Atık su arıtmanın günlük işletiminde sıklıkla iki terim duyulur: nitrifikasyon ve denitrifikasyon. Atık su arıtımında yeni olan birçok kişi bu iki kavramı birbirine karıştırma eğilimindedir. Her ikisi de "硝" karakteri etrafında dönen benzer isimlerine rağmen, aslında atık su arıtımında tamamen farklı roller oynuyorlar.
Basit bir ifadeyle nitrifikasyon, amonyak nitrojeninin nitrata dönüştürülmesinden, denitrifikasyon ise nitratın nitrojen gazına dönüştürülmesinden sorumludur. Biri oksidasyon işlemi, diğeri ise indirgeme işlemidir. Bu iki süreç bir bayrak yarışı gibidir ve ancak koordinasyon içinde tamamlandıklarında kanalizasyondaki nitrojen gerçek anlamda giderilebilir.
Bu nokta anlaşıldığında, A/O, AAO ve oksidasyon hendeği gibi çeşitli nitrojen giderme işlemlerinin ardındaki mantık çok daha net hale gelir.
I. Nitrifikasyon: amonyak nitrojeninin nitrata dönüştürülmesi
Evsel atık sularda ve birçok endüstriyel atık sularda nitrojen öncelikle amonyak nitrojen formunda bulunur. Amonyak nitrojeni doğrudan su kütlelerine boşaltılırsa kolaylıkla ötrofikasyona yol açabilir ve ayrıca balık gibi suda yaşayan organizmalar üzerinde toksik etkiler yaratabilir. Bu nedenle atık su arıtma tesislerinin öncelikle amonyak nitrojenini dönüştürmesi gerekir.
Bu dönüşüm işlemi nitrifikasyon olarak bilinir.
Nitrifikasyon aslında mikroorganizmalar tarafından gerçekleştirilen ve kabaca iki aşamaya bölünebilen bir oksidasyon işlemidir:
İlk adım, amonyak nitrojeninin nitrite oksidasyonudur.
Adım 2: Nitrit daha da nitrata oksitlenir
Prosesin tamamı yeterli oksijen gerektirir, dolayısıyla nitrifikasyon tipik olarak havalandırma tankları veya MBR biyokimyasal tankları gibi aerobik ortamlarda meydana gelir.
Bu işleme katılan mikroorganizmalara nitrifikasyon bakterileri denir. Sıradan heterotrofik bakterilerden, öncelikle inorganik maddelerden enerji elde etmeleri nedeniyle ototrofik kategoriye ait olmaları bakımından farklılık gösterirler. Büyüme hızları nispeten yavaştır ve aynı zamanda çevresel değişikliklere karşı da duyarlıdırlar.
Birçok atık su arıtma tesisinin kış aylarında nitrifikasyon kapasitesinde düşüş yaşamasının nedeni de budur.
II. Denitrifikasyon: Nitratın nitrojen gazına dönüştürülmesi
Nitrifikasyon, amonyak nitrojeni sorununu çözmüş olsa da, sudaki nitrojen bu noktada tam olarak ortadan kaybolmamıştır; yalnızca bir biçimden diğerine dönüşmüştür. Atık sudan nitrojeni gerçek anlamda "ortadan kaldırmak" için, ikinci adım olan - denitrifikasyonun - tamamlanması gerekir.
Denitrifikasyon bir indirgeme işlemidir. Anaerobik bir ortamda, mikroorganizmalar nitrattaki oksijeni kullanır ve onu yavaş yavaş nitrojen gazına indirger. Reaksiyon yolu kabaca aşağıdaki gibidir:
Nitrat → Nitrit → Azot Oksit → Azot Oksit → Azot
Nihai olarak üretilen nitrojen gazı (N₂)*, gaz halinde havaya salınacak, böylece kanalizasyondaki nitrojen gerçek anlamda ortadan kaldırılacak. Bu işlemi tamamlayan mikroorganizmalara denitrifikasyon bakterileri denir. Nitrifikasyon bakterilerinin aksine, heterotrofik bakterilere aittirler ve enerji kaynağı olarak organik karbona ihtiyaç duyarlar.
Bu aynı zamanda birçok atık su arıtma tesisinin nitrojen giderimi sırasında karbon kaynakları eklemesi gerekmesinin nedenidir.
III. Nitrifikasyon ve denitrifikasyon arasındaki birkaç temel fark
Bu iki süreci bir arada ele alırsak birçok açıdan birbirine taban tabana zıt olduklarını görürüz.
1. Farklı oksijen koşulları
Nitrifikasyonun, tipik olarak çözünmüş oksijen seviyelerinin 2 mg/L civarında tutulmasını gerektiren aerobik bir ortamda gerçekleşmesi gerekir.
Denitrifikasyon, çözünmüş oksijenin 0,5 mg/L'nin altında tutulduğu anaerobik bir ortam gerektirir. Çok fazla oksijen varsa, denitrifikasyon bakterileri nitrat yerine oksijeni kullanmayı tercih edecektir.
Basit bir ifadeyle, nitrifikasyon oksijende gelişir, denitrifikasyon ise oksijen tarafından engellenir.
2. Farklı mikroorganizma türleri
Nitrifikasyon öncelikle nitrosomonas ve nitrobakteri içeren nitrifikasyon bakterileri tarafından gerçekleştirilir.
Bu bakteriler, yavaş büyüyen ve daha uzun çamur yaşı gerektiren ototrofik bakterilere aittir.
Denitrifikasyon, heterotrofik bakteri kategorisine ait olan ve nispeten daha hızlı bir büyüme oranı sergileyen bakterilerin denitrifikasyonu ile gerçekleştirilir.
3. Farklı karbon kaynağı gereksinimleri
Nitrifikasyon bakterileri öncelikle enerji için inorganik maddeleri kullanır ve genellikle organik karbon kaynaklarına güvenmezler.
Denitrifikasyon bakterileri elektron donörü olarak organik karbona ihtiyaç duyar. Bu nedenle atık sudaki mevcut organik madde yetersiz olduğunda genellikle sodyum asetat, metanol ve glikoz gibi dış karbon kaynaklarının eklenmesi gerekir.
Pek çok atık su tesisinin işletilmesinde yetersiz karbon kaynağı çoğu zaman nitrojen giderim verimliliğini etkileyen önemli bir faktördür.
4. Oluşum yeri farklıdır
Yaygın nitrojen giderme proseslerinde bu ikisi genellikle farklı reaksiyon bölgelerinde düzenlenir.
Örneğin A/O veya AAO işlemlerinde:
Anoksik tank - Denitrifikasyon Aerobik tank - Nitrifikasyon
Nitrifikasyon yoluyla üretilen nitrat, dahili yeniden dolaşım yoluyla anoksik bölgeye geri döner ve burada denitrifikasyon bakterileri tarafından daha da dönüştürülür.
5. Farklı nihai sonuçlar
Nitrifikasyonun sonucu amonyak nitrojeninde bir azalma ve nitratta bir artıştır.
Denitrifikasyonun sonucu: nitratın azaltılması ve nitrojen gazı üretimidir.
Başka bir deyişle nitrojen su kütlesini ancak denitrifikasyon tamamlandıktan sonra terk edebilir.
IV. onlar aslında bir bayrak yarışı
Bütünsel bir bakış açısıyla nitrifikasyon ve denitrifikasyon iki bağımsız süreç değil, biyolojik nitrojen gideriminde birbirini takip eden iki adımdır.
Azot dönüşüm sürecinin tamamı basitçe şu şekilde anlaşılabilir:
Amonyak nitrojen → Nitrit nitrojen → Nitrat nitrojen → Nitrit nitrojen → Azot gazı
Nitrifikasyon, amonyak nitrojeninin nitrata dönüştürülmesinden, denitrifikasyon ise nitratın tekrar nitrojen gazına indirgenmesinden sorumludur.
İkisi bir bayrak yarışı gibi birbirine bağlı.
Yalnızca nitrifikasyon varsa ve denitrifikasyon yoksa, sudaki nitrat yine de ötrofikasyona neden olacaktır.
Nitrifikasyon olmazsa denitrifikasyon için "hammadde" eksikliği ortaya çıkacaktır.
Çoğu nitrojen giderme işleminin hem aerobik hem de anoksik bölgeleri içermesinin nedeni de budur.
V. Sonuç
Atık su arıtma alanında birçok kavram benzer görünebilir ancak temeldeki mantık tamamen farklıdır.
Nitrifikasyon ve denitrifikasyon tipik bir çifttir.
Biri aerobik ortamda, diğeri ise anaerobik ortamda meydana gelir;
Biri amonyak nitrojenini oksitlemekten, diğeri ise nitratı azaltmaktan sorumludur;
Yalnızca ikisi birleştirildiğinde tam bir biyolojik nitrojen giderme prosesi oluşturulabilir.
Bunu anladıktan sonra, A/O, AAO ve oksidasyon hendeği gibi çeşitli nitrojen giderme işlemlerine baktığımızda, hepsinin bu iki adım etrafında optimize edildiğini ve birleştirildiğini görebiliriz.
Atık su arıtımındaki birçok karmaşık süreç, son tahlilde aslında bu mikroorganizmalar için uygun bir "çalışma ortamı" yaratmaktadır.