Процесс нитрификации протекает в две ступени, каждую из которых осуществляют специализированные бактерии — нитрификаторы первой и второй ступеней. Первую ступень неполной (частичной) нитрификации — окисление аммония до нитрита — осуществляют бактерии родов, названия которых начинаются с приставки Nitroso-: Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus, Nitroosospira и Nitrosovibrio.
Окисление аммонийного азота до нитрита происходит через промежуточные стадии образования гидроксиламина (NH2OH), гипонитрита (NOH) по суммарной реакции:
NH4+ + 1,5 O2 = NO2– + 2H+ +H2O.
Электроны включаются в дыхательную цепь на уровне ФАД, и перенос их по цепи цитохромов сопряжен с двумя фосфорилированиями. Энергетическим субстратом, окисляемым в дыхательной цепи, служит гидроксиламин.
Вторую ступень — окисление нитрита до нитратов — осуществляют бактерии родов Nitribacter, Nitrospira, Nitrococcus по реакции:
NO2 + 0,5O2 = NO3–.
Преобладание в биореакторах процесса частичной нитрификации только до нитрита вследствие тех или иных причин может быть как негативным, так и позитивным. С одной стороны, нитрит является токсическим веществом, снижающим качество очищенной воды. С другой — наличие нитрита как субстрата стимулирует развитие анаэробных анаммокс-бактерий, которые имеют высокое сродство к азотным субстратам и обеспечивают более глубокую очистку воды от азотных загрязнений. Развитию этих бактерий способствует агрегирование активного ила и образование биопленок на материале-носителе.
Целью очистки сточных вод от загрязнений является образование молекулярного азота, который является инертным и основным компонентом приземного воздуха и атмосферы.
Образование молекулярного азота происходит в процессе денитрификации. Денитрифицирующие бактерии окисляют органические вещества нитритом или нитратом (анаэробное дыхание) с образованием молекулярного азота. В качестве источника углерода денитрифицирующие бактерии используют органические вещества. Способность к денитрификации обнаружена у бактерий, принадлежащим к разным физиологическим группам: фототрофам (Rhodopseudomonas sphaeroides), хемолитотрофам (Thiobacillus denitrificans, Paracoccus denitrificans), грамположительным и грамотрицательным факультативным анаэробам (виды родов Pseudomonas, Bacillus и др.). Наиболее часто способность к денитрификации распространена именно у этих родов, и большинство денитрификаторов являются хемоорганотрофами. Популяция гетеротрофных бактерий активного ила, осуществляющих процессы денитрификации, отличается большим разнообразием. В процессе денитрификации происходит цепь реакций:
NO3– -> NO2– -> NO -> N2O -> N2.
В зависимости от условий среды и состава динитрифицирующих бактерий промежуточные соединения могут выделяться во внешнюю среду.
Денитрифицирующие бактерии являются органотрофами, т.е. им необходимы органические субстраты. В процессе очистки сточных вод для доочистки воды от окисленных соединений азота используют два метода. Это рецикл очищенной в аэротенках воды, насыщенной окисленными соединениями азота, при котором вода возвращается в дениртификатор, расположенный в начале биологической очистки. Там эта вода перемешивается с поступающей на очистку водой, содержащей необходимые денитрификаторам органические вещества.
Вторым методом удаления азота в виде N2 является доочистка в анаэробном денитрификаторе на последнем этапе биологической очистки. Очищенная в аэротенках вода поступает в анаэробный денитрификатор, куда в качестве наиболее эффективного органического субстрата для денитрифицирующих бактерий добавляют метанол, этанол или уксусную кислоту. Обычно в таких денитрификаторах используют плавающую загрузку для иммобилизации денитрифицирующих бактерий и создания барьера на границе поверхности вода — воздух. Преимущественное развитие с метанолом в качестве субстрата получают бактерии, принадлежащие к гифомикробам, имеющим большое сродство к субстратам. Они практически полностью выедают метанол и образуют молекулярный азот. В России этот метод не используется.
За рубежом часто используют два денитирификатора — в начале и в конце процесса биологической очистки.
