Omfattende analyse av den biologiske transformasjonsprosessen av nitrogen i kloakk

Innen avløpsvannbehandling er biologisk omdanning av nitrogen kjerneprosessen for å oppnå nitrogen- og fosforfjerning og oppfylle utslippsstandarder. Denne prosessen involverer ikke en enkelt reaksjon, men snarere en koordinert fullføring av tre nøkkeltrinn: ammonifisering, nitrifikasjon og denitrifikasjon. Sammen omdanner disse trinnene gradvis komplekst organisk nitrogen og uorganisk nitrogen i avløpsvannet til ufarlig nitrogengass, noe som fundamentalt reduserer nitrogenbelastningen i vannforekomster.

Introduksjon
Nitrogen i kloakk finnes først og fremst i form av organisk nitrogen (som protein og urea) og ammoniakknitrogen. Direkte utslipp kan føre til miljøproblemer som eutrofiering av vannforekomster. Biologiske behandlingsmetoder, med sine fordeler med høy effektivitet og økonomi, har blitt hovedteknologien for nitrogenfjerning fra kloakk. Kjerneprinsippet er å utnytte de metabolske aktivitetene til forskjellige mikroorganismer under spesifikke miljøforhold for gradvis å transformere nitrogenelementer, og til slutt oppnå gassformig fjerning fra vannmasser til atmosfæren. Det følgende vil systematisk dissekere kjernemekanismen i denne prosessen.

Ammonifisering er det første trinnet i nitrogenfjerning fra avløpsvann, og refererer til omdannelsen av organiske nitrogenforbindelser til
Prosessen forenkles først og fremst av ammonifisering av bakterier. Avhengig av oksygeninnholdet i miljøet, kan det kategoriseres i to veier: aerob transformasjon og anaerob transformasjon
1. Aerob transformasjon
Under aerobe forhold deltar mikroorganismer som Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus og facultative Proteus vulgaris i reaksjonen, og bryter først og fremst ned organisk nitrogen gjennom to hovedmekanismer:
• Oksidativ deaminering: Under katalyse av oksidaser mister aminosyrer gradvis sine aminogrupper for å generere ketosyrer og ammoniakk.
Ta alanin som et eksempel:
CH3CH(NH2)COOH→ CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3

(Alanin → Iminopropionsyre → Pyrodruesyre + Ammoniakk)
• Hydrolyse av ammoniakk: Under påvirkning av hydrolytiske enzymer hydrolyseres nitrogen-holdige organiske forbindelser som urea for å produsere ammoniakk.
Ureahydrolysereaksjon:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
Bakteriene som er involvert i denne prosessen inkluderer aerobe bakterier som Enterococcus faecalis og Bacillus urea.

2. Anaerob konvertering
I anaerobe eller oksygenmangel-miljøer fullfører anaerobe og fakultative anaerobe mikroorganismer ammonifisering gjennom tre veier:
• Reduksjon og deaminering:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• Vann-basert ammoniakkfjerning:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• Dehydrering og deaminering:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
 

Nitrifikasjon er den andre kjernereaksjonen som oksiderer NH3−N til NOx−N, som fullføres synergistisk av nitrittbakterier og nitratbakterier, og er delt inn i to stadier: nitritasjon og nitrifikasjon
1. Reaksjonsmekanisme
• Nitritasjonsreaksjon (dominert av nitrittbakterier):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5kJ
• Nitrifikasjonsreaksjon (dominert av nitrobakterier):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• Generell reaksjonsformel:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69kJ

2. Nøkkelprosessegenskaper
• Høyt oksygenbehov: Teoretisk forbruk på 4,2g per fjerning av 1g, derfor må nitrifikasjonsreaksjonen utføres under tilstrekkelige luftingsforhold.
• Lav veksthastighet: Nitrifiserende bakterier har ekstremt lavt celleutbytte, og de er mer utsatt for utilstrekkelig aktivitet i de kalde vintermånedene. Derfor er det nødvendig å opprettholde en høy slamkonsentrasjon for å sikre behandlingseffektivitet.
• Alkalinitetsforbruk: Reaksjonen genererer en stor mengde H+. Teoretisk forbrukes 7,54 g alkalitet (kalkulert som CaCO3) for hver 1 g oksidasjon. Det er nødvendig å opprettholde systemets pH-stabilitet ved å tilsette alkaliske midler.

Denitrifikasjon er det siste trinnet i nitrogenfjerning fra avløpsvann. Det refererer til prosessen der denitrifiserende bakterier reduserer NOx−N og andre nitrogenoksider til nitrogengass eller gassformige nitrogenoksider som elektronakseptorer under anaerobe eller oksygenmangel-(DO < 0,3~0,5mg/L) forhold.
1. Reaksjonsmekanisme
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Fullstendig reduksjonsreaksjon (tar organiske forbindelser som elektrondonorer som eksempel):
NO3−+5[H] (elektrondonor) → 0,5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (elektrondonor) → 0,5N2 + H2O + OH−

2. Karbonkildekrav og mikrobielle egenskaper

• Forbruk av karbonkilder: Teoretisk er det nødvendig med 2,86 g karbonkilde for å omdanne 1 g nitratnitrogen til N2, og 1,71 g organisk materiale er nødvendig for å omdanne 1 g nitrittnitrogen.
• Mangfold av elektrondonorer: [H] kan tilveiebringes av organiske forbindelser, sulfider, etc., og tilbyr flere karbonkilder for prosessoptimalisering.
• Mikrobielle egenskaper: Denitrifiserende bakterier er for det meste fakultative bakterier, som respirerer ved å bruke O2 som den terminale elektronakseptoren i nærvær av oksygen, og bruker NOx−N for respirasjon i fravær av oksygen. Denne egenskapen er kjernegrunnlaget for den anoksiske denitrifikasjonsprosessen.
 

Sammendrag
Den biologiske omdanningen av nitrogen i kloakk er en kjedeprosess som henger sammen:
Ammonifisering bryter ned organiske nitrogenmolekyler og frigjør ammoniakknitrogen;
Nitrifikasjon innebærer gradvis oksidasjon av ammoniakknitrogen til nitratnitrogen i et aerobt miljø;
Denitrifikasjon reduserer nitratnitrogen til nitrogengass i anoksiske miljøer, og oppnår til slutt fjerning av nitrogen fra vannmasser til atmosfæren.
Den effektive driften av denne prosessen er avhengig av nøyaktig kontroll over nøkkelparametere som oksygeninnhold, alkalitet, karbonkilde og temperatur, og fungerer som den tekniske kjernestøtten for å oppnå stabil nitrogenfjerning i moderne urbane avløpsanlegg og industriell avløpsvannbehandling.