בתפעול היומיומי של טיפול בשפכים נשמעים לרוב שני מונחים: ניטריפיקציה ודניטריפיקציה. אנשים רבים שחדשים בטיפול בשפכים נוטים לבלבל בין שני המושגים הללו. למרות שמותיהם הדומים, שניהם סובבים סביב הדמות "硝", הם למעשה ממלאים תפקידים שונים לחלוטין בטיפול בשפכים.
במילים פשוטות, ניטריפיקציה אחראית על הפיכת חנקן אמוניה לחנקה, בעוד שהדיניטריפיקציה אחראית על הפיכת החנקה לגז חנקן. האחד הוא תהליך חמצון, והשני הוא תהליך הפחתה. שני התהליכים הם כמו מרוץ שליחים, ורק כשהם מושלמים בתיאום ניתן באמת להסיר חנקן בביוב.
ברגע שמבינים את הנקודה הזו, ההיגיון מאחורי תהליכי הסרת חנקן שונים, כגון A/O, AAO ותעלת חמצון, מתבהר הרבה יותר.
I. ניטריפיקציה: המרת חנקן אמוניה לחנקה
בביוב ביתי ובשפכים תעשייתיים רבים, חנקן קיים בעיקר בצורת חנקן אמוניה. אם חנקן אמוניה מוזרק ישירות לגופי מים, הוא יכול בקלות להוביל לאאוטרופיקה וגם להפעיל השפעות רעילות על אורגניזמים מימיים כמו דגים. לכן, מפעלי טיהור שפכים צריכים להמיר חנקן אמוניה תחילה.
תהליך טרנספורמציה זה ידוע בשם ניטריפיקציה.
ניטריפיקציה היא למעשה תהליך חמצון המבוצע על ידי מיקרואורגניזמים, אותו ניתן לחלק באופן גס לשני שלבים:
השלב הראשון הוא החמצון של חנקן אמוניה לניטריט
שלב 2: ניטריט מחומצן עוד יותר לניטראט
התהליך כולו דורש מספיק חמצן, ולכן ניטריפיקציה מתרחשת בדרך כלל בסביבות אירוביות, כגון מיכלי אוורור או מיכלים ביוכימיים MBR.
המיקרואורגניזמים המעורבים בתהליך זה ידועים כחיידקים מחנקים. הם נבדלים מחיידקים הטרוטרופיים רגילים בכך שהם שייכים לקטגוריה האוטוטרופית, שמקורם בעיקר באנרגיה מחומרים אנאורגניים. קצב הצמיחה שלהם איטי יחסית, והם גם רגישים לשינויים סביבתיים.
זו גם הסיבה שמפעלי טיהור שפכים רבים נוטים לחוות ירידה ביכולת הניטריפיקציה במהלך החורף.
II. דניטריפיקציה: המרת חנקה לגז חנקן
למרות שניטריפיקציה פתרה את בעיית חנקן האמוניה, החנקן במים לא באמת נעלם בשלב זה; הוא רק הפך מצורה אחת לאחרת. כדי באמת "להסיר" חנקן ממי שפכים, יש להשלים את השלב השני - דניטריפיקציה -.
דניטריפיקציה היא תהליך הפחתה. בסביבה אנאירובית, מיקרואורגניזמים מנצלים את החמצן בחנקה, ומפחיתים אותו בהדרגה לגז חנקן. מסלול התגובה הוא בערך כדלקמן:
ניטראט ← ניטריט ← Nitrous Oxide ← Nitrous Oxide ← חנקן
גז החנקן שנוצר לבסוף (N₂)* ישוחרר לאוויר בצורה גזית, ובכך החנקן שבביוב יוסר באמת. המיקרואורגניזמים שמסיימים את התהליך הזה נקראים חיידקים מדניטרים. בניגוד לחיידקים מחנקים, הם שייכים לחיידקים הטרוטרופיים ודורשים פחמן אורגני כמקור אנרגיה.
זו גם הסיבה שמפעלי טיהור שפכים רבים צריכים להוסיף מקורות פחמן במהלך סילוק החנקן.
III. מספר הבדלים מרכזיים בין ניטריפיקציה לדניטריפיקציה
אם נתבונן בשני התהליכים הללו יחד, נגלה שהם מנוגדים בתכלית בהיבטים רבים.
1. תנאי חמצן שונים
ניטריפיקציה חייבת להתרחש בסביבה אירובית, המחייבת בדרך כלל לשמור על רמות חמצן מומס בסביבות 2 מ"ג/ליטר.
דניטריפיקציה דורשת סביבה אנאירובית עם חמצן מומס שנשמר מתחת ל-0.5 מ"ג/ליטר. אם יש יותר מדי חמצן, חיידקים המדניטרים יעדיפו להשתמש בחמצן ולא בחנקה.
במילים פשוטות, ניטריפיקציה משגשגת בחמצן, בעוד שהדיניטריפיקציה מעוכבת על ידי חמצן.
2. סוגים שונים של מיקרואורגניזמים
ניטריפיקציה מתבצעת בעיקר על ידי חיידקים מחטבים, הכוללים ניטרוסומונות וניטרובקטר
חיידקים אלו שייכים לחיידקים אוטוטרופיים, שגדלים לאט ודורשים גיל בוצה ארוך יותר.
דניטריפיקציה מתבצעת על ידי חיידקים מדניטרים, השייכים לקטגוריית החיידקים ההטרוטרופיים ומציגים קצב גדילה מהיר יותר יחסית.
3. דרישות שונות למקור פחמן
חיידקים מחנקים מנצלים בעיקר חומרים אנאורגניים לאנרגיה ובדרך כלל אינם מסתמכים על מקורות פחמן אורגניים.
חיידקים מדניטרים דורשים פחמן אורגני כתורם אלקטרונים. לכן, כאשר החומר האורגני הזמין בשפכים אינו מספיק, לעתים קרובות יש צורך להוסיף מקורות פחמן חיצוניים כגון נתרן אצטט, מתנול וגלוקוז.
בהפעלתם של מפעלי שפכים רבים, מקור פחמן לא מספיק הוא לעתים קרובות גורם משמעותי המשפיע על יעילות פינוי החנקן.
4. מיקום ההתרחשות שונה
בתהליכי סילוק חנקן נפוצים, השניים מסודרים בדרך כלל באזורי תגובה שונים.
לדוגמה, בתהליכי A/O או AAO:
מיכל אנוקסי - Denitrification Aerobic Tank - ניטריפיקציה
החנקה המופקת באמצעות ניטריפיקציה חוזרת לאזור האנוקסי באמצעות מחזור פנימי, שם הוא עובר טרנספורמציה נוספת על ידי חיידקים מדניטרים.
5. תוצאות סופיות שונות
התוצאה של ניטריפיקציה היא ירידה בחנקן אמוניה ועלייה בחנקה
התוצאה של דניטריפיקציה היא: הפחתת חנקה והפקת גז חנקן
במילים אחרות, חנקן יכול לעזוב את גוף המים רק לאחר השלמת הדניטריפיקציה.
IV. הם למעשה מרוץ שליחים
מנקודת מבט הוליסטית, ניטריפיקציה ודניטריפיקציה אינם שני תהליכים עצמאיים, אלא שני שלבים עוקבים בסילוק חנקן ביולוגי.
ניתן להבין את כל תהליך המרת החנקן בפשטות כך:
חנקן אמוניאקלי → חנקן ניטריט → חנקן חנקתי → חנקן ניטריט → גז חנקן
ניטריפיקציה אחראית להפיכת חנקן אמוניה לחנקה, בעוד שהדניטריפיקציה אחראית להפחתת החנקה חזרה לגז חנקן.
השניים מחוברים כמו מירוץ שליחים.
אם יש רק ניטריפיקציה ואין דניטריפיקציה, החנקה במים עדיין תגרום לאיאטרופיקה.
אם לא יהיה ניטריפיקציה, יהיה חוסר ב"חומרי גלם" לדניטריפיקציה.
זו גם הסיבה שרוב תהליכי הסרת החנקן משלבים אזורים אירוביים ואנוקסיים כאחד.
V. מסקנה
בתחום הטיפול בשפכים, מושגים רבים עשויים להיראות דומים, אך ההיגיון הבסיסי שונה לחלוטין.
ניטריפיקציה ודניטריפיקציה הם זוג טיפוסי.
האחד מתרחש בסביבה אירובית, ואילו השני מתרחש בסביבה אנאירובית;
האחד אחראי לחמצון חנקן אמוניה, והשני אחראי על הפחתת החנקה;
רק כאשר השניים משולבים יכול להיווצר תהליך סילוק חנקן ביולוגי מלא.
לאחר שהבנו זאת, כאשר אנו מסתכלים על תהליכי הסרת חנקן שונים, כגון A/O, AAO ותעלת חמצון, אנו יכולים לראות שכולם אופטימליים ומשולבים סביב שני השלבים הללו.
תהליכים מורכבים רבים בטיפול בשפכים, בסופו של דבר, יוצרים למעשה "סביבת עבודה" מתאימה למיקרואורגניזמים אלו.
