیون و نیتریفیکاسیون یک جفت معمولی هستند.

یکی در یک محیط هوازی رخ می دهد، در حالی که دیگری در یک محیط بی هوازی رخ می دهد.
یکی مسئول اکسید کردن نیتروژن آمونیاکی و دیگری مسئول کاهش نیترات است.
تنها زمانی که این دو با هم ترکیب شوند می توان یک فرآیند حذف بیولوژیکی کامل نیتروژن تشکیل داد.

با درک این موضوع، وقتی به فرآیندهای مختلف حذف نیتروژن مانند A/O، AAO و خندق اکسیداسیون نگاه می کنیم، می بینیم که همه آنها حول این دو مرحله بهینه و ترکیب شده اند.

بسیاری از فرآیندهای پیچیده در تصفیه فاضلاب، در تحلیل نهایی، در واقع یک "محیط کاری" مناسب برای این میکروارگانیسم ها ایجاد می کنند.