Dalam operasi harian rawatan air sisa, dua istilah sering didengar: nitrifikasi dan denitrifikasi. Ramai orang yang baru dalam rawatan air sisa cenderung mengelirukan kedua-dua konsep ini. Walaupun nama mereka serupa, kedua-duanya berkisar tentang watak "硝", mereka sebenarnya memainkan peranan yang sama sekali berbeza dalam rawatan air sisa.
Secara ringkas, nitrifikasi bertanggungjawab untuk menukar nitrogen ammonia kepada nitrat, manakala denitrifikasi bertanggungjawab untuk menukar nitrat kepada gas nitrogen. Satu adalah proses pengoksidaan, dan satu lagi adalah proses pengurangan. Kedua-dua proses itu seperti perlumbaan berganti-ganti, dan hanya apabila ia selesai dalam penyelarasan barulah nitrogen dalam kumbahan benar-benar dikeluarkan.
Apabila perkara ini difahami, logik di sebalik pelbagai proses penyingkiran nitrogen, seperti A/O, AAO, dan parit pengoksidaan, menjadi lebih jelas.
I. Nitrifikasi: menukarkan nitrogen ammonia kepada nitrat
Dalam kumbahan domestik dan banyak air sisa industri, nitrogen terutamanya wujud dalam bentuk nitrogen ammonia. Jika nitrogen ammonia dibuang terus ke dalam badan air, ia boleh membawa kepada eutrofikasi dan juga memberi kesan toksik kepada organisma akuatik seperti ikan. Oleh itu, loji rawatan air sisa perlu menukar nitrogen ammonia terlebih dahulu.
Proses transformasi ini dikenali sebagai nitrifikasi.
Nitrifikasi sebenarnya adalah proses pengoksidaan yang dijalankan oleh mikroorganisma, yang boleh dibahagikan secara kasar kepada dua langkah:
Langkah pertama ialah pengoksidaan nitrogen ammonia kepada nitrit
Langkah 2: Nitrit dioksidakan lagi kepada nitrat
Keseluruhan proses memerlukan oksigen yang mencukupi, jadi nitrifikasi biasanya berlaku dalam persekitaran aerobik, seperti tangki pengudaraan atau tangki biokimia MBR.
Mikroorganisma yang terlibat dalam proses ini dikenali sebagai bakteria nitrifikasi. Mereka berbeza daripada bakteria heterotropik biasa kerana ia tergolong dalam kategori autotrof, terutamanya memperoleh tenaga daripada bahan bukan organik. Kadar pertumbuhan mereka agak perlahan, dan mereka juga sensitif terhadap perubahan persekitaran.
Inilah sebabnya mengapa banyak loji rawatan air kumbahan cenderung mengalami penurunan kapasiti nitrifikasi semasa musim sejuk.
II. Denitrifikasi: menukar nitrat kepada gas nitrogen
Walaupun nitrifikasi telah menyelesaikan masalah nitrogen ammonia, nitrogen dalam air belum benar-benar hilang pada ketika ini; ia hanya berubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain. Untuk benar-benar "mengalih keluar" nitrogen daripada air sisa, langkah kedua - penyahtelan - perlu diselesaikan.
Denitrifikasi adalah proses pengurangan. Dalam persekitaran anaerobik, mikroorganisma menggunakan oksigen dalam nitrat, secara beransur-ansur mengurangkannya kepada gas nitrogen. Laluan tindak balas adalah kira-kira seperti berikut:
Nitrat → Nitrit → Nitrous Oxide → Nitrous Oxide → Nitrogen
Gas nitrogen (N₂)* yang dijana akhirnya akan dibebaskan ke udara dalam bentuk gas, dengan itu nitrogen dalam kumbahan benar-benar dikeluarkan. Mikroorganisma yang melengkapkan proses ini dipanggil bakteria denitrifikasi. Tidak seperti bakteria nitrifikasi, ia tergolong dalam bakteria heterotropik dan memerlukan karbon organik sebagai sumber tenaga.
Inilah sebabnya mengapa banyak loji rawatan air sisa perlu menambah sumber karbon semasa penyingkiran nitrogen.
III. Beberapa perbezaan utama antara nitrifikasi dan denitrifikasi
Jika kita melihat kedua-dua proses ini bersama-sama, kita akan mendapati bahawa ia bertentangan secara diametrik dalam banyak aspek.
1. Keadaan oksigen yang berbeza
Nitrifikasi mesti berlaku dalam persekitaran aerobik, biasanya memerlukan tahap oksigen terlarut dikekalkan pada sekitar 2 mg/L.
Denitrifikasi memerlukan persekitaran anaerobik dengan oksigen terlarut dikekalkan di bawah 0.5 mg/L. Jika terdapat terlalu banyak oksigen, bakteria denitrifikasi akan lebih suka menggunakan oksigen daripada nitrat.
Secara ringkas, nitrifikasi berkembang pesat dalam oksigen, manakala denitrifikasi dihalang oleh oksigen.
2. Pelbagai jenis mikroorganisma
Nitrifikasi terutamanya dicapai oleh bakteria nitrifikasi, termasuk nitrosomonas dan nitrobacter
Bakteria ini tergolong dalam bakteria autotrof, yang tumbuh dengan perlahan dan memerlukan umur enapcemar yang lebih lama.
Denitrifikasi dijalankan oleh bakteria denitrifikasi, yang tergolong dalam kategori bakteria heterotrofik dan menunjukkan kadar pertumbuhan yang agak cepat.
3. Keperluan sumber karbon yang berbeza
Bakteria pengnitrogenan terutamanya menggunakan bahan bukan organik untuk tenaga dan secara amnya tidak bergantung kepada sumber karbon organik.
Bakteria denitrifikasi memerlukan karbon organik sebagai penderma elektron. Oleh itu, apabila bahan organik yang ada dalam air sisa tidak mencukupi, selalunya perlu menambah sumber karbon luaran seperti natrium asetat, metanol dan glukosa.
Dalam operasi banyak loji air sisa, sumber karbon yang tidak mencukupi selalunya merupakan faktor penting yang mempengaruhi kecekapan penyingkiran nitrogen.
4. Lokasi kejadian adalah berbeza
Dalam proses penyingkiran nitrogen biasa, kedua-duanya biasanya disusun dalam zon tindak balas yang berbeza.
Contohnya, dalam proses A/O atau AAO:
Tangki anoksik - Denitrifikasi Tangki aerobik - Nitrifikasi
Nitrat yang dihasilkan melalui nitrifikasi kembali ke zon anoksik melalui peredaran semula dalaman, di mana ia diubah lagi oleh bakteria denitrifikasi.
5. Keputusan akhir yang berbeza
Hasil daripada nitrifikasi ialah penurunan dalam nitrogen ammonia dan peningkatan dalam nitrat
Hasil denitrifikasi ialah: pengurangan nitrat dan pengeluaran gas nitrogen
Dalam erti kata lain, nitrogen hanya boleh meninggalkan badan air selepas denitrifikasi selesai.
IV. mereka sebenarnya adalah perlumbaan lari berganti-ganti
Dari perspektif holistik, nitrifikasi dan denitrifikasi bukanlah dua proses bebas, melainkan dua langkah berturut-turut dalam penyingkiran nitrogen biologi.
Keseluruhan proses penukaran nitrogen boleh difahami secara ringkas sebagai:
Nitrogen ammonia → Nitrit nitrogen → Nitrat nitrogen → Nitrit nitrogen → Gas nitrogen
Nitrifikasi bertanggungjawab untuk menukar nitrogen ammonia kepada nitrat, manakala denitrifikasi bertanggungjawab untuk mengurangkan nitrat kembali kepada gas nitrogen.
Kedua-duanya disambungkan seperti perlumbaan lari berganti-ganti.
Sekiranya terdapat hanya nitrifikasi dan tiada denitrifikasi, nitrat dalam air masih akan menyebabkan eutrofikasi.
Jika tiada nitrifikasi, akan ada kekurangan "bahan mentah" untuk denitrifikasi.
Inilah sebabnya mengapa kebanyakan proses penyingkiran nitrogen menggabungkan kedua-dua zon aerobik dan anoksik.
V. Kesimpulan
Dalam bidang rawatan air sisa, banyak konsep mungkin kelihatan serupa, tetapi logik asasnya berbeza sama sekali.
Nitrifikasi dan denitrifikasi adalah pasangan biasa.
Satu berlaku dalam persekitaran aerobik, manakala satu lagi berlaku dalam persekitaran anaerobik;
Satu bertanggungjawab untuk mengoksidakan nitrogen ammonia, dan satu lagi bertanggungjawab untuk mengurangkan nitrat;
Hanya apabila kedua-duanya digabungkan, proses penyingkiran nitrogen biologi yang lengkap boleh terbentuk.
Setelah memahami perkara ini, apabila kita melihat pelbagai proses penyingkiran nitrogen, seperti A/O, AAO, dan parit pengoksidaan, kita dapat melihat bahawa semuanya dioptimumkan dan digabungkan di sekitar dua langkah ini.
Banyak proses kompleks dalam rawatan kumbahan, dalam analisis akhir, sebenarnya mewujudkan "persekitaran kerja" yang sesuai untuk mikroorganisma ini.