In de stikstofcyclus van afvalwaterzuiveringssystemen en natuurlijke aquatische milieus is de omzetting van organische stikstof in ammoniakstikstof een van de kernprocessen. Dit proces, bekend als ammonificatie, dient als een fundamentele stap in de stikstoftransformatie en heeft een directe invloed op de efficiëntie van daaropvolgende denitrificatie en andere stikstofverwijderingsreacties. Het speelt een cruciale rol bij het beheersen van stikstofvervuiling in waterlichamen. Organische stikstof is wijdverbreid aanwezig in huishoudelijk rioolwater, industrieel afvalwater en natuurlijke waterlichamen, met als primaire bronnen stikstofhoudende organische verbindingen zoals eiwitten, aminozuren, ureum, nucleïnezuren en humusachtige stoffen. Deze stoffen moeten worden afgebroken via microbiële metabolische processen, en uiteindelijk worden omgezet in ammoniakstikstof (ce{NH3-N} of ce{NH^{+}_{4}-N}), die vervolgens deelneemt aan de daaropvolgende stikstofmigratie en -transformatie.
1. Het kernproces van de omzetting van organische stikstof in ammoniak Stikstof: ammonificatie
Ammonificatie verwijst naar de biochemische reactie waarbij stikstofhoudende groepen in organische stikstofverbindingen geleidelijk worden afgebroken onder de katalyse van micro-organismen, waarbij uiteindelijk ammoniakstikstof vrijkomt. Afhankelijk van de betrokken soorten micro-organismen en de reactieomstandigheden kan ammonificatie worden ingedeeld in aerobe en anaerobe ammonificatie. Hoewel hun reactiewegen en dominante micro-organismen verschillen, bestaan de eindproducten voornamelijk uit ammoniakstikstof.
Ammonificatie onder aërobe omstandigheden
Aërobe ammonificatie is het proces waarbij aerobe micro-organismen organische stikstofverbindingen oxideren en afbreken in een zuurstofrijke omgeving. Het beschikt over snelle reactiesnelheden en een hoge conversie-efficiëntie en dient als de primaire vorm van organische stikstofomzetting in de aërobe fase van de afvalwaterzuivering (zoals de beluchtingstank in het actiefslibproces).
Transformatieroutes van eiwitachtige organische stikstof
Eiwit is een van de meest voorkomende organische stikstofverontreinigende stoffen in waterlichamen, en de omzetting ervan in ammoniakstikstof omvat twee belangrijke reacties. De eerste stap is eiwithydrolyse, gekatalyseerd door proteasen die worden uitgescheiden door aërobe micro-organismen, die grote eiwitmoleculen afbreken tot kleinere polypeptiden en aminozuren. Proteasen, waaronder trypsine en pepsine, vertonen specificiteit bij het splitsen van peptidebindingen in eiwitmoleculen. De tweede stap is aminozuurdeaminatie, het kernproces van ammonificatie, waarbij aminozuren, onder invloed van deaminase, hun aminogroep (NH₂) verliezen door oxidatieve deaminatie, reductieve deaminatie of hydrolytische deaminatie, waardoor deze wordt omgezet in ammoniakstikstof.
Als we oxidatieve deaminatie als voorbeeld nemen, kan de reactie ervan worden weergegeven als:
ce{R-CH(NH2)-COOH + O2 -> R-CO-COOH + NH3}
De ammoniak (ce{NH3}) die door de reactie wordt gegenereerd, combineert met waterstofionen in water om ammoniumionen te vormen (ce{NH^{+}_{4}}). De verhouding tussen beide is afhankelijk van de pH van het water. Wanneer de pH alkalisch is, overheerst ammoniak (ce{NH3}); wanneer de pH zuur is, domineren ammoniumionen (ce{NH^{+}_{4}}).
2. Transformatieroutes van organische stikstof in ureumverbindingen
Ureum is een belangrijk bestanddeel van organische stikstof in huishoudelijk rioolwater. Het ammonificatieproces wordt gekatalyseerd door urease, vindt plaats onder milde omstandigheden en verloopt snel in een aërobe omgeving. Urease verbreekt de amidebinding in het ureummolecuul en ontleedt het direct in ammoniumstikstof en kooldioxide. De reactievergelijking is als volgt:
ce{CO(NH2)2 + H2O -> 2NH3 + CO2}
Deze reactie vereist geen tussenfase van aminozuren, vertoont een extreem hoge omzettingsefficiëntie en dient als een van de belangrijkste bronnen van ammoniakstikstof in huishoudelijk afvalwater.
(2) Ammonificatie onder anaërobe omstandigheden
Anaerobe ammonificatie is het proces waarbij anaerobe of facultatieve anaerobe micro-organismen organische stikstofverbindingen fermenteren en afbreken in een zuurstofvrije omgeving, wat gewoonlijk voorkomt in de anaerobe fasen van de afvalwaterzuivering (zoals anaerobe vergisters), sedimenten en hypoxische waterlichamen. Vergeleken met aërobe ammonificatie verloopt anaërobe ammonificatie langzamer en gaat gepaard met de productie van gassen zoals methaan en waterstofsulfide.
De afbraak van organische stikstof door anaërobe micro-organismen begint ook met de hydrolyse van macromoleculaire organische verbindingen, zoals eiwitten, die door anaërobe proteasen worden afgebroken tot aminozuren. Vervolgens geven de aminozuren ammoniakstikstof af via reductieve deaminatie of fermentatieve deaminatie. Als we reductieve deaminering als voorbeeld nemen, is de reactievergelijking:
ce{R-CH(NH2)-COOH + 2H -> R-CH2-COOH + NH3}
Bovendien kunnen in anaerobe omgevingen complexe organische stikstofverbindingen zoals nucleïnezuren en humus ook geleidelijk worden afgebroken door micro-organismen, waarbij ammoniakstikstof vrijkomt. Het conversieproces is echter complexer en omvat de synergetische werking van meerdere enzymen.
II. Grote microbiële groepen betrokken bij ammonificatie
De essentie van ammonificatie is het metabolische proces van micro-organismen, waarbij een breed scala aan microbiële soorten betrokken is, waaronder bacteriën, schimmels, actinomyceten en meer. Verschillende micro-organismen vertonen variaties in hun vermogen om organische stikstof af te breken en hun aanpassingsvermogen aan omgevingsomstandigheden.
```(1) Bacteriële groepen```
Bacteriën zijn de dominante micro-organismen bij de ammonificatie, voornamelijk onderverdeeld in aerobe en anaerobe typen. Aërobe ammonificerende bacteriën omvatten geslachten zoals Bacillus, Pseudomonas en Proteus, die zich snel vermenigvuldigen onder aerobe omstandigheden en een hoge protease- en deaminase-activiteit vertonen, waardoor een efficiënte afbraak van eiwitten en aminozuren mogelijk wordt. Anaërobe versterkende bacteriën worden vertegenwoordigd door geslachten als Clostridium en methanogenen. Clostridium kan eiwitten onder anaerobe omstandigheden afbreken om ammoniakstikstof en organische zuren te produceren, terwijl methanogenen eenvoudige organische stikstofverbindingen gebruiken voor verdere fermentatie en deelnemen aan ammonificatiereacties.
(2) Schimmel- en actinomycetaxa
Schimmels en actinomyceten spelen ook een belangrijke rol bij de omzetting van organische stikstof, vooral bij de behandeling van afvalwater dat complexe organische stikstof bevat, zoals het bedrukken en verven van afvalwater en farmaceutisch afvalwater. Schimmels zoals Aspergillus en Penicillium kunnen verschillende extracellulaire enzymen afscheiden om gebonden organische stikstof af te breken in recalcitrante organische verbindingen zoals cellulose en lignine; Streptomyces, een geslacht van actinomyceten, heeft een sterk vermogen om humusachtige organische stikstof af te breken. De enzymen die door hun metabolisme worden geproduceerd, kunnen de stabiele structuur van humusstoffen doorbreken en ammoniakstikstof vrijgeven.
3. Sleutelfactoren die de omzetting van organische stikstof in ammoniakstikstof beïnvloeden
De efficiëntie van ammonificatie wordt beïnvloed door verschillende omgevingsfactoren en substraateigenschappen. In rioolwaterzuiveringssystemen kan het reguleren van deze factoren de omzettingssnelheid van organische stikstof in ammoniakstikstof effectief verbeteren, waardoor gunstige omstandigheden worden gecreëerd voor daaropvolgende nitrificatie en denitrificatie.
(1) Temperatuur
Temperatuur is de kernfactor die de microbiële enzymactiviteit beïnvloedt en bepaalt rechtstreeks de snelheid van de ammonificatiereactie. De geschikte groeitemperatuur voor het ammonificeren van micro-organismen is 20 ℃ -35 ℃. Binnen dit temperatuurbereik is de enzymactiviteit hoog en versnelt de ammonificatiereactiesnelheid bij toenemende temperatuur; Wanneer de temperatuur lager is dan 10 ℃, neemt de stofwisselingssnelheid van micro-organismen aanzienlijk af, wordt de enzymactiviteit geremd en neemt de efficiëntie van ammonificatie aanzienlijk af; Wanneer de temperatuur de 40℃ overschrijdt, zullen enzymeiwitten in microbiële cellen denaturatie ondergaan, wat leidt tot stagnatie van de ammonificatiereactie. Bij daadwerkelijke rioolwaterzuivering is het vaak nodig om de hydraulische verblijftijd te verlengen of de slibconcentratie te verhogen onder lage temperatuuromstandigheden in de winter om de afname van de ammonificatie-efficiëntie te compenseren.
(2) PH-waarde
De pH-waarde heeft indirect invloed op de ammonificatie door de groeiomgeving en de enzymactiviteit van micro-organismen te beïnvloeden. Het geschikte pH-bereik voor aerobe ammonificerende micro-organismen is 6,5-8,0, gedurende welke periode de protease- en deaminase-activiteiten van de micro-organismen het hoogst zijn; Wanneer de pH-waarde lager is dan 5,5 of hoger dan 9,0, zal de ruimtelijke structuur van het enzym worden verstoord, zal de microbiële groei worden geremd en zal de ammonificatiereactie worden belemmerd. Anaërobe versterkende micro-organismen hebben een relatief breed aanpassingsbereik aan pH-waarden, met een geschikt pH-bereik van 6,0-7,5. Een licht zure omgeving is gunstiger voor het fermentatiemetabolisme van anaërobe versterkende bacteriën. Bovendien kan de pH-waarde ook de vorm van ammoniakstikstof beïnvloeden, wat op zijn beurt de substraattoevoer voor daaropvolgende nitrificatiereacties beïnvloedt.
(3) Opgeloste zuurstof (DO)
Opgeloste zuurstof is een sleutelvoorwaarde om aerobe ammonificatie te onderscheiden van anaerobe ammonificatie. In een aerobe omgeving moet de concentratie opgeloste zuurstof op 2 mg/l-4 mg/l worden gehouden om te voldoen aan de ademhalingsbehoeften van aerobe ammonificatiemicro-organismen. Op dit moment domineert aerobe ammonificatie en is de conversie-efficiëntie hoog; Wanneer de concentratie opgeloste zuurstof lager is dan 0,5 mg/l, wordt de activiteit van aerobe micro-organismen geremd en worden anaerobe ammonificerende micro-organismen de dominante microbiële groep, wat resulteert in een langzamere ammonificatiereactiesnelheid. Bij processen zoals A²/O en oxidatiesloot bij de rioolwaterzuivering kan het synergetische proces van ammonificatie, nitrificatie en denitrificatie van organische stikstof worden bereikt door de concentratie opgeloste zuurstof in verschillende gebieden te beheersen.
(4) Typen en concentraties van organische stikstofsubstraten
Het type en de concentratie van de organische stikstofmatrix hebben rechtstreeks invloed op de snelheid en mate van ammonificatie. Organische stikstofverbindingen met kleine moleculen (zoals aminozuren en ureum) kunnen direct worden geabsorbeerd en gebruikt door micro-organismen, met een hoge ammonificatie-omzetting; Organische stikstofverbindingen met grote moleculen (zoals eiwitten en nucleïnezuren) moeten hydrolysereacties ondergaan om te worden afgebroken tot stoffen met een klein molecuul, met een langere omzettingsperiode. Wanneer de concentratie organische stikstof te hoog is, kan dit bovendien een onbalans in de osmotische druk van microbiële cellen veroorzaken, waardoor de microbiële groei wordt geremd; Wanneer de concentratie te laag is, kan deze niet voldoende voeding bieden voor micro-organismen en is de efficiëntie van de ammonificatiereactie laag. In de praktijktechniek worden voor hooggeconcentreerd organisch stikstofafvalwater vaak voorbehandelingsprocessen (zoals hydrolyseverzuring) gebruikt om grote moleculaire organische stikstof af te breken in kleine moleculaire stoffen, waardoor de efficiëntie van de daaropvolgende ammonificatiebehandeling wordt verbeterd.
(5) Microbiële gemeenschapsstructuur
De diversiteit en overvloed van microbiële gemeenschappen zijn de belangrijkste biologische factoren die de ammonificatie beïnvloeden. Wanneer de verscheidenheid aan versterkende micro-organismen in het systeem overvloedig is en het aantal dominante bacteriegroepen voldoende is, is de efficiëntie van de afbraak en transformatie van organische stikstof hoger; Integendeel, als de microbiële gemeenschapsstructuur enkelvoudig is of als er remmende stoffen zijn (zoals zware metalen, giftige organische verbindingen) die de dood van dominante microbiële gemeenschappen veroorzaken, zal de ammonificatie ernstig worden aangetast. Tijdens de opstartfase van het rioolwaterzuiveringssysteem kunnen efficiënte ammonificerende microbiële gemeenschappen snel tot stand worden gebracht door het toevoegen van ammonificerende middelen of het inenten van rijp slib, waardoor de inbedrijfstellingscyclus van het systeem wordt verkort.
4, De betekenis voor het milieu en de techniek van de omzetting van organische stikstof in ammoniakstikstof
De omzetting van organische stikstof in ammoniakstikstof is een belangrijke schakel in de stikstofcyclus en is van groot belang in zowel natuurlijke omgevingen als afvalwaterzuiveringsprojecten.
In natuurlijke waterlichamen kan ammoniakstikstof, geproduceerd door ammonificatie, stikstofbronnen leveren voor fytoplankton, algen, enz., waardoor de materiaalcyclus van aquatische ecosystemen wordt bevorderd; Overmatige ammoniakstikstof kan echter leiden tot eutrofiëring van waterlichamen, waardoor milieuproblemen zoals algenbloei en rode getijden ontstaan. In de rioolwaterzuiveringstechniek is ammonificatie een noodzakelijke stap voor biologische denitrificatie. Alleen door organische stikstof efficiënt om te zetten in ammoniakstikstof kunnen voldoende substraten worden voorzien voor daaropvolgende nitrificatiereacties (ammoniakstikstof omgezet in nitraatstikstof) en denitrificatiereacties (nitraatstikstof omgezet in stikstof), waardoor volledige verwijdering van stikstof wordt bereikt. Bovendien kan de door ammonificatie geproduceerde ammoniakstikstof bij het anaerobe vergistingsproces de organische zuren neutraliseren die tijdens het vergistingsproces worden geproduceerd, de stabiliteit van de pH-waarde van het systeem handhaven en een soepel verloop van de anaerobe vergisting garanderen.
V. Conclusie
De omzetting van organische stikstof in ammoniakstikstof is een complex microbieel gemedieerd proces, beïnvloed door meerdere factoren zoals temperatuur, pH-waarde, opgeloste zuurstof en substraateigenschappen. Een diepgaand begrip van het mechanisme en de beïnvloedende factoren van ammonificatie heeft een belangrijke theoretische en praktische betekenis voor het optimaliseren van rioolwaterzuiveringsprocessen en het verbeteren van de biologische efficiëntie van stikstofverwijdering. Met de voortdurende verbetering van de eisen op het gebied van watermilieubeheer is het noodzakelijk om het metabolische regulatiemechanisme van ammonificerende micro-organismen verder te bestuderen, in de toekomst efficiënte ammonificerende bacteriële agentia en procesoptimalisatiestrategieën te ontwikkelen, en sterkere technische ondersteuning te bieden voor het oplossen van het probleem van stikstofvervuiling in waterlichamen.
