Нитрификация

Нитрификация, денитрификация сточных вод

Нитрификация

Удаление  из сточных вод аммонийного азота происходит в результате процесса  нитрификации,  которая  осуществляется  автотрофными  бактериями,  использующими  для  питания  неорганический  углерод (углекислоту,  карбонаты, бикарбонаты). Присутствие в воде органических веществ может тормозить развитие нитрифицирующих  бактерий.

Это  связано  с  тем, что нитрифицирующие  бактерии  способны потреблять только тот азот, который не использован гетеротрофными микроорганизмами, развивающимися при наличии органических веществ и потребляющими азот в процессе конструктивного обмена.

Кроме того, гетеротрофные бактерии усиленно поглощают кислород, необходимый нитрификаторам.

На  первой  стадии  процесса  бактерии  рода  Nitrosomonas  окисляют  азот  аммонийный  до  нитритов.  В  качестве  субстрата Nitrosomonas может  использовать  аммонийный азот, мочевину, мочевую кислоту, гуанин, но органическая часть молекулы не потребляется. На второй стадии бактерии рода Nitrobacter окисляют нитриты до нитратов.

Реакции окисления азота аммонийного:

1) NH4+  + 3O2 → 2 NO2-  + 2H2O + 4H+

2) 2 NO2- + О2  → 2 N03-

При  нитрификации  в  качестве  источника  кислорода  бактериями  используются также гидрокарбонаты – НСОз-, при этом увеличивается концентрация угольной кислоты –  Н2СО3 и следовательно, снижается рН среды.

Степень снижения рН зависит от величины щелочности воды: на 1 мг окисленного азота используется 8,7 мг щелочности.

При условии осуществления нитрификации в аэротенке  необходимо  учитывать дополнительный расход кислорода из расчета 4,6 мг О2  на 1 мг окисленного азота.

Прирост  органического  вещества  бактерий  при  нитрификации  составляет  примерно 0,16 мг на 1 мг окисленного азота, причем основная часть приходится на Nitrosomonas.

Около 98% азота  окисляется  при  этом  до  нитратов, остальное  количество входит в состав клеточной биомассы.

Доля нитрифицирующих бактерий в общей биомассе активного ила может составлять от 0,5 до 2,5%, по абсолютной величине – от 17

до 55 мг/л. Основным требованием к процессу нитрификации при осуществлении его в аэротенках  является  наличие  достаточной  биомассы  бактерий-нитрификаторов.

  Поскольку скорость роста автотрофов значительно ниже чем, гетеротрофов, ведущих процесс разложения  органических  загрязнений, при  осуществлении процесса нитрификации  в  одном  сооружении  с  окислением  органических  загрязнений  требуется  увеличение  продолжительности очистки  или  снижение органической  нагрузки.

Скорость прироста бактерий-нитрификаторов определяет минимальный возраст  активного ила в аэротенке, ниже которого  эти бактерии будут просто  изыматься  из  аэротенка  с избыточным активным илом.

различных форм азота в очищенной воде зависит от технологических параметров  работы  очистных  сооружений.  При  традиционных  режимах,  обеспечивающих  полную  биологическую  очистку  и  частичную  нитрификацию,  т.е.

при  нагрузках 400-500 мг БПК на 1 г  беззольного вещества  ила в сутки концентрация аммонийного азота снижается не более, чем на 40%. Очищенные сточные воды содержат не менее 10-15 мг/л аммонийного азота и не более 3-4 мг/л нитратов.

В этом режиме в настоящее время работает большинство очистных сооружений.

В аэротенках  полного окисления (продленной  аэрации) нитрификация  проходит довольно  полно, так  как возраст ила в этих  сооружениях  достигает 30 суток и более. Здесь отмечается высокое содержание нитратов в очищенной воде (до 8-10 мг/л) и соответственно  более  низкие  концентрации  солей  аммония (1-2 мг/л).

Более  глубокую нитрификацию (NH4  до 0,5 мг/л) можно  осуществить  в  аэротенках  с  прикрепленной микрофлорой,  оснащенных  различной  загрузкой.

  Применение  аэротенков  полного окисления на станциях большой производительности ранее не применялось по технико-экономическим  показателям ( увеличение  объемов  аэротенков  и  количества  подаваемого в них воздуха).

Однако считается, что этот метод наиболее  перспективен, особенно с учетом современных требований к степени удаления из воды соединений азота (при применении обычных  аэротенков  все  равно  необходимо  предусматривать  дополнительные  сооружения для проведения нитрификации).

Достоинством  аэротенков  полного  окисления,  особенно  при  использовании  затопленной загрузки, является также то, что в них одновременно протекает процесс денитрификации, эффективность которой может достигать 60-80%.

Скорость процесса нитрификации  зависит  от  рН  среды  и  температуры.  Так  при рН менее 6 и температуре менее 10° С интенсивность нитрификации значительно снижается, присутствие свободного аммиака  и солей тяжелых металлов ингибируют процесс . Оптимальными являются температура 20-25°С и рН более 8,4.

Для удаления из воды окисленных форм азота – нитритов и нитратов, образующихся  в  результате  нитрификации,  осуществляется  процесс  денитрификации, сущность которого заключается в том, что  гетеротрофные  бактерии – денитрификаторы (Tluoresccus, Denitrificans, Pyacvaneum)  в процессе своей жизнедеятельности для окисления органического вещества используют связанный кислород нитратов и нитритов, восстанавливая их до молекулярного азота.

Процесс биологической денитрификации проводится в анаэробных условиях в присутствии органических веществ, необходимых для жизнедеятельности бактерий. Органические вещества окисляются кислородом, который был извлечен из нитритов и нитратов.

Окисляются в основном легкоокисляемые вещества: углеводы, органические кислоты, спирты. Денитрифицирующие бактерии не могут использовать  высокомолекулярные полимерные соединения. Максимальная интенсивность процесса достигается при рН 7.0 – 8.2.

При  значениях рН ниже 6,1 и выше 9,6  процесс полностью затормаживается. Повышение температуры интенсифицирует процесс.

Денитрификация происходит согласно такой схеме:

Следует отметить, что аммиака и оксидов азота в процессе образуется немного. Удельная скорость восстановления нитратов колеблется от 5 до 10 мг/(г.ч).

Для эффективной денитрификации необходимо присутствие легкоокисляемых органических веществ (спиртов, низкомолекулярных органических кислот) в качестве источника углеродного  питания.

Для  этой  цели  может  быть  использована неочищенная сточная  вода, количество которой определяется из  необходимого  соотношения содержания органического вещества по БПК и нитратного азота, равного    (3-6):1, сброженный осадок (отстой из метантенков фазы кислого брожения) или избыточный активный ил.

Процессы  нитрификации  и  денитрификации проходят  в  аэротенке  одновременно, так как в активном иле всегда есть аэрируемые зоны и зоны  с дефицитом кислорода,  где  образовавшиеся  в  процессе  нитрификации  нитриты  и  нитраты восстанавливаются.

Разделение  процессов  нитрификации и  денитрификации  позволяет улучшить  условия  проведения  каждого  из  них  и, соответственно,  обеспечить  глубокое  удаление азота.

Источник: http://vseokraskah.net/ochistka/nitrifikaciya-denitrifikaciya-stochnyx-vod.html

Нитрификация

Нитрификация

Аммиак, образующийся в почве, навозе и воде при разложении органических веществ, довольно быстро окисляется до азотистой, а затем азотной кислоты. Этот процесс получил название нитрификация.

До середины XIX в., точнее, до работ Л. Пастера явление образования нитратов объяснялось, как химическая реакция окисления аммиака атмосферным кислородом, причем предполагалось, что почва играет роль химического катализатора. Л. Пастер предположил, что образование нитратов — микробиологический процесс.

Первые экспериментальные доказательства этого предположения были получены Т. Шлезингом и А. Мюнцем в 1879 г. Эти исследователи пропускали сточные воды через длинную колонку с песком и СаСО3. При фильтрации аммиак постепенно исчезал, и появлялись нитраты.

Нагревание колонки или внесение антисептиков прекращало окисление аммиака.

Однако выделить культуры возбудителей нитрификации не удалось ни упомянутым исследователям, ни микробиологам, продолжавшим изучение нитрификации. Лишь в 1890—1892 гг. С. Н. Виноградский, применив особую методику, изолировал чистые культуры нитрификаторов. С. Н.

Виноградский сделал допущение, что нитрифицирующие бактерии не растут на обычных питательных средах, содержащих органические вещества. Это было вполне правильным и объяснило неудачи его предшественников. Нитрификаторы оказались хемолитоавтотрофами, очень чувствительными к наличию в среде органических соединений.

Эти микроорганизмы удалось выделить, используя минеральные питательные среды.

С. Н. Виноградский установил, что существуют две группы нитрификаторов — одна группа осуществляет окисление аммиака до азотистой кислоты (NH4+→NO2-) — первая фаза нитрификации, другая окисляет азотистую кислоту до азотной (NO2-→NO3-) — вторая фаза нитрификации.

Бактерии обеих групп в настоящее время относят к семейству Nitrobacteriaceae. Это одноклеточные грамотрицательные бактерии.

Среди нитрифицирующих бактерий имеются виды с весьма различающейся морфологией — палочковидные, эллипсоидные, сферические, извитые и дольчатые, плеоморфные. Размеры клеток разных видов Nitrobacteriaceae колеблются от 0,3 до 1 мкм в ширину и от 1 до 6,5 мкм в длину.

Имеются подвижные и неподвижные формы с полярным, субполярным и перитрихиальным жгутикованием. Размножаются в основном делением, за исключением Nitrobacter, который размножается почкованием.

Почти у всех нитрификаторов имеется хорошо развитая система внутри – цитоплазматических мембран, значительно различающихся по форме и расположению в клетках разных видов. Эти мембраны подобны мембранам фотосинтезирующих пурпурных бактерий.

Бактерии первой фазы нитрификации представлены пятью родами: Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus и Nitrosovibrio. Единственный микроорганизм, детально изученный к настоящему времени, — Nitrosomonas europaea.

Nitrosomonas представляет собой короткие овальные палочки размером 0,8 — 1X1—2 мкм. В жидкой культуре Nitrosomonas проходят ряд стадий развития. Две основные из них представлены подвижной формой и неподвижными зооглеями. Подвижная форма обладает субполярным жгутиком или пучком жгутиков. Помимо Nitrosomonas, описаны представители и других родов бактерий, вызывающие первую фазу нитрификации.

Вторую фазу нитрификации осуществляют представители родов Nitrobacter, Nitrospira и Nitrococcus. Наибольшее число исследований проведено с Nitrobacter winogradskii, однако описаны и другие виды (Nitrobacter agilis и др.).

Nitrobacter имеют удлиненную клиновидную или грушевидную форму, более узкий конец часто загнут в виде клювика. Согласно исследованиям Г. А.

Заварзина, размножение Nitrobacter происходит путем почкования, причем дочерняя клетка бывает обычно подвижна, так как имеет один латерально расположенный жгутик.

Известно чередование в цикле развития подвижной и неподвижной стадий. Описаны и другие бактерии, вызывающие вторую фазу нитрификации.

Нитрифицирующие бактерии обычно культивируют на простых минеральных средах, содержащих аммиак или нитриты (окисляемые субстраты) и углекислоту (основной источник углерода). В качестве источников азота эти организмы используют аммиак, гидроксиламин и нитриты.

Нитрифицирующие бактерии развиваются при pH 6—8,6, оптимум pH составляет 7,5—8. При pH ниже 6 и выше 9,2 эти бактерии не развиваются. Оптимальная температура развития нитрификаторов — 25—30°С. Изучение отношения различных штаммов Nitrosomonas europaea к температуре показало, что некоторые из них имеют оптимум развития при 26°С или около 40°С, а другие могут довольно быстро расти при 4°С.

Нитрификаторы — облигатные аэробы. С помощью кислорода они окисляют аммиак до азотистой кислоты (первая фаза нитрификации):

NH4++11/22О2→NO2-+H2O+2H+

А затем азотистую кислоту до азотной (вторая фаза нитрификации):

NO2-+1/2O2→NO3-

Предполагают, что процесс нитрификации проходит в несколько этапов. Первым продуктом окисления аммиака является гидроксилами, который затем превращается в нитроксил (NOH), либо пероксонитрит (ONOOH), который, в свою очередь, преобразуется в дальнейшем в нитрит или нитрит и нитрат.

Нитроксил, как и гидроксиламин, по-видимому, может димеризоваться в гипонитрит или превращаться в закись азота N2O — побочный продукт процесса нитрификации.

Кроме первой реакции (образования гидроксиламина из аммония), все последующие превращения сопровождаются синтезом макроэргических связей в виде АТФ, необходимых клеткам микроорганизмов для связывания СO2 и других биосинтетических процессов.

Фиксация СO2 нитрификаторами осуществляется через восстановительный пентозофосфатный цикл, или цикл Кальвина. В результате фиксации углекислоты образуются не только углеводы, но и другие важные для бактерий соединения — белки, нуклеиновые кислоты, жиры и т. д.

По существовавшим до последнего времени представлениям, нитрифицирующих бактерий относили к облигатным хемолитоавтотрофам.

Сейчас получены данные, свидетельствующие о способности нитрифицирующих бактерий использовать некоторые органические вещества. Так, отмечено стимулирующее действие на рост Nitrobacter в присутствии нитрита дрожжевого автолизата, пиридоксина, глютаминовой кислоты и серина.

Поэтому предполагают, что нитрифицирующие бактерии обладают способностью переключаться с автотрофного на гетеротрофное питание.

Нитрифицирующие бактерии все же не растут на обычных питательных средах, так как большое количество легкоусвояемых органических веществ, содержащихся в таких средах, задерживает их развитие.

Отрицательное отношение этих бактерий к органическому веществу в лабораторных условиях, казалось бы, противоречит естественным условиям их обитания. Известно, что нитрифицирующие бактерии хорошо развиваются, например, в черноземах, навозе, компостах, то есть в местах, где содержится много органического вещества.

Однако указанное противоречие легко устраняется, если сравнить количество легкоокисляемого углерода в почве с теми концентрациями органического вещества, которое нитрификаторы выдерживают в культурах, Так, органическое вещество почв представлено главным образом гуминовыми веществами, на которые приходится, например, в черноземе 71—91% общего углерода, а усвояемые водорастворимые органические вещества составляют не более 0,1% общего углерода. Следовательно, нитрификаторы не встречают в почве больших количеств легкоусвояемого органического вещества.

Этапность процесса нитрификации — характерный пример так называемого метабиоза, то есть такого рода трофических связей микробов, когда один микроорганизм развивается после другого на отходах его жизнедеятельности. Как было показано, аммиак — продукт жизнедеятельности аммонифицирующих бактерий используется Nitrosomonas, а нитриты, образующиеся последними, служат источником жизни для Nitrobacter.

Возникает вопрос о значении нитрификации для земледелия. Накопление нитратов происходит с неодинаковой интенсивностью на разных почвах. Однако этот процесс находится в прямой зависимости от плодородия почвы.

Чем богаче почва, тем большее количество азотной кислоты она может накапливать. Существует метод определения доступного растениям азота в почве по показаниям ее нитрификационной способности.

Следовательно, интенсивность нитрификации можно использовать для характеристики агрономических свойств почвы.

Вместе с тем при нитрификации происходит лишь перевод одного питательного для растений вещества — аммиака в другую форму — азотную кислоту. Нитраты, однако, обладают некоторыми нежелательными свойствами. В то время как ион аммония поглощается почвой, соли азотной кислоты легко вымываются из нее.

Кроме того, нитраты могут восстанавливаться в результате денитрификации до N2, что также обедняет азотный запас почвы. Все это существенно снижает коэффициент использования нитратов растениями.

В растительном организме соли азотной кислоты при их использовании для синтеза должны быть восстановлены, на что тратится энергия. Аммоний же используется непосредственно.

В связи с этим ставится вопрос о подходах к искусственному снижению интенсивности процесса нитрификации путем использования специфических ингибиторов, подавляющих активность бактерий – нитрификаторов и безвредных для других организмов.

Следует отметить, что некоторые гетеротрофные микроорганизмы способны осуществлять нитрификацию.

К гетеротрофным нитрификаторам относятся бактерии из родов Pseudomonas, Arthrobacter, Corynebacterium, Nocardia и некоторые грибы из родов Fusarium, Aspergillus, Penicillium, Cladosporium.

Установлено, что Arthrobacter sp. окисляет в присутствии органических субстратов аммиак с образованием гидроксиламина, а затем нитрита и нитрата.

Некоторые бактерии способны вызывать нитрификацию таких азотсодержащих органических веществ, как амиды, амины, гидроксамовые кислоты, нитросоединения (алифатические и ароматические), оксимы и др.

Гетеротрофная нитрификация встречается в естественных условиях (почвах, водоемах и других субстратах). Она может приобретать главенствующее значение, особенно в атипичных условиях (например, при высоком содержании органических С – и N – соединений в щелочной почве и т. п.).

Гетеротрофные микроорганизмы способствуют не только окислению азота в этих атипичных условиях, но и могут вызывать образование и накопление токсических веществ; веществ, обладающих канцерогенным и мутагенным действием, а также соединений с химиотерапевтическим действием.

В связи с тем, что некоторые из этих соединений вредны для человека и животных даже при относительно низких концентрациях, следует тщательно изучить их образование в естественных условиях.

Источник: https://agroinf.com/mikrobiologiya/-prevrashcheniye-mikroorganizmami-soyedineniy-azota/nitrifikaciya.html

Особенности нитрифицирующих бактерий (нитрификаторов)

Нитрификация

Живые организмы по типу питания подразделяются на автотрофы и гетеротрофы. Последние самостоятельно строят новые элементы из углекислоты и других неорганических веществ. Нитрифицирующие бактерии являются известной формой жизни, часто использующейся в быту и хозяйстве. Эти виды входят в состав очищающих устройств для аквариумов.

Нитрифицирующие бактерии используются для очистки аквариума

Основная характеристика

Источники энергии, поддерживающие условия жизни организмов, определяют их деление на фотоавтотрофы и хемоавтотрофы, которые зависят от солнечной энергии и минеральных компонентов. В зависимости от окислителя хемоавтотрофа, выделяют водородные и нитрифицирующие бактерии, серо- и железобактерии.

Предназначение и классификация

В начале XIX века ученые доказали, что нитрификация относится к биологии. Для этого к сточным водам они добавляли хлороформ.

Среди автотрофов, производящих сложную органику из простых неорганических молекул, известны организмы, применяющие энергию. Это водоросли, бактерии, вырабатывающие органические вещества из углекислого газа и воды. Присутствие автотрофов обусловлено наличием кислорода и невысокой влажностью.

Нитрифицирующие бактерии имеют большое значение в сельском хозяйстве

Организмы, принимающие энергию от окисления и восстановления (хемоавтотрофы), выявлены среди бактерий. По физиологическим, биологическим и химическим свойствам и значению эти микроскопические организмы представляют интерес для отдельных сфер сельского хозяйства.

Во время исследования завершался процесс окисления аммиака. Виноградский разделил нитрификаторы на бактерии, исполняющие первый этап этого процесса (окисление аммония до азотистой кислоты), и второй — переход этой кислоты в азотную. Грамотрицательные бактерии относятся к нитробактериям.

Представители первой фазы Nitro:

  • Somonas (Сомонас);
  • Socystis (Сосайстис);
  • Solobus (Солобус);
  • Sospira (Соспира).

Больше изучен вид Сомонас, хотя создание настоящих культур представляется сложным. Клетки овальной формы, размножаются образованием дочерних прокариотов из материнской клетки. В результате развития микроорганизмов в жидкой среде имеются подвижные формы с несколькими жгутиками и недвижимой зооглеей.

Нитрососайстис характеризуются круглой формой, размером до 2 мкм. Некоторые представители достигают 10 мкм. Передвигаются благодаря одному жгутику, образуют зооглеи и цисты. Нитросолобус равен 1−1,5*1−2,5 мкм. Клетки делятся на части, и поэтому внешняя форма неправильная.

Клетки Nitrosospira палочковидные или извивающиеся, размером 0,9−1*1,5−2,60 мкм, имеют до 5 жгутиков.

Бактерии имеют размер 0,9−1*1,5−2,60 мкм

Бактерии второй фазы Nitro:

  • Bacter (Бактер);
  • Spina (Спина);
  • Coccus (Кокус).

Пагубное влияние органических веществ на хемоавтотрофные организмы отмечено и в исследованиях ученых. Они не применяют экзогенные органические элементы и называются облигатными автотрофами. Применять отдельные соединения бактерии могут с ограниченными возможностями.

Улучшается рост Нитробактер при наличии нитрита дрожжевого автолизата, пиридоксина, глутамата и серина, если они в слабой концентрации вносятся в среду.

Основное строение нитрификаторов:

  • Сформированная система мембран в виде стопки в центре клетки, посередине.
  • Чашеподобная структура, состоящая из нескольких листиков.

Клетки Nitrobacter по виду напоминают грушу. Размножаются путем почкования. Информация о бактериях Нитроспина и Нитрококус ограничена.

По строению клеток изученные бактерии аналогичны другим грамотрицательным микроорганизмам. У некоторых есть сформированные системы внутренних мембран, создающих стопку в середине клетки (Нитрососайстис), размещаются параллельно мембране цитоплазме (Нитросомонас) или формируют чашеподобную структуру из слоев (Нитробактер Виноградский). Кислород важен для окисления аммония в азотную кислоту:

По строению клеток изученные бактерии аналогичны другим грамотрицательным микроорганизмам

Нитробактер и Нитросомонас воссоздают нитриты с аммонием. Наряду с нитрифицирующими хемотрофами существуют гетеротрофы, имеющие похожие процессы.

К ним относятся грибы из рода Фусамм и бактерии Алкалигенес, Соринебактериум, Ахромоба-ктер, Псеудомонас, Арфробактер. Нокардиа окисляет аммоний с созданием гидроксиламина, нитритов и нитратов. В итоге образуется гидроксамовая кислота.

Азот является важным элементом, входящим в состав нуклеиновой кислоты и белка. Величины гетеротрофной нитрификации огромные. Создаются продукты с токсичным, ядовитым, канцерогенным, мутагенным действием и с химиотерапевтическим эффектом. По этой причине изучению процесса и выяснению его значения для гетеротрофных культур уделено большое внимание.

Образование химических соединений для создания энергии является хемосинтезом, благодаря которому растут и развиваются клетки. Хемоавтотрофные типы распространены в природе и наблюдаются в почве и водоемах. Производимые ими процессы совершаются в огромных масштабах и имеют важнейший смысл в круговороте азота.

Ученые прошлого века считали, что производительность нитрификаторов обогащает почву, поскольку они трансформируют аммоний в нитраты, которые легко всасываются растениями, а также увеличивают усвоение минералов. Растения, усваивая аммонийный азот и ионы аммония, лучше хранятся в почве, чем нитраты. Образовавшиеся нитраты подкисляют среду обитания, обедняют состав почвы по количеству азота.

Питание микроорганизмов

Бактерии нитрификаторы являются автотрофами, так как не используют экзогенные органические вещества. Основа с дрожжевым аутолизатом, серином и глутаматом в низкой концентрации влияет на рост бактерий. Это происходит из-за нитрита, находящегося в питательной среде. Окисление ацетата сокращается, но возрастает добавление его углерода в белок, аминокислоты и прочие компоненты.

В результате проведенных исследований получена информация о том, что бактерии переходят на гетеротрофное питание.

Среда обитания и опасность

Нитрифицирующие бактерии распространены в окружающей среде. Они присутствуют в грунте, разных субстратах и водоемах. Процесс их функционирования вносит существенный вклад в общий этап движения азота в природе.

Нитрификаторы обитают в простой минеральной среде, содержащей окисляемый субстрат в виде аммония, нитритов и углекислоты.

Нитрифицирующие бактерии довольно распространены в окружающей среде

В окружающем мире микроорганизмы обрабатывают неорганические вещества и создают условия для питания растений в грунте. Источником энергии для животных является флора. Человек питается растениями и животными. Остатки жизнедеятельности флоры и фауны служит пищей для бактерий. Круговорот замыкается.

Такой микроорганизм, как Нитрососайстис, выделен из вод Атлантики. Он относится к облигатным галлофилам и обитает в соленой среде. Уровень pH (реакция водорода) для роста бактерий равен 8,7, а оптимальное значение составляет 7,5.

Среди вида Сомонас распространены типы, имеющие температурный режим при 26 или около 40 °C, и штаммы, быстрорастущие при 4 °C. Благоприятным климатом является среда обитания (вода) 24−27 градусов. Должен быть устойчивый доступ кислорода и наличие водной растительности.

Простейшие бактерии относят к облигатным аэробам. Для окисления аммония в азотистую кислоту, а азотистой кислоты в азотную им необходим кислород. Место обитания не должно содержать органических соединений. В исследованиях подтверждено губительное действие глюкозы, гербицидов, мочевины, пептона, глицерина и другой органики на бактерии.

Простейшие бактерии относят к облигатным аэробам, тк им нужен кислород для переработки аммония

Некоторые штаммы нитробактерий при наличии органического составляющего окисляют аммоний, создавая гидроксиламин, нитриты и нитраты. Вследствие таких реакций появляются гидроксамовые кислоты. Бактерии выполняют процесс нитрификации разных соединений, в состав которых входит азот.

Объемы гетеротрофной нитрификации при особых обстоятельствах могут быть губительными. Опасность состоит в том, что образуются токсины, мутагены и канцерогены.

Применение в различных сферах

Использование в различных областях нитрифицирующих бактерий вносит свои достоинства и недостатки. Микроорганизмы создают благоприятные условия для обитания рыб в аквариуме, обогащения почвы, а также сельскохозяйственных процессов.

Биологический фильтр для аквариума

Нитробактерии играют важную роль в превращении токсического аммиака в нитраты. Это важно при запуске нового аквариума. Эти микроорганизмы составляют небольшую долю бактерий и являются биофильтром.

Они размножаются на любой поверхности (наполнитель фильтра, грунт или растения). Если водорослей в аквариуме находится большое количество, тогда аквариум полностью считается биофильтром.

Важно создать благоприятную обстановку для размножения полезных бактерий.

Нитробактерии превращают токсический аммиак в нитраты

Сократить популяцию бактерий в аквариуме могут дефицит кислорода, избыток углекислоты, снижение pH и использование дезинфекторов. Нитрифицирующие бактерии растений лишают питания водорослей. Живые бактерии для аквариума применяются во время подготовки резервуара к использованию.

Важность микроорганизмов велика, ведь они очищают воду от загрязнений, биологических и органических остатков, отложений и испражнений. Поэтому микрофлора в резервуарах, где они обитают, идеальная.

Нитрифицирующие бактерии — главные очистители обитаемых помещений с рыбками и моллюсками. Они активно размножаются в среде, насыщенной аммонием, нитритами, азотом и аммиаком.

Для запуска аквариума используются препараты марки «Сера», содержащие в составе живые нитрификаторы и вулканическую пыль — безупречную среду для скорейшего размножения и роста. Этот субстрат оседает на дно и становится частью грунта. В аквариум заселяются сразу несколько бактерий.

Большая часть продукции, поставляемой в специализированные зоомагазины, содержит культуры гетеротрофных бактерий.

Значение для сельского хозяйства

С целью повышения урожайности аграрии применяют всевозможные удобрения, содержащие нитрифицирующие бактерии.

Почва является идеальным субстратом для процессов роста, размножения растений и живых организмов, поэтому важно поддерживать ее правильное содержание и комплексный состав.

Биологическую обработку грунта проводят природные чистильщики — нитрифицирующие бактерии. Для них не обязателен доступ веществ из внешней среды — они могут вырабатывать их автономно. Например, автотрофным зеленым растениям нужен солнечный свет, а для нитробактерий безразличен.

Присутствуя в почве, перегное или водной среде, они превращают выделяемый аммиак в нитраты (соль азотной кислоты). Каждый этап проводится с помощью разных бактерий.

Биологическую обработку грунта проводят природные чистильщики — нитрифицирующие бактерии.

Процесс перехода аммиака в нитраты:

  • Окисление аммиака до нитрита. Этот процесс происходит не одним типом бактерий, а разными. Одни виды микроорганизмов превращают в нитрит, а другие — в нитрат. Важным условием должна быть температура от 4 градусов, влажность и обилие кислорода.
  • Окисление нитрита в нитрат.

Нитрификаторы положительно влияют на почву, повышая ее плодородность за счет расщепления аммония. Однако учеными выявлено также негативное влияние. Бактерии подкисляют почву, что не является благоприятным моментом, а также насыщают почву ионами аммония. Впоследствии почва истощается по количеству полезных веществ.

Энергетическим источником для хемотрофов являются разнообразные минеральные вещества. Экосистема создается искусственно, но для удачного развития запускают установленные процессы, регулировкой которых занимаются жители резервуара, например, аквариума.

Несмотря на крошечные размеры, эти живые организмы влияют на окружающий мир. Нитробактерии распространены в почвах, морской и пресной воде, играют важную роль в переработке сточных вод.

Источник: https://rybki.guru/kormlenie/nitrifikatorov.html

Нитрификация и денитрификация 2020

Нитрификация

Нитрификация представляет собой биологическую трансформацию аммония (NH4+) до нитрата (NO3–) путем окисления. Окисление определяется как потеря электронов атомом или соединением или увеличение его состояния окисления. Этот процесс облегчается двумя типами нитрифицирующих аэробных бактерий, которые требуют наличия молекул кислорода, растворенных в их окружении, для выживания. [я]

Во-первых, химиоаурофенные бактерии (главным образом, из рода Nitrosomonas ) превращают аммиак (NH3) и аммония до нитрита (NO2–). «Chemoautrophic» относится к способности бактерий создавать собственные питательные вещества из неорганического источника, а именно CO2, Процесс представлен химическим уравнением:

2NH4+ + 3O2 → 2NO2– + 2H2O + 4H+ + энергия

Затем бактерии в основном из Nitrobacter группа превращает нитрит в нитрат в следующей реакции:

2NO2– + O2 → 2NO3– + энергия

Эти реакции протекают одновременно и довольно быстро – обычно в течение нескольких дней или недель. Важно, что нитрит полностью превращается в нитрат в почвах, поскольку нитрит токсичен для жизни растений.

Нитраты, присутствующие в почве, являются основным источником азота, используемого растениями. [ii] Таким образом, переход азота из одной формы в другую, известный как азотный цикл, является важной частью сельскохозяйственной промышленности. [iii]

Прежде чем эти стадии происходят, органический азот разрушается гетеротрофными бактериями путем гидролиза с образованием аммония и аммиака в процессе, известном как аммонификация. я Аммиак можно найти в мочевине из отходов животных, компостов и разлагающих покрывающих культур или растительных остатков. Аммоний встречается в большинстве удобрений.

Нитрифицирующие бактерии более чувствительны к воздействию окружающей среды, чем другие типы почвенных бактерий. Когда почва насыщена влажностью в течение длительного времени, почвенные поры заполняются водой, ограничивая подачу кислорода. Нитрифицирующие бактерии требуют аэробных условий для функционирования, поэтому затопление ограничивает нитрификацию.

Сухие почвы, как правило, имеют высокую концентрацию соли, и образовавшаяся соленость отрицательно влияет на нитрификационную активность бактерий. Это связано с тем, что повышенная осмолярность повышает количество энергии, требуемой микроорганизмами для перемещения воды через их клеточные мембраны. Вода также необходима для движения растворенных веществ, таких как нитраты, через почву. б

Нитрифицирующие бактерии лучше всего работают при pH между 6,5 и 8,5 и температурами от 16 до 35 градусов C. я Скорости нитрификации медленнее в очень кислых почвах, а высокая щелочность уменьшает Nitrobacter что приводит к неблагоприятному накоплению нитрита в почве.

На рН почвы также может влиять конкретный источник нитрифицированного аммония. Например, раствор моноаммонийфосфата (MAP) является более кислой, чем диаммонийфосфат (DAP); таким образом, использование DAP приводит к более высоким показателям нитрификации, чем MAP.

Большинство бактерий обнаружено в верхнем поверхностном слое, поэтому нитрификация снижается, когда методы обработки почвы не управляются должным образом.

Почвы с высоким содержанием глины имеют более крупные частицы и более микропоры пространства для роста бактерий, а также большее удержания аммония из-за более высокую емкость обмена катионов. б Водные отношения и физические свойства почвы могут быть улучшены путем культивирования с уменьшенным доходом.

Нитрификация может ингибироваться присутствием тяжелых металлов и токсичных соединений или чрезмерно высокими концентрациями аммиака.

Иногда может быть полезно сохранить азот в почве в форме аммония. Это предотвращает потерю азота (путем выщелачивания нитратов) и выхода азота (через денитрификацию). Ингибиторы нитрификации, используемые коммерчески, включают дициандиамид и нитрапирин.

денитрификация

Денитрификация представляет собой биологическое превращение нитрата в азотные газы путем восстановления. Он всегда следует за нитрификацией я и последовательность реакции может быть представлена ​​следующим образом:

НЕТ3– → НЕТ2– → НЕТ → N2O → N2[IV]

Процесс облегчается факультативными бактериями; это бактерии, которые не требуют наличия свободного кислорода для дыхания. Денитрифицирующие бактерии представляют собой гетеротрофные организмы, так как они нуждаются в органическом источнике пищи в форме углерода, чтобы выжить. Денитрификация может начинаться так же быстро, как и минуты после стимуляции процесса.

Денитрификация может нанести ущерб растениеводству, поскольку азот, питательный материал, необходимый для роста растений, теряется в атмосфере во время процесса. Тем не менее, это полезно для водных сред обитания, а также для очистки промышленных сточных вод или сточных вод, поскольку концентрация нитратов в воде снижается. я

Выщелачивание или сток из сельскохозяйственных культур в результате обработки удобрений может привести к избыточному количеству этого питательного вещества в конечном итоге в водоемах, где азотистые соединения оказывают различное вредное воздействие как на человека, так и на водную флору. IV

Аммиак является токсичным для видов рыб и стимулирует рост водорослей, снижает уровень кислорода в воде и приводит к эвтрофикации. Нитраты вызывают повреждение печени, рак и метгемоглобинемию (дефицит кислорода у младенцев), тогда как нитриты реагируют с органическими соединениями, называемыми аминами, с образованием канцерогенных нитрозаминов. б

Когда уровни кислорода в почвах или воде истощаются (аноксические условия), денитрифицирующие бактерии разрушают нитраты для использования в качестве источника кислорода. Это обычно происходит в заболоченных почвах, где уровни кислорода низки. Нитрат восстанавливается до закиси азота (N2O) и еще раз азотистым газом. Эти газовые пузырьки выходят в атмосферу. я

Газ, образованный денитрификаторами, зависит от условий в почве или воде, и какое микробное сообщество присутствует.

Меньше кислорода, как правило, приводит к образованию большего количества образующегося азота, самого общего продукта денитрификации. Азотный газ образует основной компонент воздуха.

Вторым наиболее распространенным продуктом является закись азота, парниковый газ, который также разрушает озоновый слой Земли. IV

Денитрифицирующие бактерии менее чувствительны к токсичным химикатам, чем нитрификаторы, и оптимально функционируют при рН между 7,0 и 8,5 и более теплыми температурами от 26 до 38 градусов Цельсия. Денитрификация происходит главным образом в верхнем слое почвы, где микробная активность является самой высокой.

Для денитрификаторов требуется достаточная концентрация нитратов и источник растворимого углерода; самые высокие показатели происходят при использовании метанола или уксусной кислоты. Органический углерод можно найти в навозе, компосте, покрытии культур и растительных остатках. я

Минимизация денитрификации в сельскохозяйственных культурах достигается за счет поддержания минимальной концентрации нитрата, необходимой для роста растений, например, использования удобрений с контролируемым высвобождением. Другим методом является ингибирование нитрификации, что снижает уровень нитрата, доступного для денитрификации.

Уровни денитрификации широко варьируются в пределах одного поля из-за многих факторов, таких как свойства почвы (включая агрегацию, макропоры и влажность) и изменения в распределении удобрений, органических веществ и культур.

Сообщалось, что типы азотных удобрений, а также методы применения влияют на денитрификацию. Например, удобрения с контролируемым высвобождением с покрытием, а также фертигация и широковещательные применения вызывают более низкие выбросы закиси азота, чем сухие гранулированные мочевины и концентрированные полосы. Более глубокое размещение азота также снижает эти выбросы.

Сухие периоды, сопровождаемые внезапным ливнем, часто являются спусковым крючком для денитрификации, которым можно управлять с помощью дренажных систем и подповерхностного капельного орошения. IV

Резюме

нитрификация

  • Следит за процессом аммонификации
  • Трансформация аммиака до нитрата
  • Реакция окисления
  • Облегчено двумя основными типами химиоатрофных аэробных бактерий: Nitrosomonas а также Nitrobacter
  • Двухступенчатый процесс: превращение аммония в нитрит, затем превращение нитрита в нитрат
  • Создает азотную питательную форму, доступную для поглощения корнями растений
  • Реагент (аммоний), который содержится в мочевине из отходов животных и удобрений, компостов и разлагающих покрывающих культур или растительных остатков
  • Нитритримеры более чувствительны к воздействию окружающей среды
  • Ингибируется затоплением, высокой соленостью, высокой кислотностью, высокой щелочностью, чрезмерным количеством и токсичными соединениями
  • В зависимости от аэробных условий, рН от 6,5 до 8,5, температуры от 16 до 35 градусов C и высокого содержания глины

денитрификация

  • Следит за процессом нитрификации
  • Трансформация нитратов в азотные газы, в основном азот и закись азота
  • Реакция восстановления
  • Облегчено гетеротрофными факультативными бактериями
  • Последовательность этапов: превращение нитрата в нитрит, оксид азота, закись азота и, наконец, азот
  • Обеззараживание сточных вод и водных систем путем снижения уровня нитратов
  • Реагент (нитрат), образованный нитрификацией, в то время как источники углерода для денитрификаторов находятся в навозе, покрывают культуры и растительные остатки или получают метанолом или уксусной кислотой
  • Денситрификаторы менее чувствительны к воздействию окружающей среды
  • Задерживается уменьшенной нитрификацией, пониженными уровнями нитратов, глубоким размещением удобрений с контролируемым высвобождением с покрытием и дренажом почвы

В зависимости от наводнений, аноксических условий, рН от 7,0 до 8,5, температуры от 26 до 38 градусов C, достаточного количества нитратов и растворимого углерода и концентрированных ленточных применений сухой гранулированной мочевины.

Источник: https://ru.esdifferent.com/difference-between-nitrification-and-denitrification

НИТРИФИКАЦИЯ

Нитрификация

Из трех макроэлементов  NPK, азот самый интересный и его оптимизация в минеральном питании имеет первостепенное значение для культур.

АгроСайт постарается понятно объяснить вам сложный процесс нитрификации с практической точки зрения.

Это самый ценный опыт, которым мы хотим с вами поделиться и надеемся, что вы найдете ответы на многие вопросы в агрономии если проникнитесь предложенной информацией…

Нитрификация – превращение аммиачного азота в нитратный.

Разберем для начала формулу на картинке, которая полностью отражает процесс нитрификации со всех сторон:

Чтобы вам лучше понять, о чем пойдет речь, прочитайте о формах азота в статье АЗОТНЫЕ УДОБРЕНИЯ >>

1. Первый элемент C:N это органическое вещество почвы или гумус, которое под воздействием микроорганизмов превращается в аммиачную форму азота. Процесс называется Аммонификация и может протекать как при наличии кислорода так и без него. Чем больше в почве органического вещества, тем больше аммиачного азота высвобождается.

Данная форма азота нестабильна и является промежуточной. Часть аммиачного азота присоединяется к ППК почвы, часть поступает напрямую для питания растений, а остальная при наличии кислорода вовлекается в процесс нитрификации.

Именно поэтому данная форма азота не является диагностической, но анализировать содержание аммонийной формы необходимо.

2. Вторя часть формулы это превращение аммиачной формы (NH4) азота в нитритную. Процесс протекает только при наличии кислорода (O2) за счет микроорганизмов. нитритов в почве анализировать не требуется, так как они немедленно окисляются до нитратов.

3. Третья часть это превращение нитритной формы (NO2) в нитратную (NO3). Процесс также протекает только при наличии кислорода (O2) и за счет микроорганизмов. нитратов в почве для большинства  зон земледелия является диагностическим и важным в планировании азотных удобрений.

Основной тезис – Для оптимального процесса нитрификации нужны микроорганизмы. Микроорганизмы живут и активно работают только при наличии всех факторов:  влаги, тепла, органического вещества и достаточного количества кислорода (т.е. аэрации).

Температура.

При температуре почвы от 10 до 30 градусов скорость нитрификации резко возрастает. Поэтому ранний посев в непрогретую почву без стартовой дозы азота в нитратной форме проигрывает поздним срокам сева культур, которые попадают в более комфортные условия по содержанию нитратного азота. А весенняя подкормка азотом озимых культур  в свою очередь дает хорошие результаты по тем же самым причинам.

Повышение температуры почвы выше 35 градусов резко снижает процесс нитрификации, поскольку бактерии не могут выносить высокие температуры.

Влага.

Недостаток влаги  негативно сказывается на процессе нитрификации. Микроорганизмы как и все живое не могут без воды. Именно поэтому не рекомендуют производить зяблевую обработку по сухой почве.

Но помните как только осадки снабдят почву влагой процесс возобновится, поэтому подумайте выворачивать «чемоданы» или нет. Чем раньше сделана зябь тем больше накопится нитратного азота к будущему сезону.

Подробнее о зяби в статье ВСПАШКА ЗЯБИ.

Органика.

гумуса в значительной степени влияет на накопление нитратного азота. Но к сожалению оно  закономерно растет с юга (степная зона) 3-4% на север (лесостепная зона) 6-7%. Так же как снижается сумма эффективных температур. Соответственно идеальные условия для накопления нитратов в почве расположены в южной лесостепной зоне с содержанием гумуса 5-6%. Данные по Западной Сибири.

Воздух.

И самое главное это наличие кислорода или хорошая аэрация корнеобитаемого слоя почвы. Чем глубже проводятся обработки почвы, тем лучше снабжение микроорганизмов кислородом в гумусовом горизонте. Нитрификация без кислорода невозможна.

При этом вспашка с оборотом пласта нежелательна, так как основная масса микроорганизмов находится ближе к поверхности и после оборота большая часть бактерий распределяется в более глубокий горизонт.

Глубокое рыхление без оборота предпочтительнее.

ВОПРОСЫ…

Сколько нитратного азота накапливается за сезон?

Для условий Западной Сибири от 40 до 80 кг/га, в зависимости от наличия всех факторов обеспечивающих нитрификацию. В Европейской части показатели выше на 30-40%.

Какую урожайность можно получить?

Ответим на примере яровой пшеницы по южной лесостепной зоне Западной Сибири. Расчеты учитывают только почвенное плодородие, без поступления азота за счет удобрений.

По парам.

  • нитратного азота перед посевом 96 кг/га обеспечит 17 ц/га
  • Накопление за счет нитрификации 80 кг/га обеспечит 15 ц/га
  • Общая урожайность составит 32 ц/га.
  • Полная защита растений обеспечит вам еще 25% и урожайность составит 40 ц/га.

По зяби (глубокая обработка)

  • нитратного азота перед посевом 58 кг/га обеспечит 10 ц/га
  • Накопление за счет нитрификации 80 кг/га обеспечит 15 ц/га
  • Общая урожайность составит 25 ц/га.
  • Полная защита растений обеспечит вам еще 25% и урожайность составит 31 ц/га.

По стерневому фону и по ноу-тилл

Ввиду слабого снабжения корнеобитаемого слоя кислородом скорость процесса нитрификации сильно снижается.

  • нитратного азота перед посевом 34 кг/га обеспечит 6 ц/га
  • Накопление за счет нитрификации 50 кг/га обеспечит 9 ц/га
  • Общая урожайность составит 15 ц/га.
  • Полная защита растений обеспечит вам еще 25% и урожайность составит 19 ц/га.

Примечания:

  • Урожайность сортов  фуражного направления с низким содержанием белка обеспечат более высокую урожайность.
  • По группам спелости также будут различия в урожайности. Чем длиннее вегетация, тем больше нитратного азота накопится для потребления  культурой.
  • Азотные подкормки по вегетации затягивают вегетацию культур, что также косвенно повлияет на потребление нитратного азота из почвы, несмотря на малые количества вносимых д.в. азота по листу.
  • Реальные потери урожайности без защиты растений составят 40% от общей урожайности по предшественникам. Урожайность составит 23 ц/га, 18 ц/га и 11 ц/га соответственно.

 Выводы:

1. Контроль показателей содержания азота необходимо проводить ежегодно и в зависимости от агрохимических показателей планировать внесение азотных удобрений, порядок проведения посева и обработки зяби по полям.

2. При одинаковых затратах на защиту растений вы получаете прибавки урожайности 4 ц/га по стерне, 6 ц/га по ранней зяби с глубокой обработкой в  8 ц/га по пару. Задумайтесь об экономической эффективности.

3. Не забывайте о содержании фосфора. Подробнее в статье СОДЕРЖАНИЕ ФОСФОРА В ПОЧВЕ И ПРИМЕНЕНИЕ АЗОТНЫХ УДОБРЕНИЙ. Без него нитрификация бессмысленна. И обязательно проанализируйте содержание калия.

4. Если вы четко оптимизируете минеральное питание и проводите качественную защиту СХЗР, культура намного экономнее расходует влагу. Не верите? Тогда читайте как снизить коэффициент водопотребления в статье РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЛАГИ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ.

ПОДПИСЫВАЙТЕСЬ >>

 на рассылку АгроСайт-новости и получайте новые статьи на почту.

Источник: https://agrosite.org/publ/agrokhimija/nitrifikacija/6-1-0-55

Экология СПРАВОЧНИК

Нитрификация

Нитрификация имеет большое значение в очистке сточных вод, так как этим путем накапливается запас кислорода, который может быть использован для окисления органических безазотистых веществ, когда полностью уже израсходован для этого процесса весь свободный (растворенный) кислород.

Под действием анаэробных микроорганизмов (денитрифицирующих бактерий) кислород отщепляется от нитритов и нитратов и вторично используется для окисления органического вещества. Процесс этот называется денитрификацией. Он сопровождается выделением в атмосферу свободного азота в форме газа.[ …

]

Реакции нитрификации идут с выделением энергии, которую бактерии используют для своей жизнедеятельности, т.е. они являются хемоавто-трофами.[ …]

Снижает нитрификацию сточных вод в концентрации 2 мг/л. Уротропин. Придает воде: запах в 1 балл в концентрации 1000 мг/л; привкус в 1 балл – в концентрации 60 мг/л, 2 балла – 130 мг/л. Пороговая концентрация по влиянию на санитарный режим водоемов – 0,3 мг/л, по влиянию на теплокровных животных – 2 мг/л (доза 0,1 мг/кг массы).

ПДК для водоёмов установлена 0,5 мг/л по санитарно-токсикологическому показателю вредности. Придает воде: запах в 1 балл в концентрации 0,21 мг/л, 2 балла – 0,85 мг/л; привкус в 1 балл – в концентрации 0,846 мг/л, 2 балла – 2,5 мг/л. Пороговая концентрация по влиянию на санитарный режим водоемов – более 0,21 мг/л.

Для пескарей летальная концентрация 30-60 мг/л; рыбы переносили 30 мг/л, но погибли при 60 мг/л; для водорослей Сценедесмус токсична концентрация 20 мг/л, для дафний летальная концентрация 8 мг/л, а на кишечную палочку губительное действие оказывает лишь 200 мг/л.

ПДК для водоёмов рыбохозяйственного назначения установлена 0,001 мг/л.[ …]

Процесс нитрификации может происходить более продолжительное время (40—50 дней).[ …]

Процесс нитрификации является конечной стадией минерализации азотсодержащих органических загрязнений. Наличие нитратов в очищенных сточных водах служит одним из показателей степени их полной очистки; поэтому необходимо применять такие очистные сооружения, которые обеспечили бы оптимальные условия для жизнедеятельности нитрифицирующих бактерий.[ …]

Процесс1 нитрификации проходит одновременно с окислением клеточного вещества ила, а потому вариайт полной биологической очистки с нитрификацией называют еще процессом очистки с минерализацией ила.[ …]

На практике нитрификацию осуществляет очень ограниченная группа автотрофных микроорганизмов. Процесс проходит в два этапа. На первом этапе аммоний окисляется до нитрита под действием бактерий, часто называемых №(;гозотопаз.

Затем нитрит окисляется до нитрата под действием другой группы бактерий, часто называемых 1>ШгоЬас1ег. В процессах очистки стоков участвует значительное количество различных нитрифицирующих микроорганизмов.

Однако те нитрифицирующие бактерии, которые были идентифицированы с помощью ДНК-зондов, по-видимому, не слишком сильно отличаются по своей активности от известных бактерий Г гозотопаз и 1ЧИ;гоЬа ;ег.

Таким образом, с инженерной точки зрения нитрификацию можно рассматривать как двухстадийный процесс, с хорошо известной стехиометрией и кинетикой, в котором задействованы две группы бактерий.[ …]

Биофильтры для нитрификации в ряде случаев представляют собой реакторы с вращающимися дисками (рис. 6.19). На станции обычно используют серию из 4 реакторов идеального перемешивания; такая система хорошо аппроксимируется реактором идеального вытеснения. Органическое вещество удаляется на входе в систему, а аммоний окисляется ближе к выходу из нее.[ …]

Биофильтры для нитрификации также могут быть сконструированы как погружные фильтры с аэрацией (с подачей воздуха или чистого кислорода).[ …]

Система нитрификации с рассредоточенной подачей сточной воды.
Скорость нитрификации при 7°С. Приведены прогнозируемые значения и результаты измерений в периодическом режиме (•) и в режиме работающей полномасштабной станции (о).

Станция очистки воды нитрификацией может работать по двухстадийной схеме с использованием биофильтра на первом этапе и реактора с активным илом на втором этапе. Станции указанного типа (рис. 6.

20) были популярны в 60-е годы, но постепенно их вытеснили такие станции, на которых очистка стоков проводится только в реакторах с активным илом, так как их начальная стоимость ниже.

Тем не менее интерес к станциям типа «биофильтр плюс активный ил» в последние годы вновь возрос, особенно в связи с необходимостью обработки концентрированных промышленных стоков и появлением новых полимерных материалов, которые могут заменять традиционную щебеночную загрузку для иммобилизации биомассы.[ …]

Концентрация 100 мг/л замедляет нитрификацию разведенных сточных вод, но в концентрациях до 2000 мг/л не влияет на санитарный режим водоемов.[ …]

Типичные колебания степени нитрификации в традиционном биофильтре с низкой нагрузкой (очистная станция Лундтофте, Дания).
Реакторы с вращающимися дисками для нитрификации городских стоков.

Еще в 1870 г. Шлезинг и Мюнц (Schloesing, Miintz) доказали, что нитрификация имеет биологическую природу. Для этого они добавляли к сточным водам хлороформ. В результате окисление аммиака прекращалось. Однако специфические микроорганизмы, вызывающие этот процесс, были выделены лишь Виноградским.

Им же было показано, что хемо-автотрофные нитрификаторы могут быть подразделены на бактерий, осуществляющих первую фазу этого процесса, а именно окисление аммония до азотистой кислоты (NH4+->N02 ), и бактерий второй фазы нитрификации, переводящих азотистую кислоту в азотную (N02–>-N03 ). И те и другие микроорганизмы являются грам-отрицательными.

Их относят к семейству Nitro-bacteriaceae.[ …]

Упрощенная матрица параметров процесса с активным илом без нитрификации представлена в табл. 4.2. Здесь принято, что в процесс конверсии вклад вносят три основных фактора: биологический рост, распад и гидролиз. Скорости реакций указаны в правой колонке, а представленные в таблице коэффициенты являются стехиометрическими.

С помощью данных таблицы можно написать уравнение массового баланса, например, для легко разлагаемого органического вещества Бэ в реакторе идеального перемешивания. Выражения, ответственные за транспорт, не требуют объяснений.

Два выражения, описывающие превращения вещества, находим, умножая стехиометрические коэффициенты из (в данном случае) «компонентных» колонок на соответствующие скорости реакций из правой колонки табл. 4.2.[ …]

Еще одним элементом разбавляющей воды является ингибитор процесса нитрификации. Расход кислорода на нитрификацию (т. е. на окисление азота аммиака) в величину БПК не включается.

Однако при анализе слабозагрязненных сточных вод, когда концентрация С-со-держащих веществ мала, к концу 5-суточного периода инкубации пробы эти вещества оказываются полностью израсходованными, и в склянке усиленно развиваются процессы Ы-окисления, осуществляемые автотрофной микрофлорой.

Расход кислорода на И-окисление достаточно велик и при малом расходе кислорода на С-окисление вследствие малой концентрации С-содержащих веществ ошибка за счет нитрификации Может оказаться существенной.[ …]

Если в воде присутствует нитрат или если он образуется в результате нитрификации в аэробной зоне, он диффундирует в бескислородную (аноксическую) зону, где происходит денитрификация.

Для денитрификации необходим восстанавливающий агент, под которым до сих пор мы понимали исключительно вещество, диффундирующее в пленку из толщи воды. Но восстановитель может также поступать и из внутренних зон биопленки.

Это явление может влиять на общий процесс удаления веществ.[ …]

Типичная одноиловая система с чередующимся режимом работы для нитрификации городских стоков (станция Бординг, Дания).
Типичная для Дании конструкция одноиловой системы, предназначенной для нитрификации городских стоков (очистная станция Марслет, Дания).

Основная часть органического вещества удаляется в контактном реакторе, в котором нитрификация может протекать в той степени, в какой это позволяют условия.

Характерным для такого типа реакторов является то, что нитрификация протекает стабильно, но не до конца.

Стабилизационный реактор обеспечивает развитие нитрифицирующих бактерий, однако степень нитрификации зависит от длительности соприкосновения сточной воды и ила в контактном реакторе.[ …]

В свою очередь, полную биологическую очистку можно подразделить на две категории: с нитрификацией азота аммонийных солей и без нее. Процесс нитрификации проходит одновременно с окислением клеточного вещества бактерий, поэтому вариант полной биологической очистки с нитрификацией называют еще процессом очистки с минерализацией активного ила или длительным процессом очистки.[ …]

Окисление предлагается также проводить после очистки сточных вод от органики методом нитрификации – денитрификации [83]. При этом используются и коагулянты – соли, оксида или гидроксиды металлов Ре , /4Е,Си-, Мп.,//1,Со, V и т.д.

После перемешивания и механического разделения полученной смеси на обезвоженный кек и осветленную жидкость, последняя подщелачивается и подвергается дальнейшей биологической очистке. Щелочь может быть добавлена и на этапе обезвоживания.

Для увеличения степени очистки по ХПК и обесцвечивания рекомендуется дополнительная обработка активированным углем.[ …]

Другой разновидностью метода более полного удаления азота является четкое разделение стадий нитрификации и денитрификации. Установление вторичных отстойников как после стадии нитрификации, так и после стадии денитрификации позволяет иметь обособленные биологические системы, что увеличивает эффективность каждого биологического превращения [75, 78].[ …]

В процессе с чередующимися циклами (рис. 7.13) с преденитри-фикацией рецикл заменен сменой режимов нитрификации и денитрификации в реакторе, что облегчает контроль за процессом и его оптимизацию. Эта система (Вюс1еш ;го) была разработана в Дании и является там наиболее распространенной среди полномасштабных установок, предназначенных для удаления азота.[ …]

В литературе предлагается бесчисленное множество вариантов конструкторских решений для систем нитрификации, но лишь немногие из них, причем наиболее простые, действительно используются на практике.

Объясняется это тем, что нитрификация слишком редко является единственным процессом, необходимым для очистки воды, чтобы на нем основывалось проектирование станции.

Поскольку при проектировании станций следует учитывать целый ряд различных факторов, конструкции станций очень сильно различаются, и какие-то общие критерии выработать трудно.[ …]

Операционный цикл одноиловой системы с чередующимся режимом работы. В фазах А и С реактор нитрификации подготавливается к тому, чтобы стать отстойником. После того как это произойдет, сточная вода направляется в один конец функционирующего отстойника (сточная вода не успевает вытечь до переключения на фазы В или D).
Экспериментальное подтверждение отрицательного влияния органического вещества на скорость нитрификации на биофильтре [1, 2].

Определяют или полное биохимическое потребление кислорода (БПК), для чего процесс надо вести до начала нитрификации (обычно 15—20 суток) или пятисуточное потребление кислорода (БПК ), которое, естественно, не является полным.[ …]

Хв,д или Хдвт — нитрифицирующие организмы, размерность — масса(ХПК)/м3. Нитрифицирующие организмы ответственны за процессы нитрификации стока. Во многих моделях принимают, что нитрифицирующие организмы окисляют аммоний Змн4 непосредственно в нитрат БN0,4> т- е- чт0 в эт°й группе присутствуют и аммоний- и нитрит-окисляющие бактерии (часто их называют М гозотопав и №1;гоЬайег).[ …]

Традиционный капельный фильтр с щебеночной загрузкой, в котором при низкой нагрузке и высокой температуре может проходить нитрификация (очистная станция Хаммель, Дания, 1977 г.).

Процесс биологического окисления в системах с чистым кислородом можно рассматривать как реакцию распада первого порядка, а процесс окисления сульфитов и нитрификацию — как реакцию нулевого порядка.

Результаты исследований на пилотных установках показали, что основная часть растворенных органических соединений, обусловливающих величину БПК, удаляется в первой ступени многоступенчатой установки, окисление адсорбированных органических соединений и эндогенное дыхание происходят в последующих ступенях, что соответствует кинетической модели, которую предложили Басби и Эндрюс [3].

Относительно простая модель биохимической реакции первого порядка точно отражает полученные данные о газовой фазе [1]. Прежде чем усложнять модель, необходимо проверить достоверность использованных данных.[ …]

Итак, наиболее важным показателем влияния ПАВ яа самоочищение водоемов является скорость процессов ■биохимического распада органических веществ в воде — нитрификация и особенно ВПК- Допустимые концентрации ПАВ по последнему показателю довольно близки к пороговым концентрациям по влиянию на ведущие органолептические свойства воды, но в целом величины последних оказываются несколько ниже.[ …]

Биологическое удаление фосфора может происходить по схеме, показанной на рис. 8.6. Для того чтобы этот процесс мог осуществляться, важно не допустить протекания нитрификации в летнее время, т. е. необходимым условием в данном случае является малый возраст ила.[ …]

Сульфат кадмия в концентрации 0,1 мг/л тормозит БПК5 речной воды, а 1 мг/л – сточных вод. При концентрации кадмия в воде 0,1 мг/л БПК5 снижается на 18-24 % и угнетаются процессы нитрификации (превращение аммонийных ионов в нитрит-ионы и потом в нитрат-ионы под действием нитрифицирующих микроорганизмов).[ …]

Эксперименты, проводимые в периодическом режиме Периодические эксперименты выполнялись стандартным способом с использованием ила из пилотного реактора [10]. Скорость нитрификации рассчитывалась по уменьшению концентрации аммония и увеличению концентрации нитрата.[ …]

Пастера стала возможной разработка проблем почвенной микробиологи , связанных с превращением веществ в почве и питанием сельскохозяйственных культур.[ …]

Далее выделившийся аммиак в природных условиях частично используется растениями как питательный материал, а частично окисляется, взаимодействуя с кислородом. Эта стадия превращения азота называется нитрификацией. Процесс нитрификации – это процесс окисления аммиака (иона аммония ЫН4+) до нитритов и нитратов.[ …]

Взаимоотношения между различными микробами, населяющими водоемы и водотоки, могут быть симбиотического, нейтрального и антагонистического характера. Примером симбиоза являются бактерии, осуществляющие нитрификацию; антагонисты бактерий — различные грибы, выделяющие такие сильные антибиотики, как пенициллин, стрептомицин и др.

Особые взаимоотношения существуют между бактериями и бактериофагом, представляющим собой ультрамикроб, который паразитирует в самом микроорганизме и наконец уничтожает его. Обычно каждый вид бактерий уничтожается только определенным бактериофагом. Однако наряду со специфичными бактериофагами встречаются представители этого типа микроорганизмов с широким диапазоном действия.

Явление бактериофагии служит мощным фактором самоочищения почвы и водоемов.[ …]

Скорость деградации пестицидов была пропорциональна интенсивности процессов нитрификации. Ингибитор нитрификации Ы-зепге блокировал этот процесс. Очевидно, имеется прямая связь между процессами окисления аммонийного азота и деградацией пестицидов.

Возможно, немалую роль в ней играет подкисление почвы в процессе нитрификации за счет накопления N0 , 1″Юз, БО – и других анионов. Известно, что атразин, базудин, актеллик и многие другие пестициды гидролизуются в кислой среде (Мельников и др:, 1977).[ ..

.]

Процесс биохимической очистки сточных вод от органических веществ в аэротенках состоит из таких этапов: адсорбция и коагуляция активным илом взвешенных и коллоидных частиц, окисление микроорганизмами растворенных и адсорбированных илом органических соединений, нитрификация и регенерация активного ила. Избыточный активный ил удаляется из сооружения.[ …]

При поступлении на очистные сооружения промышленных сточных вод, содержащих большое количество аммонийного азота и органические загрязнения, целесообразно использовать схему, которую иногда называют системой трех культур (рис. 4.12), состоящую из трех стадий (ступеней) очистки (аэрация, нитрификация и денитрификация). Каждая ступень имеет свой аэротенк, отстойник, систему возврата активного ила.[ …]

Как известно, процесс окисления может быть разбит на стадии, характеризуемые определенной последовательностью расходования кислорода.

Вначале идет процесс химического окисления легко окисляющихся соединений, затем происходит биохимическое окисление органических веществ и, наконец, в последнюю очередь, наблюдается процесс нитрификации азотосодержащих веществ с образованием солей азотной кислоты.[ …]

В показанной на рис. 6.11 системе с контактной стабилизацией ила концентрация взвешенных веществ в стабилизационном реакторе выше, а количество ила в контактном реакторе такое же, как в системе с активным илом обычной конструкции.

Поэтому необходимый возраст (и массу) ила можно получить в сооружении меньшего объема, чем традиционно принятый.

Нитрификация протекает в обоих реакторах, однако только в стабилизационном реакторе время гидравлического удерживания достаточно для завершения нитрификации.[ …]

При соответствующих условиях (наличие кислорода, температура выше 4° С и др.

) под действием аэробных микроорганизмов (нитрифицирующих бактерий) происходит окисление азота аммонийных солей, в результате чего образуются сначала соли азотистой кислоты, или нитриты, а при дальнейшем окислении — соли азотной кислоты, или нитраты, т. е- происходит процесс нитрификации.

Этот биохимический процесс был открыт в 70-х годах XIX в. Но только в конце XIX в. русскому микробиологу С. Н. Виноградскому удалось выделить чистую культуру нитрифицирующих бактерий.

Одна группа этих бактерий окисляет аммиак в азотистую кислоту (нитритные бактерии), вторая — азотистую кислоту в азотную (нитратные бактерии).

Нитрификация имеет большое значение в очистке сточных вод, так как этим путем накапливается запас кислорода, который может быть использован для окисления органических без-азотистых веществ, когда полностью уже израсходован для этого процесса весь свободный (растворенный) кислород. Связанный кислород отщепляется от нитритов и нитратов под действием микроорганизмов (денитрифицирующих бактерий) и вторично расходуется для окисления органического вещества. Процесс этот называется денитрификацией. Он сопровождается выделением в атмосферу свободного азота в форме газа.[ …]

Процессы глубокой доочистки часто называют третичной очисткой. Она проводится в специальных сооружениях, где образующийся при минерализации органических веществ азот является исходным для дальнейших превращений. К третичной очистке относится и доочистка сточных вод в биологических прудах с использованием высшей растительности.

Однако в процессах нитрификации потребляется большое количество кислорода. Так, на окисление 1 мг аммонийного азота до нитритов необходимо 3,43 мг 02, а до нитратов — 4,57 мг 02 [73]. Поэтому сброс неочищенных или недостаточно очищенных сточных вод приводит к увеличению потребления кислорода, превышающего величину БПК.[ …

]

Второй подход, назовем его производственным, при выборе основных показателей исходит из ’’агрономической ценности” тех или иных микроорганизмов и биохимических процессов.

Он достаточно условный, поскольку само понятие ’’агрономической ценности” весьма относительно и со временем может изменяться в соответствии с изменением технологии производства и углублением наших знаний.

Так, минерализация органического вещества — ’’агрономически ценный” процесс, но при условии полного воспроизводства гумуса и восстановления структуры почвы.

В противном случае рано или поздно произойдет дегумификация и деградация почвы со всеми вытекающими для ее плодородия последствиями. Процесс нитрификации является интегральным показателем процессов минерализации азотсодержащих веществ и, несомненно, полезен в естественных ландшафтах.[ …]

Одним из важнейших показателей, который позволяет судить о степени опасности поступающих в водоем сточных вод, содержащих вредные вещества, является влияние последних на общий санитарный режим водоема.

В связи с этим нами были предприняты исследования по изучению влияния химических реагентов на санитарный режим водоемов в условиях эксперимента с целью установления их пороговых концентраций по этому показателю.

Для этого проводилось изучение их влияния на первую фазу окисления органических веществ, об интенсивности которой судили по динамике биохимического потребления кислорода (БПК), и на интенсивность процессов минерализации азотсодержащих органических веществ.

Параллельно велись наблюдения за развитием и отмиранием водной сапрофитной микрофлоры.

Определение БПК проводилось по общепринятой методике и сводилось к следующему: дехлорированная вода, предварительно смешанная с бытовой сточной жидкостью и содержащая различные концентрации веществ, насыщалась путем встряхивания в течение 1 минуты кислородом воздуха и разливалась в кислородные склянки с притертыми пробками, которые выдерживались при 20°С в водном термостате. Определение потребления кислорода проводилось тотчас, на 1, 3, 5, 7, 10, 15, 20 сутки, что позволило проследить за динамикой БПК- Через такие же промежутки времени велось наблюдение за процессами нитрификации и за развитием и отмиранием сапрофитной микрофлоры. Динамика биохимического потребления кислорода под влиянием различных концентраций реагентов в качестве примера показана на рис. 3. Полученные результаты во всех опытах по каждой концентрации были усреднены и для большей наглядности приводятся в процентах по отношению к контролю в табл. 10.[ …]

Источник: https://ru-ecology.info/term/6930/

2. Нитрификация и денитрификация

Нитрификация

Нитрификация — процесс окисления кислородом воздуха аммонийного азота до нитритов и нитратов, осуществляемый нитрифицирующими микроорганизмами. На первой стадии процесса нитрификации аммоний окисляется до нитритов, на второй стадии нитриты окисляются до нитратов.

Для процесса нитрификации оптимальная величина рН составляет 7—9; возможна нитрификация и при рН —6—7.

Денитрификация — процесс восстановления нитритов и нитратов до свободного азота, который выделяется в атмосферу.

Процесс может быть реализован при наличии в воде определенного количества органического субстрата, окисляемого сапрофитными микроорганизмами до С02 и Н20 за счет кислорода азотсодержащих соединений.

При денитрификации обеспечивается очистка сточных вод одновременно от биологически окисляемых органических соединений и от соединений азота (NO2- и NO3-). Наиболее эффективно процесс денитрификации протекает при рН=7—7, 5; при рН ниже 6 или выше 9 процесс затормаживается.

Рис. 32. 1. Трехстадийная I, II, III система очистки воды
1 — подача исходной воды; 2 — отстойники; 3 — отвод очищенной воды; 4 — возвратный ил; 5 — подача органического субстрата; 6 — подача воздуха; 7 — аэротенк биологической очистки; 8 — нитрификатор; 9 — денитрификатор

Рис. 32. 2. Одностадийная система очистки воды
1 — подача исходной воды; 2 — отстойник; 3 — отвод очищенной воды; 4 — возвратный ил; 5 — аэротенк продленной аэрации; 6 — зона денитрификации; 7 — подача органического субстрата; 8 — подача воздуха

Рис. 32. 3. Двухстадийная система очистки воды
1 — подача исходной воды; 2 — отстойники; 3 — отвод очищенной воды; 4 — возвратный ил; 5 — аэротенк-нитрификатор; 6 — денитрификатор; 7 — подача воздуха; 8 — подача органического субстрата

В качестве органического субстрата в процессе денитрификации могут быть использованы любые биологически окисляемые органические соединения (углеводы, спирты, органические кислоты, продукты распада белков и т. д.).

Источником углеродного питания при очистке сточных вод методом денитрификации могут быть сточные воды, прошедшие очистку в первичных отстойниках, а также органические производственные стоки, предпочтительно не содержащие азота.

Необходимое соотношение величины БПК в сточных водах к нитратному азоту примерно равно 4:1. Для процессов нитрификации и денитрификации могут быть использованы традиционные сооружения биологической очистки: аэротенки и биофильтры.

Применяют трехстадийную обработку сточных вод, или так называемую систему трех иловых культур. Для каждой стадии процесса — аэрации, нитрификации и денитрификации имеются свой аэротенк, отстойник и система возврата активного ила (рис. 32. 1).

При использовании аэротенков с про¬дленной аэрацией обработка сточных вод одностадийная; она проводится до полной нитрификации в одном сооружении.

В этом случае выделяется секция денитрификации, в которую подается органический субстрат; перемешивание в ней осуществляется меха¬ническими мешалками без подачи воздуха (рис. 32. 2).

Рис. 32. 4.

Схема очистки производственных сточных вод от азота
1 — подача усредненных азотсодержащих сточных вод; 2 — подача реагентов (известкового молока и суперфосфата); 3 — камера смешения; 4 — подача воздуха; 5 — аэротенк с зонами нитрификации (H), денитрификации (Д) и аэрации (А); 6 — подача органосодержащих сточных вод; 7 — усреднитель; 8 — первичные отстойник органосодержащих вод; 9 — рециркуляция с помощью эрлифта (3) очищенной от азота жидкости в зону нитрификации для разбавления; 10 — аэротенки бытовой канализации; 11 — иловая камера; 12 — возвратный ил; 13 — отвод смеси очищенных от азотсточных вод с активным илом; 14 — подача ила из вторичных отстойников бытовой канализаций; 15 — иловая насосная станция; 16 — отвод очищенной воды

При двухстадийной обработке сточных вод устраивают аэротенк продленной аэрации и отдельно расположенный денитрификатор (рис. 32. 3). Возможны отклонения от этой последовательности обработки воды.

Так, при содержании в сточной воде преимущественно нитратов целесообразно вначале предусмотреть зону денитрификации, в которой органический субстрат будет окисляться за счет нитратов с выделением свободного азота, и зону аэрации для окончательного окисления органических веществ.

Если в сточной воде содержатся нитратный и аммонийный азот при незначительном количестве органических веществ, вначале предусматривают зону нитрификации, затем зоны денитрификации и аэрации (рис. 32. 4).

Для очистки сточных вод от соединений азота можно применять биологические пруды.

Наиболее эффективно биологические пруды используются в южных районах, так как концентрация азота снижается в них в результате нитрификации и денитрификации в основном в летнее время.

При исходной концентрации аммонийного азота 15— 20 мг/л р биологических прудах и летнее время его можно снизить на 40—60%, а в мелководных прудах с высшей водной растительностью — 70—90%.

Источник: https://vodalos.ru/spravochniki-stroitelya/spravochnik-proektirovshika/8/3/2/2

Book for ucheba
Добавить комментарий