Στον κύκλο αζώτου των συστημάτων επεξεργασίας λυμάτων και των φυσικών υδάτινων περιβαλλόντων, η μετατροπή του οργανικού αζώτου σε άζωτο αμμωνίας είναι μία από τις βασικές διαδικασίες. Αυτή η διαδικασία, γνωστή ως αμμωνοποίηση, χρησιμεύει ως θεμελιώδες βήμα στον μετασχηματισμό του αζώτου, επηρεάζοντας άμεσα την αποτελεσματικότητα της επακόλουθης απονιτροποίησης και άλλων αντιδράσεων αφαίρεσης αζώτου. Διαδραματίζει κρίσιμο ρόλο στον έλεγχο της ρύπανσης από άζωτο στα υδατικά συστήματα. Το οργανικό άζωτο υπάρχει ευρέως σε οικιακά λύματα, βιομηχανικά λύματα και φυσικά υδάτινα σώματα, με τις κύριες πηγές του να περιλαμβάνουν οργανικές ενώσεις που περιέχουν άζωτο όπως πρωτεΐνες, αμινοξέα, ουρία, νουκλεϊκά οξέα και χουμικές ουσίες. Αυτές οι ουσίες πρέπει να αποσυντίθενται μέσω μικροβιακών μεταβολικών διεργασιών, μετατρέποντας τελικά σε άζωτο αμμωνίας (ce{NH3-N} ή ce{NH^{+}_{4}-N}), το οποίο στη συνέχεια συμμετέχει στην επακόλουθη μετανάστευση και μετασχηματισμό αζώτου.
1. Η βασική διαδικασία της μετατροπής οργανικού αζώτου σε άζωτο αμμωνίας — αμμωνοποίηση
Η αμμωνοποίηση αναφέρεται στη βιοχημική αντίδραση κατά την οποία ομάδες που περιέχουν άζωτο σε οργανικές ενώσεις αζώτου αποσυντίθενται σταδιακά υπό την κατάλυση μικροοργανισμών, απελευθερώνοντας τελικά αμμωνιακό άζωτο. Ανάλογα με τους τύπους των μικροοργανισμών που εμπλέκονται και τις συνθήκες αντίδρασης, η αμμωνοποίηση μπορεί να ταξινομηθεί σε αερόβια και αναερόβια αμμωνοποίηση. Αν και οι οδοί αντίδρασής τους και οι κυρίαρχοι μικροοργανισμοί διαφέρουν, τα τελικά προϊόντα αποτελούνται κυρίως από αμμωνιακό άζωτο.
Αμμωνία υπό αερόβιες συνθήκες
Η αερόβια αμμωνοποίηση είναι η διαδικασία με την οποία αερόβιοι μικροοργανισμοί οξειδώνουν και αποσυνθέτουν οργανικές ενώσεις αζώτου σε περιβάλλον πλούσιο σε οξυγόνο. Διαθέτει γρήγορους ρυθμούς αντίδρασης και υψηλή απόδοση μετατροπής, που χρησιμεύει ως η κύρια μορφή μετασχηματισμού οργανικού αζώτου στο αερόβιο στάδιο της επεξεργασίας λυμάτων (όπως η δεξαμενή αερισμού στη διαδικασία ενεργού ιλύος).
Οδοί μετασχηματισμού του πρωτεϊνούχου οργανικού αζώτου
Η πρωτεΐνη είναι ένας από τους πιο κοινούς οργανικούς ρύπους του αζώτου στα υδατικά συστήματα και η μετατροπή της σε άζωτο αμμωνίας περιλαμβάνει δύο βασικές αντιδράσεις. Το πρώτο βήμα είναι η υδρόλυση πρωτεϊνών, που καταλύεται από πρωτεάσες που εκκρίνονται από αερόβιους μικροοργανισμούς, οι οποίοι διασπούν μεγάλα μόρια πρωτεΐνης σε μικρότερα πολυπεπτίδια και αμινοξέα. Οι πρωτεάσες, συμπεριλαμβανομένης της θρυψίνης και της πεψίνης, παρουσιάζουν ειδικότητα στη διάσπαση των πεπτιδικών δεσμών εντός των πρωτεϊνικών μορίων. Το δεύτερο στάδιο είναι η απαμίνωση αμινοξέων, η διαδικασία πυρήνα της αμμωνοποίησης, όπου τα αμινοξέα, υπό τη δράση της απαμινάσης, χάνουν την αμινομάδα τους (NH2) μέσω οξειδωτικής απαμίνωσης, αναγωγικής απαμίνωσης ή υδρολυτικής απαμίνωσης, μετατρέποντάς τα σε άζωτο αμμωνίας.
Λαμβάνοντας ως παράδειγμα την οξειδωτική απαμίνωση, η αντίδρασή της μπορεί να αναπαρασταθεί ως:
ce{R-CH(NH2)-COOH + O2 -> R-CO-COOH + NH3}
Η αμμωνία (ce{NH3}) που παράγεται από την αντίδραση συνδυάζεται με ιόντα υδρογόνου στο νερό για να σχηματίσει ιόντα αμμωνίου (ce{NH^{+}_{4}}). Η αναλογία μεταξύ των δύο εξαρτάται από το pH του νερού. Όταν το pH είναι αλκαλικό, κυριαρχεί η αμμωνία (ce{NH3}). όταν το pH είναι όξινο, κυριαρχούν τα ιόντα αμμωνίου (ce{NH^{+}_{4}}).
2. Διαδρομές μετασχηματισμού οργανικού αζώτου σε ενώσεις ουρίας
Η ουρία είναι ένα σημαντικό συστατικό του οργανικού αζώτου στα οικιακά λύματα. Η διαδικασία αμμωνοποίησής του καταλύεται από την ουρεάση, η οποία εμφανίζεται κάτω από ήπιες συνθήκες και προχωρά γρήγορα σε αερόβιο περιβάλλον. Η ουρεάση διασπά τον αμιδικό δεσμό στο μόριο της ουρίας, αποσυντίθεται απευθείας σε άζωτο αμμωνίου και διοξείδιο του άνθρακα. Η εξίσωση της αντίδρασης είναι η εξής:
ce{CO(NH2)2 + H2O -> 2NH3 + CO2}
Αυτή η αντίδραση δεν απαιτεί ένα ενδιάμεσο στάδιο αμινοξέων, παρουσιάζει εξαιρετικά υψηλή απόδοση μετατροπής και χρησιμεύει ως μία από τις κύριες πηγές αζώτου αμμωνίας στα οικιακά λύματα.
(2) Αμμωνοποίηση υπό αναερόβιες συνθήκες
Η αναερόβια αμμωνοποίηση είναι η διαδικασία με την οποία αναερόβιοι ή προαιρετικοί αναερόβιοι μικροοργανισμοί ζυμώνουν και αποσυνθέτουν οργανικές ενώσεις αζώτου σε περιβάλλον χωρίς οξυγόνο, που συνήθως συμβαίνει στα αναερόβια στάδια της επεξεργασίας λυμάτων (όπως αναερόβιοι χωνευτές), ιζήματα και υποξικά υδάτινα σώματα. Σε σύγκριση με την αερόβια αμμωνοποίηση, η αναερόβια αμμωνοποίηση προχωρά με πιο αργό ρυθμό και συνοδεύεται από την παραγωγή αερίων όπως το μεθάνιο και το υδρόθειο.
Η αποσύνθεση του οργανικού αζώτου από αναερόβιους μικροοργανισμούς ξεκινά επίσης με την υδρόλυση μακρομοριακών οργανικών ενώσεων, όπως οι πρωτεΐνες, οι οποίες διασπώνται σε αμινοξέα από αναερόβιες πρωτεάσες. Στη συνέχεια, τα αμινοξέα απελευθερώνουν αμμωνιακό άζωτο μέσω αναγωγικής απαμίνωσης ή ζυμωτικής απαμίνωσης. Λαμβάνοντας ως παράδειγμα την αναγωγική απαμίνωση, η εξίσωση αντίδρασης είναι:
ce{R-CH(NH2)-COOH + 2H -> R-CH2-COOH + NH3}
Επιπλέον, σε αναερόβια περιβάλλοντα, σύνθετες οργανικές ενώσεις αζώτου όπως τα νουκλεϊκά οξέα και ο χούμος μπορούν επίσης να αποσυντεθούν σταδιακά από μικροοργανισμούς, απελευθερώνοντας άζωτο αμμωνίας. Ωστόσο, η διαδικασία μετατροπής είναι πιο περίπλοκη και περιλαμβάνει τη συνεργική δράση πολλαπλών ενζύμων.
II. Κύριες μικροβιακές ομάδες που εμπλέκονται στην αμμωνίαση
Η ουσία της αμμωνοποίησης είναι η μεταβολική διαδικασία των μικροοργανισμών, η οποία περιλαμβάνει ένα ευρύ φάσμα μικροβιακών ειδών, συμπεριλαμβανομένων βακτηρίων, μυκήτων, ακτινομυκήτων και άλλων. Διαφορετικοί μικροοργανισμοί παρουσιάζουν διακυμάνσεις στην ικανότητά τους να αποσυνθέτουν το οργανικό άζωτο και την προσαρμοστικότητά τους στις περιβαλλοντικές συνθήκες.
```(1) Ομάδες βακτηρίων```
Τα βακτήρια είναι οι κυρίαρχοι μικροοργανισμοί στην αμμωνοποίηση, που κατηγοριοποιούνται κυρίως σε αερόβια και αναερόβια είδη. Τα αερόβια αμμωνοποιητικά βακτήρια περιλαμβάνουν γένη όπως Bacillus, Pseudomonas και Proteus, τα οποία πολλαπλασιάζονται γρήγορα υπό αερόβιες συνθήκες και παρουσιάζουν υψηλή δραστηριότητα πρωτεάσης και απαμινάσης, επιτρέποντας αποτελεσματική αποσύνθεση πρωτεϊνών και αμινοξέων. Τα αναερόβια αμμωνιοποιητικά βακτήρια αντιπροσωπεύονται από γένη όπως το Clostridium και τα μεθανογόνα. Το κλωστρίδιο μπορεί να διασπάσει πρωτεΐνες υπό αναερόβιες συνθήκες για να παράγει αμμωνιακό άζωτο και οργανικά οξέα, ενώ τα μεθανογόνα χρησιμοποιούν απλές οργανικές ενώσεις αζώτου για περαιτέρω ζύμωση και συμμετέχουν σε αντιδράσεις αμμωνοποίησης.
(2) Ταξόνια μυκήτων και ακτινομυκήτων
Οι μύκητες και οι ακτινομύκητες παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο στη μετατροπή του οργανικού αζώτου, ειδικά στην επεξεργασία λυμάτων που περιέχουν σύνθετο οργανικό άζωτο, όπως η εκτύπωση και η βαφή λυμάτων και φαρμακευτικών λυμάτων. Μύκητες όπως ο Aspergillus και το Penicillium μπορούν να εκκρίνουν διάφορα εξωκυτταρικά ένζυμα για να αποσυνθέσουν το δεσμευμένο οργανικό άζωτο σε ανυπόφορες οργανικές ενώσεις όπως η κυτταρίνη και η λιγνίνη. Το Streptomyces, ένα γένος ακτινομυκήτων, έχει ισχυρή ικανότητα να αποσυνθέτει το χουμικό οργανικό άζωτο. Τα ένζυμα που παράγονται από το μεταβολισμό τους μπορούν να σπάσουν τη σταθερή δομή των χουμικών ουσιών και να απελευθερώσουν αμμωνιακό άζωτο.
3, Βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν τη μετατροπή του οργανικού αζώτου σε άζωτο αμμωνίας
Η αποτελεσματικότητα της αμμωνοποίησης επηρεάζεται από διάφορους περιβαλλοντικούς παράγοντες και χαρακτηριστικά υποστρώματος. Στα συστήματα επεξεργασίας λυμάτων, η ρύθμιση αυτών των παραγόντων μπορεί να βελτιώσει αποτελεσματικά τον ρυθμό μετατροπής του οργανικού αζώτου σε άζωτο αμμωνίας, δημιουργώντας ευνοϊκές συνθήκες για επακόλουθη νιτροποίηση και απονιτροποίηση.
(1) Θερμοκρασία
Η θερμοκρασία είναι ο βασικός παράγοντας που επηρεάζει τη δραστηριότητα των μικροβιακών ενζύμων, καθορίζοντας άμεσα τον ρυθμό της αντίδρασης αμμωνοποίησης. Η κατάλληλη θερμοκρασία ανάπτυξης για την αμμωνοποίηση μικροοργανισμών είναι 20 ℃ -35 ℃. Σε αυτό το εύρος θερμοκρασίας, η ενζυμική δραστηριότητα είναι υψηλή και ο ρυθμός αντίδρασης αμμωνοποίησης επιταχύνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας. Όταν η θερμοκρασία είναι κάτω από 10 ℃, ο μεταβολικός ρυθμός των μικροοργανισμών μειώνεται σημαντικά, η ενζυμική δραστηριότητα αναστέλλεται και η αποτελεσματικότητα της αμμωνοποίησης μειώνεται σημαντικά. Όταν η θερμοκρασία ξεπεράσει τους 40 ℃, οι ενζυμικές πρωτεΐνες στα μικροβιακά κύτταρα θα υποστούν μετουσίωση, οδηγώντας στη στασιμότητα της αντίδρασης αμμωνοποίησης. Στην πραγματική επεξεργασία λυμάτων, είναι συχνά απαραίτητο να παραταθεί ο χρόνος συγκράτησης του υδραυλικού συστήματος ή να αυξηθεί η συγκέντρωση της λάσπης σε συνθήκες χαμηλής θερμοκρασίας το χειμώνα για να αντισταθμιστεί η μείωση της απόδοσης της αμμωνοποίησης.
(2) Τιμή PH
Η τιμή του pH επηρεάζει έμμεσα την αμμωνία επηρεάζοντας το περιβάλλον ανάπτυξης και την ενζυμική δραστηριότητα των μικροοργανισμών. Το κατάλληλο εύρος pH για αερόβιους αμμωνιοποιητικούς μικροοργανισμούς είναι 6,5-8,0, κατά το οποίο οι δραστηριότητες πρωτεάσης και απαμινάσης των μικροοργανισμών είναι υψηλότερες. Όταν η τιμή του pH είναι κάτω από 5,5 ή πάνω από 9,0, η χωρική δομή του ενζύμου θα διαταραχθεί, η μικροβιακή ανάπτυξη θα ανασταλεί και η αντίδραση αμμωνοποίησης θα παρεμποδιστεί. Οι αναερόβιοι αμμωνιοποιούμενοι μικροοργανισμοί έχουν σχετικά μεγάλο εύρος προσαρμοστικότητας σε τιμές pH, με κατάλληλο εύρος pH 6,0-7,5. Ένα ελαφρώς όξινο περιβάλλον είναι πιο ευνοϊκό για τον μεταβολισμό της ζύμωσης των αναερόβιων αμμωνοποιητικών βακτηρίων. Επιπλέον, η τιμή του pH μπορεί επίσης να επηρεάσει τη μορφή του αμμωνιακού αζώτου, το οποίο με τη σειρά του επηρεάζει την παροχή υποστρώματος για τις επόμενες αντιδράσεις νιτροποίησης.
(3) Διαλυμένο οξυγόνο (DO)
Το διαλυμένο οξυγόνο είναι βασική προϋπόθεση για τη διάκριση της αερόβιας αμμωνοποίησης από την αναερόβια αμμωνοποίηση. Σε αερόβιο περιβάλλον, η συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου πρέπει να διατηρείται στα 2mg/L-4mg/L για να καλύψει τις αναπνευστικές ανάγκες των μικροοργανισμών αερόβιας αμμωνοποίησης. Αυτή τη στιγμή, η αερόβια αμμωνοποίηση κυριαρχεί και η απόδοση μετατροπής είναι υψηλή. Όταν η συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου είναι κάτω από 0,5 mg/L, η δραστηριότητα των αερόβιων μικροοργανισμών αναστέλλεται και οι αναερόβιοι αμμωνιοποιητές μικροοργανισμοί γίνονται η κυρίαρχη μικροβιακή ομάδα, με αποτέλεσμα πιο αργό ρυθμό αντίδρασης αμμωνοποίησης. Σε διεργασίες όπως το A ²/O και το αυλάκι οξείδωσης στην επεξεργασία λυμάτων, η συνεργιστική διαδικασία της αμμωνοποίησης οργανικού αζώτου, της νιτροποίησης και της απονιτροποίησης μπορεί να επιτευχθεί ελέγχοντας τη συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου σε διαφορετικές περιοχές.
(4) Τύποι και συγκεντρώσεις οργανικών υποστρωμάτων αζώτου
Ο τύπος και η συγκέντρωση της οργανικής μήτρας αζώτου επηρεάζουν άμεσα τον ρυθμό και τον βαθμό αμμωνοποίησης. Οι οργανικές ενώσεις αζώτου μικρού μορίου (όπως αμινοξέα και ουρία) μπορούν να απορροφηθούν άμεσα και να χρησιμοποιηθούν από μικροοργανισμούς, με γρήγορο ρυθμό μετατροπής αμμωνοποίησης. Οι οργανικές ενώσεις αζώτου με μεγάλο μόριο (όπως οι πρωτεΐνες και τα νουκλεϊκά οξέα) πρέπει να υποστούν αντιδράσεις υδρόλυσης για να αποσυντεθούν σε μικρές μοριακές ουσίες, με μεγαλύτερη περίοδο μετατροπής. Επιπλέον, όταν η συγκέντρωση του οργανικού αζώτου είναι πολύ υψηλή, μπορεί να προκαλέσει ανισορροπία στην οσμωτική πίεση των μικροβιακών κυττάρων, αναστέλλοντας τη μικροβιακή ανάπτυξη. Όταν η συγκέντρωση είναι πολύ χαμηλή, δεν μπορεί να παρέχει επαρκή τροφή για τους μικροοργανισμούς και η αποτελεσματικότητα της αντίδρασης αμμωνοποίησης είναι χαμηλή. Στην πρακτική μηχανική, για λύματα οργανικού αζώτου υψηλής συγκέντρωσης, χρησιμοποιούνται συχνά διαδικασίες προεπεξεργασίας (όπως οξίνιση υδρόλυσης) για την αποσύνθεση μεγάλου μοριακού οργανικού αζώτου σε μικρές μοριακές ουσίες, βελτιώνοντας έτσι την αποτελεσματικότητα της επακόλουθης επεξεργασίας αμμωνοποίησης.
(5) Δομή μικροβιακής κοινότητας
Η ποικιλομορφία και η αφθονία των μικροβιακών κοινοτήτων είναι οι βασικοί βιολογικοί παράγοντες που επηρεάζουν την αμμωνία. Όταν η ποικιλία των αμμωνοποιητικών μικροοργανισμών στο σύστημα είναι άφθονη και ο αριθμός των κυρίαρχων βακτηριακών ομάδων είναι επαρκής, η αποτελεσματικότητα της αποσύνθεσης και μετασχηματισμού οργανικού αζώτου είναι υψηλότερη. Αντίθετα, εάν η δομή της μικροβιακής κοινότητας είναι απλή ή υπάρχουν ανασταλτικές ουσίες (όπως βαρέα μέταλλα, τοξικές οργανικές ενώσεις) που προκαλούν το θάνατο των κυρίαρχων μικροβιακών κοινοτήτων, η αμμωνία θα επηρεαστεί σοβαρά. Κατά τη φάση εκκίνησης του συστήματος επεξεργασίας λυμάτων, μπορούν γρήγορα να δημιουργηθούν αποτελεσματικές μικροβιακές κοινότητες αμμωνιοποίησης με την προσθήκη αμμωνιοποιητικών παραγόντων ή τον εμβολιασμό ώριμης ιλύος, συντομεύοντας τον κύκλο έναρξης λειτουργίας του συστήματος.
4, The Environmental and Engineering Significance of Organic Nitrogen Conversion to Ammonia Nitrogen
Η μετατροπή του οργανικού αζώτου σε άζωτο αμμωνίας είναι ένας βασικός κρίκος στον κύκλο του αζώτου και έχει σημαντική σημασία τόσο σε φυσικά περιβάλλοντα όσο και σε έργα επεξεργασίας λυμάτων.
Στα φυσικά υδάτινα σώματα, το αμμωνιακό άζωτο που παράγεται με αμμωνοποίηση μπορεί να παρέχει πηγές αζώτου για φυτοπλαγκτόν, φύκια κ.λπ., προάγοντας τον κύκλο υλικών των υδάτινων οικοσυστημάτων. Ωστόσο, το υπερβολικό άζωτο αμμωνίας μπορεί να οδηγήσει σε ευτροφισμό των υδάτινων σωμάτων, προκαλώντας περιβαλλοντικά προβλήματα όπως άνθηση φυκιών και κόκκινες παλίρροιες. Στη μηχανική επεξεργασίας λυμάτων, η αμμωνοποίηση είναι ένα προαπαιτούμενο βήμα για τη βιολογική απονιτροποίηση. Μόνο με την αποτελεσματική μετατροπή του οργανικού αζώτου σε άζωτο αμμωνίας μπορούν να παρασχεθούν επαρκή υποστρώματα για επακόλουθες αντιδράσεις νιτροποίησης (αμμωνιακό άζωτο που μετατρέπεται σε νιτρικό άζωτο) και αντιδράσεις απονιτροποίησης (νιτρικό άζωτο που μετατρέπεται σε άζωτο), επιτυγχάνοντας πλήρη απομάκρυνση του αζώτου. Επιπλέον, στη διαδικασία αναερόβιας χώνευσης, το άζωτο αμμωνίας που παράγεται με αμμωνοποίηση μπορεί να εξουδετερώσει τα οργανικά οξέα που παράγονται κατά τη διαδικασία πέψης, να διατηρήσει τη σταθερότητα της τιμής του pH του συστήματος και να εξασφαλίσει την ομαλή πρόοδο της αναερόβιας χώνευσης.
V. Συμπέρασμα
Η μετατροπή του οργανικού αζώτου σε άζωτο αμμωνίας είναι μια πολύπλοκη μικροβιακή διαδικασία, η οποία επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες όπως η θερμοκρασία, η τιμή του pH, το διαλυμένο οξυγόνο και οι ιδιότητες του υποστρώματος. Η βαθιά κατανόηση του μηχανισμού και των παραγόντων επιρροής της αμμωνοποίησης έχει σημαντική θεωρητική και πρακτική σημασία για τη βελτιστοποίηση των διαδικασιών επεξεργασίας λυμάτων και τη βελτίωση της αποτελεσματικότητας της βιολογικής αφαίρεσης αζώτου. Με τη συνεχή βελτίωση των απαιτήσεων διακυβέρνησης του υδάτινου περιβάλλοντος, είναι απαραίτητο να μελετηθεί περαιτέρω ο μηχανισμός μεταβολικής ρύθμισης των αμμωνιοποιούντων μικροοργανισμών, να αναπτυχθούν αποτελεσματικοί βακτηριδιακοί παράγοντες αμμωνιοποίησης και στρατηγικές βελτιστοποίησης διεργασιών στο μέλλον και να παρέχουμε ισχυρότερη τεχνική υποστήριξη για την επίλυση του προβλήματος της ρύπανσης με άζωτο στα υδατικά συστήματα.
