Одним из способов удаления нитратов и нитритов из воды является денитрификация. Мид (1974) показал, что денитрификация снижала содержание NO3—N на 85—90% и NO2—N на 60—84% в воде, выходящей из замкнутой системы для разведения чавычи. Денитрификация — двухступенчатый процесс, в котором в качестве источника углерода используется метанолу
Суммарная реакция (St. Amanl and McCarty, 1969)
Следовательно, для полного превращения 1 мг/л NO3—N в N2 требуется 1,90 мг метанола на 1 л. Отсутствие достаточного количества метанола для полной денитрификации NO3—N увеличивает содержание NO2—N на выходе. Поскольку NO2—N более токсичные, чем NO3—N, важно, чтобы выбранный источник углерода (органическое вещество) присутствовал в количестве, достаточном для завершения денитрификации.
Хотя некоторые исследователи (Smith et al., 1972) показали, что денитрификация может идти при концентрациях кислорода до 1 мг/л, она интенсивнее протекает в анаэробных условиях. Следовательно, до начала нитрификации кислород следует удалить. Это можно сделать путем добавления избыточного количества метанола или другого органического вещества с высоким потреблением кислорода. Реакция в системах с использованием метанола в качестве органического вещества (St. Amant and McCarty, 1969) имеет следующий вид:
Следовательно, для удаления из отработанной воды 1 мг/л кислорода необходимо 0,67 мг/л метанола.
Для роста бактерий требуется органическое вещество. Эти потребности могут также удовлетворяться за счет метанола или аналогичного соединения. Потребность в органическом веществе можно оценить с помощью коэффициента потребления, определяемого как отношение общего количества химического вещества, необходимого для денитрификации, к стехиометрической потребности на денитрификацию и обескислороживание. Маккарти и др. (1969) определили, что для метанола коэффициент потребления составляет 1,3. Следовательно, для обеспечения роста бактерий необходимо внести дополнительно 30% метанола.
Используя эти данные, Сент-Амант и Маккарти (1969) вывели следующее уравнение, позволяющее вычислить количество метанола, которое необходимо добавить к отработанной воде для завершения денитрификации:
Уравнение (12.120) учитывает 30% метанола, необходимого для роста бактериальных клеток.
Денитрификация осуществляется различными бактериями: факультативными, анаэробными, гетеротрофными (Pseudomonas sp., Micrococcus sp., Denstrofacillus sp., Spirillum sp. и Achromobacter sp.) (Dawson and Murphy, 1972). На скорость превращения нитратов в азот этими и другими денитрифицирующими бактериями влияют некоторые параметры окружающей среды. Необходимость органического вещества и анаэробных условий уже отмечалась выше. На скорость денитрификации бактериями оказывают влияние также содержание аммиака, pH и температура.
Делвич (Delwiche, 1956) показал, что Pseudomonas aeruginosa осуществляет денитрификацию в диапазоне значений pH от 5,8 до 9,2 при оптимальном значении pH от 7 до 8,2. Конечным продуктом денитрификации при pH выше 7,3 был элементарный азот (N2), а при pH ниже 7,3 увеличивалось образование аакиси азота. Сойер и др. (Sawyer et al., 1973) обнаружили, что значение pH, оптимальное для денитрификации городских стоков, находится в диапазоне 6,5—7,5. При значениях pH ниже 6,5 интенсивность денитрификации линейно уменьшалась и при pH 6,1 снижалась до 80% максимальной. Аналогичная зависимость наблюдалась и при значениях pH выше 7,5, т. е. интенсивность денитрификации снижалась линейно и при pH 7,9 составила 80% максимальной. Нельсон и др. (Nelson et al., 1973) показали, что при значениях pH от 5,5 до 8 интенсивность денитрификации в пробах речной воды не зависит от pH. Таким образом, интенсивность денитрификации, по-видимому, максимальная в диапазоне значений pH от 6,5 до 7,5, а во многих случаях этот диапазон можно расширить до значений pH 6—8.
Значительное влияние на интенсивность денитрификации оказывает также температура. Доусон и Мерфи (Dawson and Murphy, 1972), работавшие с культурами, в которых преобладали бактерии Pseudomonas denitrificans, развившиеся в определенной среде, показали, что зависимость интенсивности денитрификации от температуры в диапазоне от 3 до 27°С описывается следующим уравнением:
где Kd — постоянная денитрификации; R — универсальная газовая постоянная, кал/(г·моль·К); Т — абсолютная температура, /С.
Использовав уравнение (13.120) для определения потребностей в метаноле, Мид (1974) применил денитрифицирующий фильтр глубиной 3,65 м и диаметром 0,61 м в замкнутой системе для выращивания чавычи. В качестве загрузки использовалась 2,54-сантиметровые пластмассовые кольца. При изменении расхода от 4 до 15 л/мин (время удерживания 4,45—1,18 ч соответственно) скорость денитрификации NO3—N достигала 452,3 г/м3 в сутки, или 232 мг/1000 см2 в сутки, при температуре 14°С. Смит и др. (Smith et al., 1972), применявшие денитрификационный гравийный фильтр (диаметр 1,9 см) для очистки городских стоков, получили скорость денитрификации 356 мг NO3—N/1000 см2 в сутки. Эта более высокая скорость денитрификации была достигнута главным образом благодаря температуре, которая у Смита и др. составляла 27°С по сравнению с 14°С у Мида (1974). Мид (1974) считает, что его данные можно с уверенностью использовать для полногабаритной лососеводной системы.
Расчет денитрификационного фильтра требует определения скорости удаления нитратов и нитритов на единицу удельной площади поверхности фильтра в единицу времени. По-видимому, только данные Мида относятся к денитрификации в рыбоводных системах. В его системе концентрация нитратов на входе в фильтр составляла 55,8—68,2 мг/л, а нитритов 0,23—0,45 мг/л. При времени удерживания и температурах, указанных выше, ему удалось добиться удаления 80—90% нитратов и 60—85% нитритов. Используя полученную Мидом (1974) величину 232 мг NO3—N/1000 см2 в сутки и уравнение (13.122), можно рассчитать удельную площадь поверхности фильтра, необходимую для системы. Поправку на темературу можно получить с помощью уравнения (13.12). Хотя точность определения поправок на температуру с помощью уравнения (13.121) не доказана, при отсутствии более надежных данных можно использовать этот подход для получения хотя бы ориентировочной оценки.
где Asp — удельная поверхность фильтрующей среды, см2; N3 — концентрация NO3—N на входе, мг/л; Q — расход воды, л/мин; 1440 — переводной коэффициент, мин/сут.
Используя Asp и зная отношение удельной площади поверхности к объему для выбранной среды Аu, можно рассчитать объем фильтра
