Некоторые окислительно-восстановительные реакции могут быть результатом деятельности бактерий при окислении ими железа и марганца в воде, соединений серы, а также окисления и восстановления соединений азота.
Все биологические процессы были описаны в основном применительно к удалению углеродсодержащих органических веществ. Стоки содержат также азотные соединения в виде белков, аминокислот, мочевины и продуктов их распада, таких как неорганический азот главным образом, в виде аммонийных солей. Все эти азотные загрязнения могут подвергаться трансформации в азотных циклах под действием соответствующих бактерий.
Нитрификация — это бактериальный процесс, в котором органические и аммонийные соединения (общий азот по Кьельдалю) окисляются в нитриты (бактериями Nitrosomonas), а затем в нитраты (бактериями Nitrobacter). На рисунке ниже показана зона потенциалов, в которой протекают эти процессы.
При осуществлении бактериями этих реакций нитриты определяются только в виде следов, так как скорость размножения таких бактерий, как Nitrosomonas (1 сут), меньше, чем скорость размножения Nitrobacter в оптимальных условиях окружающей среды.
Для развития нитрификации необходимо, чтобы возраст ила был достаточным для развития бактерий, размножающихся медленно. Если А — возраст ила и uN — скорость роста Nitrosomonas, то должно быть удовлетворено следующее условие:
1/A < uN
Скорость роста Nitrosomonas зависит от температуры Т в соответствии с выражением:
uN = 0,212 * 1,0725T-15.
Она зависит от pH и изменяется по уравнению:
uN= u — 0,17 (7,2 — pH),
где u — скорость роста при рН=7,2.
Наконец, концентрация остаточного Nобщ, Ne, влияет на скорость окисления К аммонийных соединений в соответствии с уравнением типа:
K = Km * Ne / (Ks + Ne),
где Km — максимальная скорость окисления; Ks — концентрация аммоиийного азота при u=1/2um.
Денитрификация происходит в том случае, когда концентрация растворенного кислорода в воде слишком мала или практически близка к нулю (бескислородная фаза): факультативные микроорганизмы используют кислород нитратов, восстанавливая его последовательно в форму NO-2, газ оксид азота NO, в закись азота N2O и, наконец, в азот N2. Эти изменения наблюдаются при значениях pH=7 и редокс-потенциала от +0,35 до +0,40V, т. е. в том же диапазоне, как и нитрификация. Если в некоторых случаях (например, при анаэробном сбраживании) редокс-потенциал имеет отрицательные значения (от —0,2 до —0,3V), то восстановление нитритов и нитратов проходит до образования NH+-4.
Теоретически денитрификация ингибируется присутствием кислорода. В действительности бактерии, участвующие в этом процессе, принадлежат к факультативным анаэробным гетеро-трофам, которые получают высвобождающуюся энергию, когда электроны переносятся с органических соединений на О2, NO-2 или NO-3.
Если .для бактерий оказываются доступными и кислород и окисленные соединения азота, то акцептором будет то вещество, которое дает наибольший выход энергии на единицу окисленного органического вещества. Маккарти опубликовал следующие данные для кислорода и нитратов:
|
Источник энергий |
Выход энергии, кДж, на один электрон акцептора |
|
|
O2 |
NO—6 |
|
|
Бытовые сточные воды |
110,355 |
101,968 |
|
Метанол |
116,088 |
109,591 |
|
Этанол |
110,321 |
103,824 |
Как видно, количество выделяющейся энергии неизменно больше, для процесса с кислородом, чем с нитратами, поэтому предпочтительнее перенос электронов на кислород. Следовательно, наличие кислорода в растворе ингибирует денитрификацию.
Максимальная энергия выделяется при использовании метанола. По этой причине большинство исследователей выбирают именно метанол в качестве источника углерода для денитрификации. С другой стороны, бытовые стоки обеспечивают почти ту же энергию бесплатно, а потому они весьма привлекательны в качестве источника углерода.
Что касается pH, то оптимальное значение лежит между 7 и 8,2. Следовательно, избыточная нитрификация, приводящая к соответствующему понижению pH воды, если она не обладала достаточной буферностью, будет препятствовать демгрификации. Этим объясняются сложности, встречающиеся при решении проблемы биологического удаления избыточного общего азота и азота аммиака N—NH+4.
Джонсон показал, что денитрификация развивается пропорционально количеству использованного субстрата. Он также продемонстрировал, что независимо от вида углеродного субстрата ‘на 1 мг восстановленного азота нитратов удаляется от 4 до 6 мг БПК5 (в отсутствии кислорода). Поэтому денитрификация дает возможность удалить большие количества углеродсодержащих загрязнений (БПК5) при использовании кислорода нитратов.
Наконец, следует иметь в виду, что подобно любым ферментативным реакциям, денитрификация чувствительна к температуре и при 10 °С имеется тенденция к снижению скорости процесса.
Любой владелец дома мечтает о качественном кирпичном заборе, который скроет его от соседей. Заказать качественный кирпичный забор у профессионалов можно перейдя по ссылке.