W cyklu azotu w systemach oczyszczania ścieków i naturalnych środowiskach wodnych jednym z podstawowych procesów jest przekształcanie azotu organicznego w azot amoniaku.zwane ammonizacją, służy jako podstawowy krok w przekształcaniu azotu, bezpośrednio wpływając na skuteczność późniejszej denitryfikacji i innych reakcji usuwania azotu.Odgrywa kluczową rolę w kontroli zanieczyszczenia azotem w zbiornikach wodnychAzot organiczny jest powszechnie obecny w ściekach domowych, ściekach przemysłowych i naturalnych zbiornikach wodnych, a jego podstawowe źródła obejmują związki organiczne zawierające azot, takie jak białka,aminokwasy, mocznika, kwasów nukleinowych i substancji huminowych. Substancje te muszą być rozkładane w procesach metabolicznych mikrobiologicznych, ostatecznie przekształcając się w azot amoniaku (ce{NH3-N} lub ce{NH^{+}_{4}-N}),który następnie uczestniczy w późniejszej migracji azotu i transformacji.
1Podstawowy proces przekształcania azotu organicznego w amoniak
Ammonifikacja odnosi się do reakcji biochemicznych, w których grupy zawierające azot w związkach organicznych azotu są stopniowo rozkładane pod wpływem katalizy mikroorganizmów,w końcu uwalnia azot amoniakuW zależności od rodzaju zaangażowanych mikroorganizmów i warunków reakcji, amonifikację można podzielić na amonifikację aerobiczną i anaerobiczną.Chociaż ich drogi reakcji i dominujące mikroorganizmy różnią się, produkty końcowe składają się głównie z azotu amoniakowego.
Ammonifikacja w warunkach aerobowych
Ammonifikacja aerobowa to proces, w którym mikroorganizmy aerobowe utleniają i rozkładają związki azotu organicznego w środowisku bogatym w tlen.Ma szybkie tempo reakcji i wysoką wydajność konwersji, służący jako podstawowa forma przekształcania azotu organicznego w fazie aerobowej oczyszczania ścieków (np. zbiornik do nawilżania w procesie osadów aktywnych).
Drogi przekształcania białkowego azotu organicznego
Białko jest jednym z najczęstszych zanieczyszczeń organicznych azotem w zbiornikach wodnych, a jego przekształcenie w azot amoniaku obejmuje dwie kluczowe reakcje.katalizowane przez proteasy wydzielane przez mikroorganizmy aeroboweProteasy, w tym trypsyna i pepsyna, wykazują specyficzność w łączeniu wiązań peptydowych w molekułach białka.Drugi etap to odtwarzanie aminokwasów, podstawowy proces ammonifikacji, w którym aminokwasy, pod działaniem deaminazy, tracą swoją grupę aminokwasową (NH2) poprzez deaminację oksydacyjną, redukcyjną lub hydrolityczną,przekształcanie go w azot amoniaku.
Przykładowo odtwarzanie oksydacyjne, jego reakcję można przedstawić jako:
ce{R-CH(NH2)-COOH + O2 -> R-CO-COOH + NH3}
Amoniak (ce{NH3}) wytworzony w reakcji łączy się z jonami wodoru w wodzie w celu utworzenia jonów amonu (ce{NH^{+}_{4}}).Kiedy pH jest alkaliczne, amoniak (ce{NH3}) dominuje; gdy pH jest kwaśne, dominują jony amonu (ce{NH^{+}_{4}}).
2Drogi przekształcania azotu organicznego w związkach moczowych
Pitanek jest istotnym składnikiem azotu organicznego w ściekach domowych.występujące w łagodnych warunkach i szybko przebiegające w środowisku aerobowymUreza rozbija wiązanie amidowe w cząsteczce mocznika, bezpośrednio rozkładając go na azot amonowy i dwutlenek węgla.
ce{CO(NH2)2 + H2O -> 2NH3 + CO2}
Reakcja ta nie wymaga pośredniego etapu aminokwasów, wykazuje niezwykle wysoką wydajność konwersji i służy jako jedno z głównych źródeł azotu amoniaku w ściekach domowych.
(2) Ammonifikacja w warunkach beztlenowych
Ammonifikacja beztlenowa to proces, w którym beztlenowe lub fakultatywne mikroorganizmy beztlenowe fermentują i rozkładają związki azotu organicznego w środowisku pozbawionym tlenu,często występujące w fazach beztlenowych oczyszczania ścieków (np. w beztlenowych trawnikach)W porównaniu z amonifikacją aerobową,Anaerobowa ammonifikacja następuje w wolniejszym tempie i towarzyszy jej wytwarzanie gazów takich jak metan i siarczan wodoru.
Rozkład azotu organicznego przez mikroorganizmy beztlenowe rozpoczyna się również od hydrolizy związków organicznych makromolekularnych, takich jak białka,które są rozkładane na aminokwasy przez proteasy beztlenoweNastępnie aminokwasy uwalniają azot amoniakowy poprzez redukcyjną deaminację lub fermentacyjną deaminację.
ce{R-CH(NH2)-COOH + 2H -> R-CH2-COOH + NH3}
Ponadto w środowiskach beztlenowych mikroorganizmy mogą stopniowo rozkładać złożone organiczne związki azotu, takie jak kwasy nukleinowe i gumo, uwalniając azot amoniaku.proces konwersji jest bardziej złożony i obejmuje synergistyczne działanie wielu enzymów.
II. Główne grupy drobnoustrojów zaangażowane w amonifikację
Istotą amonifikacji jest proces metaboliczny mikroorganizmów, obejmujący różnorodne gatunki drobnoustrojów, w tym bakterie, grzyby, aktynomycety i inne.Różne mikroorganizmy wykazują różne zdolności do rozkładania azotu organicznego i adaptacji do warunków środowiskowych.
` ` ` 1) Grupy bakterii ` `
Bakterie są dominującymi mikroorganizmami w amonifikacji, głównie podzielonymi na typy aerobowe i beztlenowe.i Proteus, które szybko rozmnażają się w warunkach aerobowych i wykazują wysoką aktywność proteazy i deaminazy, umożliwiając skuteczne rozkład białek i aminokwasów.Bakterie amonifikujące są reprezentowane przez rodzaje takie jak Clostridium i metanogenyClostridium może rozkładać białka w warunkach beztlenowych w celu wytworzenia azotu amoniaku i kwasów organicznych.natomiast metanogeny wykorzystują proste organiczne związki azotu do dalszego fermentacji i uczestniczą w reakcjach amonifikacyjnych.
(2) Hodowle grzybów i aktynomycetów
Grzyby i aktynomycety odgrywają również ważną rolę w konwersji azotu organicznego, zwłaszcza w oczyszczaniu ścieków zawierających złożony azot organiczny,Wydobycie odpadów, w tym odpady druku i farbowania oraz odpady farmaceutyczneGrzyby, takie jak Aspergillus i Penicillium, mogą wydzielać różne enzymy pozakomórkowe, które rozkładają związany azot organiczny w odważne związki organiczne, takie jak celuloza i lignina.rodzaj aktinomycetówEnzymy wytwarzane w wyniku ich metabolizmu mogą rozbijać stabilną strukturę substancji huminowych i uwalniać azot amoniakowy.
3, Kluczowe czynniki wpływające na przekształcanie azotu organicznego w azot amoniakowy
Skuteczność ammonizacji zależy od różnych czynników środowiskowych i właściwości podłoża.regulacja tych czynników może skutecznie poprawić szybkość konwersji azotu organicznego do azotu amoniakowego, tworząc sprzyjające warunki dla późniejszej nitryfikacji i denitryfikacji.
(1) Temperatura
Temperatura jest podstawowym czynnikiem wpływającym na aktywność enzymów drobnoustrojowych, bezpośrednio określającym szybkość reakcji ammonifikacyjnej.Odpowiednia temperatura wzrostu dla mikroorganizmów amonifikujących wynosi 20 °C -35 °CW tym zakresie temperatur aktywność enzymu jest wysoka, natomiast szybkość reakcji amonifikacyjnej przyspiesza wraz ze wzrostem temperatury.znacząco zmniejsza się tempo metabolizmu mikroorganizmów, aktywność enzymatyczna jest hamowana, a skuteczność ammonifikacji znacznie zmniejsza się; gdy temperatura przekracza 40 °C, białka enzymatyczne w komórkach drobnoustrojów ulegają denaturacji,prowadzące do stagnacji reakcji amonifikacyjnejW rzeczywistym oczyszczaniu ścieków,często konieczne jest wydłużenie czasu retencji hydraulicznej lub zwiększenie stężenia osadu w warunkach niskiej temperatury w zimie w celu zrekompensowania spadku efektywności amonifikacji.
(2) Wartość pH
Wartość pH wpływa pośrednio na amonifikację poprzez wpływanie na środowisko wzrostu i aktywność enzymatyczną mikroorganizmów.0, podczas których aktywność proteazy i deaminazy mikroorganizmów jest najwyższa; gdy wartość pH jest poniżej 5,5 lub powyżej 9.0, strukturę przestrzenną enzymu zostanie zakłócona, wzrost drobnoustrojów zostanie zahamowany, a reakcja amonifikacyjna zostanie zahamowana.Anaerobowe mikroorganizmy amonifikujące mają stosunkowo szeroki zakres adaptacyjności do wartości pH, z odpowiednim zakresem pH 6,0-7.5. Środowisko lekko kwaśne sprzyja bardziej metabolizmowi fermentacyjnemu beztlenowych bakterii amonifikujących.który z kolei wpływa na podaż substratu do kolejnych reakcji nitryfikacyjnych.
(3) Rozpuszczony tlen (DO)
Rozpuszczony tlen jest kluczowym warunkiem odróżniania amonifikacji aerobowej od amonifikacji beztlenowej.stężenie tlenu rozpuszczonego musi być utrzymywane na poziomie 2 mg/L-4 mg/L w celu zaspokojenia zapotrzebowania oddechowego mikroorganizmów ammonifikacji aerobowejW tym czasie dominuje amonifikacja aerobowa, a wydajność konwersji jest wysoka; gdy stężenie tlenu rozpuszczonego jest poniżej 0,5 mg/l, aktywność mikroorganizmów aerobowych jest hamowana,i anaerobowe ammonifikujące mikroorganizmy stają się dominującą grupą drobnoustrojówW procesach takich jak A 2/O i oksydacja w kanale oczyszczania ścieków proces synergistyczny amonifikacji azotu organicznego, nitryfikacjii denitryfikacji można osiągnąć poprzez kontrolowanie stężenia rozpuszczonego tlenu w różnych obszarach.
(4) Rodzaje i stężenia substratów azotu organicznego
Rodzaj i stężenie matrycy azotu organicznego bezpośrednio wpływają na szybkość i stopień amonifikacji.Małe cząsteczki organicznych związków azotu (takich jak aminokwasy i mocznik) mogą być bezpośrednio wchłaniane i wykorzystywane przez mikroorganizmy, z szybkim tempem konwersji amonifikacyjnej;Związki dużych cząsteczek azotu organicznego (takie jak białka i kwasy nukleinowe) muszą podlegać reakcjom hydrolizy, aby rozkładać się na substancje małych cząsteczekPonadto, gdy stężenie azotu organicznego jest zbyt wysokie, może to powodować zaburzenia równowagi ciśnienia osmocy komórek drobnoustrojowych,hamowanie wzrostu drobnoustrojówW przypadku, gdy stężenie jest zbyt niskie, nie może zapewnić wystarczającego odżywiania dla mikroorganizmów, a skuteczność reakcji amonifikacyjnej jest niska.dla ścieków o wysokim stężeniu azotu organicznego, procesy wstępnej obróbki (takie jak zakwaszanie hydrolizą) są często stosowane do rozkładu dużego cząsteczkowego azotu organicznego na małe substancje cząsteczkowe,zwiększając w ten sposób skuteczność późniejszej obróbki amonifikacyjnej.
(5) Struktura społeczności drobnoustrojów
Różnorodność i obfitość społeczności drobnoustrojów są podstawowymi czynnikami biologicznymi wpływającymi na ammonifikację.Jeżeli różnorodność mikroorganizmów amonifikujących w układzie jest obfite, a liczba dominujących grup bakterii jest wystarczająca,, wydajność rozkładu i przekształcenia azotu organicznego jest wyższa.w przypadku, gdy struktura społeczności drobnoustrojów jest pojedyncza lub występują substancje hamujące (np. metale ciężkie), toksyczne związki organiczne), które powodują śmierć dominujących społeczności drobnoustrojów, ammonizacja będzie poważnie dotknięta.skuteczne społeczności mikrobiologiczne ammonizujące można szybko utworzyć poprzez dodanie środków ammonizujących lub szczepienie dojrzałego osadu, skracając cykl uruchamiania systemu.
4, Znaczenie środowiskowe i inżynieryjne przekształcania azotu organicznego w azot amoniaku
Przetwarzanie azotu organicznego w azot amoniakowy jest kluczowym ogniwem w cyklu azotu i ma znaczące znaczenie zarówno w środowiskach naturalnych, jak i w projektach oczyszczania ścieków.
W naturalnych zbiornikach wodnych azot amoniakowy wytwarzany przez ammonifikację może stanowić źródło azotu dla fitoplanktonu, glonów itp., sprzyjając cyklowi materiału ekosystemów wodnych;nadmiar azotu amoniakowego może prowadzić do eutrofizacji zbiorników wodnychW inżynierii oczyszczania ścieków amonifikacja jest warunkiem wstępnym dla biologicznej denitryfikacji. Only by efficiently converting organic nitrogen into ammonia nitrogen can sufficient substrates be provided for subsequent nitrification reactions (ammonia nitrogen converted to nitrate nitrogen) and denitrification reactions (nitrate nitrogen converted to nitrogen)Ponadto w procesie trawienia beztlenowegoazot amoniakowy wytwarzany przez ammonifikację może zneutralizować kwasy organiczne wytwarzane podczas procesu trawienia, utrzymuje stabilność wartości pH systemu i zapewnia płynne przebieg trawienia beztlenowego.
V. Wniosek
Przetwarzanie azotu organicznego w azot amoniakowy jest złożonym procesem mediującym mikroorganizmy, na który wpływa wiele czynników, takich jak temperatura, wartość pH, rozpuszczony tlen,i właściwości podłoża. A deep understanding of the mechanism and influencing factors of ammonification has important theoretical and practical significance for optimizing sewage treatment processes and improving biological nitrogen removal efficiencyW związku z ciągłym doskonaleniem wymogów w zakresie zarządzania środowiskiem wodnym konieczne jest dalsze badanie mechanizmu regulacji metabolicznej mikroorganizmów amonifikujących,opracowanie w przyszłości skutecznych środków przeciwbakteryjnych i strategii optymalizacji procesów, a także zapewnić większe wsparcie techniczne w celu rozwiązania problemu zanieczyszczenia azotem w zbiornikach wodnych.
