Nell'attività quotidiana del trattamento delle acque reflue si sentono spesso due termini: nitrificazione e denitrificazione. Molte persone che sono nuove al trattamento delle acque reflue tendono a confondere questi due concetti. Nonostante i loro nomi simili, entrambi ruotanti attorno al carattere "硝", in realtà svolgono ruoli completamente diversi nel trattamento delle acque reflue.
In termini semplici, la nitrificazione è responsabile della conversione dell'azoto ammoniacale in nitrato, mentre la denitrificazione è responsabile della conversione del nitrato in azoto gassoso. Uno è un processo di ossidazione e l'altro è un processo di riduzione. I due processi sono come una staffetta e solo quando vengono completati in modo coordinato l’azoto nelle acque reflue può essere veramente rimosso.
Una volta compreso questo punto, la logica alla base dei vari processi di rimozione dell'azoto, come A/O, AAO e il canale di ossidazione, diventa molto più chiara.
I. Nitrificazione: conversione dell'azoto ammoniacale in nitrato
Nelle acque reflue domestiche e in molte acque reflue industriali, l'azoto esiste principalmente sotto forma di azoto ammoniacale. Se l'azoto ammoniacale viene scaricato direttamente nei corpi idrici, può facilmente portare all'eutrofizzazione ed esercitare effetti tossici sugli organismi acquatici come i pesci. Pertanto, gli impianti di trattamento delle acque reflue devono prima convertire l’azoto ammoniacale.
Questo processo di trasformazione è noto come nitrificazione.
La nitrificazione è in realtà un processo di ossidazione portato avanti dai microrganismi, che può essere grossolanamente suddiviso in due fasi:
Il primo passo è l'ossidazione dell'azoto ammoniacale in nitrito
Passaggio 2: il nitrito viene ulteriormente ossidato in nitrato
L'intero processo richiede ossigeno sufficiente, quindi la nitrificazione avviene tipicamente in ambienti aerobici, come serbatoi di aerazione o serbatoi biochimici MBR.
I microrganismi coinvolti in questo processo sono noti come batteri nitrificanti. Differiscono dai normali batteri eterotrofi in quanto appartengono alla categoria autotrofa, ricavando energia principalmente da sostanze inorganiche. Il loro tasso di crescita è relativamente lento e sono anche sensibili ai cambiamenti ambientali.
Questo è anche il motivo per cui molti impianti di trattamento delle acque reflue tendono a subire un calo della capacità di nitrificazione durante l’inverno.
II. Denitrificazione: conversione del nitrato in azoto gassoso
Sebbene la nitrificazione abbia risolto il problema dell'azoto ammoniacale, l'azoto presente nell'acqua non è ancora del tutto scomparso; si è semplicemente trasformato da una forma all'altra. Per "rimuovere" veramente l'azoto dalle acque reflue, è necessario completare la seconda fase - denitrificazione -.
La denitrificazione è un processo di riduzione. In un ambiente anaerobico, i microrganismi utilizzano l’ossigeno presente nel nitrato, riducendolo gradualmente ad azoto gassoso. Il percorso della reazione è grossomodo il seguente:
Nitrato → Nitrito → Protossido di azoto → Protossido di azoto → Azoto
Il gas di azoto (N₂)* generato alla fine verrà rilasciato nell'aria in forma gassosa, quindi l'azoto presente nei liquami verrà effettivamente rimosso. I microrganismi che completano questo processo sono chiamati batteri denitrificanti. A differenza dei batteri nitrificanti, appartengono ai batteri eterotrofi e richiedono carbonio organico come fonte di energia.
Questo è anche il motivo per cui molti impianti di trattamento delle acque reflue devono aggiungere fonti di carbonio durante la rimozione dell’azoto.
III. Diverse differenze chiave tra nitrificazione e denitrificazione
Se consideriamo insieme questi due processi, scopriremo che sono diametralmente opposti sotto molti aspetti.
1. Diverse condizioni di ossigeno
La nitrificazione deve avvenire in un ambiente aerobico, in genere richiedendo che i livelli di ossigeno disciolto siano mantenuti intorno a 2 mg/L.
La denitrificazione richiede un ambiente anaerobico con ossigeno disciolto mantenuto al di sotto di 0,5 mg/L. Se c'è troppo ossigeno, i batteri denitrificanti preferiranno utilizzare l'ossigeno piuttosto che il nitrato.
In termini semplici, la nitrificazione prospera nell'ossigeno, mentre la denitrificazione è inibita dall'ossigeno.
2. Diversi tipi di microrganismi
La nitrificazione viene eseguita principalmente da batteri nitrificanti, che includono nitrosomonas e nitrobacter
Questi batteri appartengono a batteri autotrofi, che crescono lentamente e richiedono un'età dei fanghi più lunga.
La denitrificazione viene effettuata da batteri denitrificanti, che appartengono alla categoria dei batteri eterotrofi e mostrano un tasso di crescita relativamente più rapido.
3. Diversi requisiti in materia di fonti di carbonio
I batteri nitrificanti utilizzano principalmente sostanze inorganiche per produrre energia e generalmente non fanno affidamento su fonti di carbonio organico.
I batteri denitrificanti richiedono carbonio organico come donatore di elettroni. Pertanto, quando la materia organica disponibile nelle acque reflue è insufficiente, è spesso necessario aggiungere fonti esterne di carbonio come acetato di sodio, metanolo e glucosio.
Nel funzionamento di molti impianti di trattamento delle acque reflue, una fonte di carbonio insufficiente è spesso un fattore significativo che influisce sull’efficienza di rimozione dell’azoto.
4. Il luogo in cui si verifica è diverso
Nei comuni processi di rimozione dell'azoto, i due sono solitamente disposti in zone di reazione diverse.
Ad esempio, nei processi A/O o AAO:
Serbatoio anossico - Denitrificazione Serbatoio aerobico - Nitrificazione
Il nitrato prodotto attraverso la nitrificazione ritorna nella zona anossica tramite ricircolo interno, dove viene ulteriormente trasformato da batteri denitrificanti.
5. Risultati finali diversi
Il risultato della nitrificazione è una diminuzione dell'azoto ammoniacale e un aumento del nitrato
Il risultato della denitrificazione è: riduzione dei nitrati e produzione di gas azoto
In altre parole, l’azoto può lasciare il corpo idrico solo dopo il completamento della denitrificazione.
IV. in realtà sono una staffetta
Da una prospettiva olistica, la nitrificazione e la denitrificazione non sono due processi indipendenti, ma piuttosto due fasi consecutive nella rimozione biologica dell’azoto.
L’intero processo di conversione dell’azoto può essere semplicemente inteso come:
Azoto ammoniacale → Azoto nitrito → Azoto nitrato → Azoto nitrito → Azoto gassoso
La nitrificazione è responsabile della conversione dell'azoto ammoniacale in nitrato, mentre la denitrificazione è responsabile della riduzione del nitrato in azoto gassoso.
I due sono collegati come una staffetta.
Se c’è solo nitrificazione e nessuna denitrificazione, il nitrato presente nell’acqua causerà comunque l’eutrofizzazione.
Se non c'è nitrificazione, mancheranno le "materie prime" per la denitrificazione.
Questo è anche il motivo per cui la maggior parte dei processi di rimozione dell’azoto incorporano sia zone aerobiche che anossiche.
V. Conclusione
Nel campo del trattamento delle acque reflue molti concetti possono sembrare simili, ma la logica di fondo è completamente diversa.
Nitrificazione e denitrificazione sono una coppia tipica.
Uno avviene in ambiente aerobico, mentre l'altro avviene in ambiente anaerobico;
Uno è responsabile dell'ossidazione dell'azoto ammoniacale e l'altro è responsabile della riduzione del nitrato;
Solo quando i due elementi vengono combinati si può formare un processo completo di rimozione biologica dell’azoto.
Avendo capito questo, quando osserviamo i vari processi di rimozione dell'azoto, come A/O, AAO e il canale di ossidazione, possiamo vedere che sono tutti ottimizzati e combinati attorno a questi due passaggi.
Molti processi complessi nel trattamento delle acque reflue creano in ultima analisi un "ambiente di lavoro" adatto per questi microrganismi.
