Dalam bidang rawatan air sisa, transformasi biologi nitrogen adalah proses teras untuk mencapai penyingkiran nitrogen dan fosforus dan memenuhi piawaian pelepasan. Proses ini tidak melibatkan tindak balas tunggal, sebaliknya penyelesaian terkoordinasi tiga langkah utama: ammonifikasi, nitrifikasi, dan denitrifikasi. Bersama-sama, langkah-langkah ini secara beransur-ansur menukar nitrogen organik kompleks dan nitrogen tak organik dalam air sisa kepada gas nitrogen tidak berbahaya, secara asasnya mengurangkan beban nitrogen dalam badan air.
pengenalan
Nitrogen dalam kumbahan terutamanya wujud dalam bentuk nitrogen organik (seperti protein dan urea) dan nitrogen ammonia. Pelepasan terus boleh membawa kepada isu alam sekitar seperti eutrofikasi badan air. Kaedah rawatan biologi, dengan kelebihan kecekapan tinggi dan ekonomi, telah menjadi teknologi arus perdana untuk penyingkiran nitrogen daripada kumbahan. Prinsip teras adalah untuk menggunakan aktiviti metabolik mikroorganisma yang berbeza di bawah keadaan persekitaran tertentu untuk mengubah unsur nitrogen secara beransur-ansur, akhirnya mencapai penyingkiran gas dari badan air ke atmosfera. Yang berikut akan secara sistematik membedah mekanisme teras proses ini.
I. Ammonifikasi: penukaran nitrogen organik kepada nitrogen ammonia
Ammonifikasi ialah langkah pertama dalam penyingkiran nitrogen daripada air sisa, merujuk kepada penukaran sebatian nitrogen organik menjadi
Proses ini terutamanya difasilitasi oleh bakteria ammonifikasi. Bergantung kepada kandungan oksigen persekitaran, ia boleh dikategorikan kepada dua laluan: transformasi aerobik dan transformasi anaerobik
1. Transformasi aerobik
Di bawah keadaan aerobik, mikroorganisma seperti Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus, dan Proteus vulgaris fakultatif mengambil bahagian dalam tindak balas, terutamanya merendahkan nitrogen organik melalui dua mekanisme utama:
• Deaminasi oksidatif: Di bawah pemangkinan oksidase, asid amino secara beransur-ansur kehilangan kumpulan aminonya untuk menghasilkan asid keto dan ammonia.
Mengambil alanin sebagai contoh:
CH3CH(NH2)COOH→ CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3
(Alanine → Asid iminopropionik → Asid piruvat + Ammonia)
• Hidrolisis ammonia: Di bawah tindakan enzim hidrolitik, nitrogen-yang mengandungi sebatian organik seperti urea dihidrolisiskan untuk menghasilkan ammonia.
Tindak balas hidrolisis urea:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
Bakteria yang terlibat dalam proses ini termasuk bakteria aerobik seperti Enterococcus faecalis dan Bacillus urea.
2. Penukaran anaerobik
Dalam persekitaran anaerobik atau kekurangan oksigen-, mikroorganisma anaerobik anaerobik dan fakultatif melengkapkan ammonifikasi melalui tiga laluan:
• Pengurangan dan deaminasi:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• Air-penyingkiran ammonia:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• Dehidrasi dan deaminasi:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
II. Nitrifikasi: Pengoksidaan nitrogen ammonia kepada nitrogen nitrat
Nitrifikasi ialah tindak balas teras kedua yang mengoksidakan NH3−N kepada NOx−N, yang dilengkapkan secara sinergi oleh bakteria nitrit dan bakteria nitrat, dan dibahagikan kepada dua peringkat: nitritasi dan nitrifikasi
1. Mekanisme tindak balas
• Tindak balas nitrit (didominasi oleh bakteria nitrit):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5kJ
• Tindak balas nitrifikasi (didominasi oleh nitrobakteria):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• Formula tindak balas keseluruhan:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69kJ
2. Ciri-ciri proses utama
• Permintaan oksigen yang tinggi: Penggunaan teori sebanyak 4.2g setiap penyingkiran 1g, oleh itu tindak balas nitrifikasi perlu dijalankan di bawah keadaan pengudaraan yang mencukupi.
• Kadar pertumbuhan yang rendah: Bakteria pengnitrogen mempunyai hasil sel yang sangat rendah, dan mereka lebih terdedah kepada aktiviti yang tidak mencukupi semasa musim sejuk. Oleh itu, adalah perlu untuk mengekalkan kepekatan enapcemar yang tinggi untuk memastikan kecekapan rawatan.
• Penggunaan kealkalian: Tindak balas menjana sejumlah besar H+. Secara teorinya, 7.54g kealkalian (dikira sebagai CaCO3) digunakan untuk setiap 1g pengoksidaan. Ia adalah perlu untuk mengekalkan kestabilan pH sistem dengan menambah agen alkali.
III. Denitrifikasi: Pengurangan nitrogen nitrat kepada gas nitrogen
Denitrifikasi adalah langkah terakhir dalam penyingkiran nitrogen daripada air sisa. Ia merujuk kepada proses di mana bakteria denitrifikasi mengurangkan NOx−N dan oksida nitrogen lain kepada gas nitrogen atau oksida nitrogen gas sebagai penerima elektron di bawah keadaan kekurangan -anaerobik atau oksigen (DO < 0.3~0.5mg/L).
1. Mekanisme tindak balas
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Tindak balas pengurangan lengkap (mengambil sebatian organik sebagai penderma elektron sebagai contoh):
NO3−+5[H] (penderma elektron) → 0.5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (penderma elektron) → 0.5N2 + H2O + OH−
2. Keperluan sumber karbon dan ciri mikrob
• Penggunaan sumber karbon: Secara teorinya, 2.86g sumber karbon diperlukan untuk menukar 1g nitrogen nitrat kepada N2, dan 1.71g bahan organik diperlukan untuk menukar 1g nitrogen nitrit.
• Kepelbagaian penderma elektron: [H] boleh disediakan oleh sebatian organik, sulfida, dsb., menawarkan pelbagai pilihan sumber karbon untuk pengoptimuman proses.
• Ciri mikrob: Bakteria pendenitrifikasi kebanyakannya bakteria fakultatif, yang bernafas menggunakan O2 sebagai penerima elektron terminal dengan kehadiran oksigen, dan menggunakan NOx−N untuk pernafasan tanpa kehadiran oksigen. Ciri ini adalah asas teras proses denitrifikasi anoksik.
Ringkasan
Transformasi biologi nitrogen dalam kumbahan adalah proses rantaian yang saling berkaitan:
Ammonifikasi memecahkan molekul nitrogen organik, membebaskan nitrogen ammonia;
Nitrifikasi melibatkan pengoksidaan beransur-ansur nitrogen ammonia kepada nitrogen nitrat dalam persekitaran aerobik;
Denitrifikasi mengurangkan nitrogen nitrat kepada gas nitrogen dalam persekitaran anoksik, akhirnya mencapai penyingkiran nitrogen dari badan air ke atmosfera.
Operasi yang cekap bagi proses ini bergantung pada kawalan tepat ke atas parameter utama seperti kandungan oksigen, kealkalian, sumber karbon dan suhu, dan berfungsi sebagai sokongan teknikal teras untuk mencapai penyingkiran nitrogen yang stabil dalam loji air sisa bandar moden dan rawatan air sisa industri.