Механизм биологического удаления азота

Диссимиляторная элиминация нитратов заключается в их восстановлении с одновременным высвобождением энергии. Путь диссимиляции в основном используется двумя группами прокариотических организмов. Один из них восстанавливает нитрат до нитрита или аммония, другой - нитрат через нитрит до азотных газов с молекулярным азотом в качестве конечного продукта. Первый процесс, диссимиляционное восстановление нитрата до аммония, осуществляется бактериями, которые используют нитрат в качестве конечного акцептора электронов, когда органические вещества не могут быть восстановлены по биоэнергетическим причинам.К денитрификаторам относится широкий спектр прокариотических организмов. Большинство из них являются факультативными анаэробами и используют нитрат в качестве конечного акцептора электронов в отсутствие кислорода. Молекулярный азот является конечным продуктом этого процесса, но при определенных условиях может происходить промежуточное накопление нитритов, оксида азота и закиси азота. Гетеротрофные денитрификаторы, которые используют вещества с органическим углеродом в качестве источника углерода для биосинтеза и электронов, наиболее распространены в природе. В некоторых восстановленных средах, бедных растворенным углеродом, преобладают автотрофные денитрификаторы, которые используют восстановленные неорганические вещества, такие как марганец, железо, сера и водород, в качестве источника электронов, а неорганический углерод - в качестве источника углерода для биосинтеза.Поэтому этот процесс вызывает ряд серьезных проблем на станциях очистки сточных вод: соотношение между выходом газообразного азота и других промежуточных продуктов денитрификации (NO, N2O, аммоний) и накоплением аммония в осветлителях в процессе диссимиляторного образования аммония из нитрата.Поэтому в установках биологической очистки сточных вод наиболее логично определить процесс денитрификации как восстановление соединений азота (включая газообразные соединения) в газообразный продукт (NO, N2O, N2), имеющий энергетическую ценность для организма, осуществляющего процесс. Таким образом, под денитрификацией здесь понимается как диссимиляционное восстановление нитрата до газообразных продуктов, так и диссимиляционное образование аммония из нитрита и нитрата.До недавнего времени диссимиляторное образование аммония считалось малоиспользуемым, экологически незначимым процессом, который не приводит к образованию побочных продуктов или промежуточных продуктов. Однако образование аммония в количествах, значительно превышающих биосинтетические потребности микроорганизмов, приводит к ряду негативных последствий для развития всего микробиоценоза активного ила, так как избыток аммония вызывает значительные изменения физико-химических параметров бассейна активного ила эксплуатируемой установки.Для многих представителей семейств Enterobacteriaceae, Bacillaceae, Pseudomonadaceae, родов Vibrio, Clostridium и многих других была продемонстрирована способность диссимилировать образование аммония в присутствии низкомолекулярного органического материала. Кроме того, ранее было показано, что сброженный осадок сточных вод уменьшает 60:70 % добавленного нитрата до аммония. В то же время, влияние окислительно-восстановительного потенциала среды на соотношение скоростей денитрификации и диссимиляторного образования аммония было определено в системах с перемешиваемым слоем, в которых специфический окислительно-восстановительный потенциал создавался путем введения азота и воздуха. Скорость общего восстановления нитратов и доля нитратов, восстановленных до аммония и органического азота, уменьшалась с увеличением потенциала. Данные этих исследований показали, что скорость восстановления нитратов до аммония и газообразных продуктов сильно зависит от количества нитратов, попадающих в строго анаэробные зоны.Можно сделать вывод, что количество окисленных форм азота в результате процессов нитрификации и денитрификации указывает на степень завершения биологической очистки сточных вод. В то же время экологические факторы, особенно наличие и характер органических углеродистых веществ, а также окислительно-восстановительный потенциал водоема, во многом определяют жизнеспособность диссимилирующихнитратредукторов, ведущих к заключительному этапу очистки.Высокое соотношение СЖ и высокие концентрации сульфидов в аэротенках способствуют преобладанию диссимилирующих организмов, преобразующих нитрат в аммоний, над денитрификаторами. В последнем случае тип и количество органических углеводов влияют на накопление промежуточных продуктов, таких как аммоний, нитриты и неорганические азотные газы. Кислород является важным регулятором денитрификации. Хотя есть сообщения об аэробной денитрификации, большинство денитрификаторов являются факультативными анаэробами. Они восстанавливают нитрат в отсутствие кислорода. При низких концентрациях кислорода происходит неполное восстановление нитрата до промежуточных продуктов, что связано с дифференциальным подавлением кислородом ферментов, участвующих в пути восстановления нитрата. Существует еще один, более новый процесс удаления азота из сточных вод в атмосферу: анаэробное окисление аммония (ANAMMOX). Это хемолитоавтотрофный процесс, в котором неорганический углерод связывается с энергией, получаемой при производстве свободного азота. Этот процесс противоположен разложению органического материала при денитрификации гетеротрофами.Этот процесс был широко изучен в последние десятилетия и все чаще успешно интегрируется в технологическую схему очистных сооружений. Однако существует ряд факторов, которые препятствуют этому процессу на городских очистных сооружениях.Организмы ANAMMOX являются облигатными анаэробами: процесс анаэробного окисления аммония протекает лучше всего при низком содержании органических веществ в сточных водах. Кроме того, согласно литературным данным, для реакции анамокса в системе необходимо достаточное количество нитрита, поэтому она должна использоваться в сочетании с процессом преобразования части аммония в нитрит.Несмотря на трудности, анаэробное окисление аммония является перспективной альтернативой известным процессам удаления азота.ЗаключениеУдаление азота из сточных вод происходит посредством нескольких взаимосвязанных процессов: аммонификации, нитрификации и денитрификации.Аммонификация влияет на белки, аминосахара, нуклеиновые кислоты, алкалоиды, мочевину и другие вещества в бытовых сточных водах, и этот процесс начинается уже во время транспортировки по трубам. Аммоний, содержащийся в сточных водах, должен быть утилизирован в процессе биологической очистки либо непосредственно различными группами микроорганизмов, либо путем преобразования в окисленные формы. Микроорганизмы предпочитают аммонийные соли органических кислот минеральным аммонийным солям, поскольку последние физиологически кислые, но минеральные аммонийные соли, тем не менее, используются некоторыми группами бактерий. Различают аминоавтотрофные и аминогетеротрофные микроорганизмы.Поскольку нитрифицирующие микроорганизмы являются строгими аэробами, недостаток растворенного кислорода в сточных водах, а также затрудненные процессы аэрации в осветлителях оказывают негативное влияние на развитие этой группы, что приводит к снижению активности бактерий, осуществляющих этот процесс.Поскольку процесс нитрификации является наиболее важным процессом при очистке городских сточных вод от аммонийных соединений, интенсивность этого процесса определяет качество очистки в целом, поэтому основной задачей любой технологии очистки является разработка способов интенсификации процесса нитрификации. Поэтому нитрификация является "ахиллесовой пятой" любой станции очистки сточных вод. На многих действующих предприятиях процесс нитрификации часто выходит из строя, и причины этого не всегда известны.Список литературыАвдеенков П.П., Чистяков Н.Е. Механизм денитрификации // Наука, техника и образование. 2019. №4 (57). С. 19-22.Исмаилова Д.Н. Механизмы биологического удаления азота в системах очистки городских сточных вод // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Серия: Естественные науки. 2014. №3 (181). С. 71-74.Пан Л.С., Бахирева О.И., Зелина М.А., Кочина Е.А. Микробиологический метод очистки сточных вод от аммонийного азота // Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология. 2017. №4. С. 37-49.РыбкаК.Ю., Щеголькова Н.М. Механизмы очистки сточных вод от биогенных элементов (азота и фосфора) в фито-очистных системах // Экосистемы: экология и динамика. 2018. №4. С. 144-171.Сафронова Т.И., Муравьева Ю.А. Исследование процесса очистки сточных вод от соединений азота // StudNet. 2020. №7. С. 582-592.