Очистка воды от нитратов, нитритов

Нитраты и нитриты в сточные, поверхностные и грунтовые воды попадают с промышленными выбросами и отходами предприятий пищевой и химической промышленности, сбрасываемыми как в водные объекты, так и в места накопления и захоронения отходов, в почвы при использовании большого количества удобрений и т.д. Также имеет большое влияние загрязнение воздушного бассейна оксидами азота (ангидридами), которые при взаимодействии с атмосферной влагой образуют нитраты и попадают затем в водные объекты.

В процессе очистки хоз-бытовых стоков в аэротенках наряду с окислением органических веществ до воды и углекислого газа в аэротенках идет процесс нитрификации – совокупность реакций окисления аммонийного азота до нитритов и нитратов. Содержание их жестко нормируется как при сбросе в централизованную канализацию, так и в водоем, поскольку поступление в водоем со сточными водами биогенных веществ (азот, фосфор) вызывает в нем нарушение естественного равновесия, в частности, их эвтрофикацию.

Для этого проводят удаление нитратов из сточных вод биологическим путем при помощи процесса денитрификации.

Денитрификатор — анаэробный биореактор

В ходе денитрификации происходит окисление органических веществ при восстановлении азота нитратов до свободного азота, тем самым происходит удаление нитратов, образовавшихся в процессе биологической очистки или поступивших с исходной сточной водой.

В денитрификаторе, который конструктивно может быть выполнен отдельным биореактором или являться частью аэротенка, при наличии питательного субстрата и циркулирующего активного ила, обогащенного нитратами, развивается процесс денитрификации, т.е. восстановление нитратов до элементарного азота.

Стадии денитрификации:
NO₃^- → NO₂^- → NO → N₂O → N₂

В условиях острого дефицита кислорода (0,05–0,1 мг/л) факультативные анаэробы способны использовать для дыхания связанный кислород нитратов. Поддержание активного ила во взвешенном состоянии производится мешалками. Не допускается перемешивание воздухом, так как микроорганизмы активного ила очень быстро перестраиваются на использование свободного кислорода и удаления нитратов происходить не будет.

Процесс восстановления азота нитратного до азота атомарного осуществляется факультативными анаэробами. В качестве питательного субстрата для них в денитрификаторе могут использоваться поступающая на очистку сточная жидкость, а при дефиците легкоокисляемой органики в ней — метанол (CH₃OH), этанол (C₂H₅OH), уксусная кислота (CH₃COOH) и другие карбоновые кислоты с короткой цепью (до 6 атомов C), которые приходится добавлять дополнительно.

Оптимальный диапазон pH процесса денитрификации — 7,2–7,6. При температуре воды ниже 7 °C денитрификация практически не идет. Поэтому для реализации процесса удаления нитратов важно соблюдать технологические параметры работы денитрификатора.

В процессе эксплуатации очистных сооружений технологи часто сталкиваются с проблемой появления нитритов на выпуске в водоем. Нитриты — это промежуточный продукт в процессе биохимической трансформации соединений азота.

Окисление аммонийного азота протекает в две стадии. На первой стадии образуются нитриты:

2NH₃ + 3O₂ → 2HNO₂ + 2H₂O + 158 ккал/моль

Нитриты относятся к неустойчивым соединениям: при недостатке кислорода (0,5–1 мг/л) они восстанавливаются до NO, N₂O, N₂ или NH₄⁺, а при его избытке (3–4 мг/л) нитриты окисляются нитратными бактериями (Nitrobacter) до нитратов:

2HNO₂ + O₂ → 2HNO₃ + 48 ккал/моль

Лабораторный контроль нитратов и нитритов

На скорость нитрификации существенное влияние оказывает температура сточной жидкости, начальная концентрация аммонийного азота, растворенный кислород, доза ила и его зольность. Процесс этот двухстадийный, причем вторая стадия процесса (окисление нитритов до нитратов) более чувствительна к содержанию кислорода и эффективнее протекает при концентрациях 3,5 мг/л растворенного кислорода и выше. Поэтому при несоблюдении оптимальных параметров технологического процесса очистки промежуточный продукт реакции окисления — нитриты, могут накапливаться в сточной воде.

Аналогичная ситуация и с образованием нитритов как промежуточного продукта восстановления азота (денитрификации).

При залегании ила на дне отстойника возникают условия для возникновения аноксидных и анаэробных процессов, вызывающих лизис (разрушение) клеток активного ила. В этих условиях в слое ила возникает достаточное количество органического вещества — как остаточного, сорбированного на иловом хлопке, так и образующегося при лизисе части клеток, чтобы в присутствии нитратов начался процесс неполной денитрификации с вторичным образованием нитритов.

Особенно это актуально в присутствии промышленных сточных вод с большой концентрацией трудноокисляемых веществ в виде суспензий и коллоидов, которые только адсорбируются илом и не успевают окислиться полностью в аэротенках. При условиях залеживания ила в отстойниках органические вещества продолжают окисляться в нем, при этом в осветленную воду будут выделяться нитриты. Избежать этого поможет четкое соблюдение параметров работы системы «аэротенк – отстойник».