Na operação diária de tratamento de águas residuais, ouve-se frequentemente dois termos: nitrificação e desnitrificação. Muitas pessoas que são novas no tratamento de águas residuais tendem a confundir estes dois conceitos. Apesar de seus nomes semelhantes, ambos girando em torno do personagem “硝”, eles na verdade desempenham papéis completamente diferentes no tratamento de águas residuais.
Em termos simples, a nitrificação é responsável pela conversão do nitrogênio amoniacal em nitrato, enquanto a desnitrificação é responsável pela conversão do nitrato em nitrogênio gasoso. Um é um processo de oxidação e o outro é um processo de redução. Os dois processos são como uma corrida de revezamento e somente quando são concluídos em coordenação é que o nitrogênio do esgoto pode ser realmente removido.
Uma vez compreendido este ponto, a lógica por trás de vários processos de remoção de nitrogênio, como A/O, AAO e vala de oxidação, torna-se muito mais clara.
I. Nitrificação: conversão de nitrogênio amoniacal em nitrato
No esgoto doméstico e em muitas águas residuais industriais, o nitrogênio existe principalmente na forma de nitrogênio amoniacal. Se o azoto amoniacal for descarregado diretamente em massas de água, pode facilmente levar à eutrofização e também exercer efeitos tóxicos em organismos aquáticos, como os peixes. Portanto, as estações de tratamento de águas residuais precisam primeiro converter o nitrogênio amoniacal.
Este processo de transformação é conhecido como nitrificação.
A nitrificação é na verdade um processo de oxidação realizado por microrganismos, que pode ser dividido em duas etapas:
A primeira etapa é a oxidação do nitrogênio amoniacal em nitrito
Etapa 2: O nitrito é posteriormente oxidado em nitrato
Todo o processo requer oxigênio suficiente, portanto a nitrificação normalmente ocorre em ambientes aeróbicos, como tanques de aeração ou tanques bioquímicos MBR.
Os microrganismos envolvidos neste processo são conhecidos como bactérias nitrificantes. Elas diferem das bactérias heterotróficas comuns porque pertencem à categoria autotrófica, obtendo energia principalmente de substâncias inorgânicas. A sua taxa de crescimento é relativamente lenta e também são sensíveis às mudanças ambientais.
É também por isso que muitas estações de tratamento de águas residuais tendem a sofrer um declínio na capacidade de nitrificação durante o inverno.
II. Desnitrificação: conversão de nitrato em gás nitrogênio
Embora a nitrificação tenha resolvido o problema do nitrogênio amoniacal, o nitrogênio na água ainda não desapareceu verdadeiramente; apenas se transformou de uma forma em outra. Para realmente “remover” o nitrogênio das águas residuais, a segunda etapa - desnitrificação - precisa ser concluída.
A desnitrificação é um processo de redução. Em um ambiente anaeróbico, os microrganismos utilizam o oxigênio do nitrato, reduzindo-o gradualmente a gás nitrogênio. O caminho da reação é aproximadamente o seguinte:
Nitrato → Nitrito → Óxido Nitroso → Óxido Nitroso → Nitrogênio
O gás nitrogênio (N₂)* finalmente gerado será liberado no ar na forma gasosa, assim o nitrogênio no esgoto será realmente removido. Os microrganismos que completam esse processo são chamados de bactérias desnitrificantes. Ao contrário das bactérias nitrificantes, elas pertencem a bactérias heterotróficas e requerem carbono orgânico como fonte de energia.
É também por isso que muitas estações de tratamento de águas residuais precisam adicionar fontes de carbono durante a remoção de nitrogênio.
III. Várias diferenças importantes entre nitrificação e desnitrificação
Se considerarmos estes dois processos em conjunto, descobriremos que são diametralmente opostos em muitos aspectos.
1. Diferentes condições de oxigênio
A nitrificação deve ocorrer em um ambiente aeróbio, normalmente exigindo que os níveis de oxigênio dissolvido sejam mantidos em torno de 2 mg/L.
A desnitrificação requer um ambiente anaeróbico com oxigênio dissolvido mantido abaixo de 0,5 mg/L. Se houver muito oxigênio, as bactérias desnitrificantes preferirão utilizar oxigênio em vez de nitrato.
Em termos simples, a nitrificação prospera no oxigênio, enquanto a desnitrificação é inibida pelo oxigênio.
2. Diferentes tipos de microrganismos
A nitrificação é realizada principalmente por bactérias nitrificantes, que incluem nitrosomonas e nitrobacter
Estas bactérias pertencem a bactérias autotróficas, que crescem lentamente e requerem uma idade mais longa do lodo.
A desnitrificação é realizada por bactérias desnitrificantes, que pertencem à categoria de bactérias heterotróficas e apresentam uma taxa de crescimento relativamente mais rápida.
3. Diferentes requisitos de fontes de carbono
As bactérias nitrificantes utilizam principalmente substâncias inorgânicas para obter energia e geralmente não dependem de fontes orgânicas de carbono.
Bactérias desnitrificantes requerem carbono orgânico como doador de elétrons. Portanto, quando a matéria orgânica disponível nas águas residuais é insuficiente, muitas vezes é necessário adicionar fontes externas de carbono, como acetato de sódio, metanol e glicose.
Na operação de muitas estações de águas residuais, a fonte insuficiente de carbono é muitas vezes um factor significativo que afecta a eficiência da remoção de azoto.
4. O local da ocorrência é diferente
Em processos comuns de remoção de nitrogênio, os dois geralmente estão dispostos em zonas de reação diferentes.
Por exemplo, em processos A/O ou AAO:
Tanque anóxico - Desnitrificação Tanque aeróbico - Nitrificação
O nitrato produzido através da nitrificação retorna à zona anóxica através de recirculação interna, onde é posteriormente transformado por bactérias desnitrificantes.
5. Resultados finais diferentes
O resultado da nitrificação é uma diminuição do nitrogênio amoniacal e um aumento do nitrato
O resultado da desnitrificação é: redução de nitrato e produção de gás nitrogênio
Em outras palavras, o nitrogênio só pode sair do corpo d'água após a conclusão da desnitrificação.
4. eles são na verdade uma corrida de revezamento
De uma perspectiva holística, a nitrificação e a desnitrificação não são dois processos independentes, mas sim duas etapas consecutivas na remoção biológica do nitrogênio.
Todo o processo de conversão de nitrogênio pode ser entendido simplesmente como:
Nitrogênio amoniacal → Nitrito nitrito → Nitrato nitrato → Nitrito nitrito → Nitrogênio gasoso
A nitrificação é responsável pela conversão do nitrogênio amoniacal em nitrato, enquanto a desnitrificação é responsável pela redução do nitrato de volta ao gás nitrogênio.
Os dois estão conectados como uma corrida de revezamento.
Se houver apenas nitrificação e não desnitrificação, o nitrato na água ainda causará eutrofização.
Se não houver nitrificação, faltarão “matérias-primas” para a desnitrificação.
É também por isso que a maioria dos processos de remoção de nitrogênio incorpora zonas aeróbicas e anóxicas.
V. Conclusão
No campo do tratamento de águas residuais, muitos conceitos podem parecer semelhantes, mas a lógica subjacente é totalmente diferente.
Nitrificação e desnitrificação são um par típico.
Um ocorre em ambiente aeróbico, enquanto o outro ocorre em ambiente anaeróbico;
Um é responsável pela oxidação do nitrogênio amoniacal e o outro é responsável pela redução do nitrato;
Somente quando os dois são combinados é que um processo biológico completo de remoção de nitrogênio pode ser formado.
Tendo entendido isso, quando olhamos para vários processos de remoção de nitrogênio, como A/O, AAO e vala de oxidação, podemos ver que todos eles são otimizados e combinados em torno dessas duas etapas.
Muitos processos complexos no tratamento de esgotos, em última análise, estão na verdade criando um “ambiente de trabalho” adequado para esses microrganismos.