В азотном цикле систем очистки сточных вод и естественной водной среды одним из основных процессов является преобразование органического азота в аммиачный азот.известный как аммонификация, служит основополагающим этапом в преобразовании азота, напрямую влияя на эффективность последующей денитрификации и других реакций удаления азота.Он играет решающую роль в борьбе с загрязнением водоемов азотомОрганический азот широко присутствует в бытовых сточных водах, промышленных сточных водах и естественных водоемах, а его основные источники включают содержащие азот органические соединения, такие как белки,аминокислоты, мочевины, нуклеиновых кислот и гуминовых веществ. Эти вещества должны разлагаться в микробиологических метаболических процессах, в конечном итоге превращаясь в аммиачный азот (ce{NH3-N} или ce{NH^{+}_{4}-N}),который затем участвует в последующей миграции и трансформации азота.
1Основной процесс преобразования органического азота в аммиак
Аммонификация относится к биохимической реакции, при которой азотсодержащие группы в органических соединениях азота постепенно разлагаются при катализации микроорганизмов.в конечном итоге высвобождает аммиачный азотВ зависимости от типов участвующих микроорганизмов и условий реакции аммонификация может быть разделена на аэробную и анаэробную.Хотя их пути реакции и доминирующие микроорганизмы отличаются, конечные продукты в основном состоят из азота аммиака.
Аммонификация в аэробных условиях
Аэробная аммонификация - это процесс, посредством которого аэробные микроорганизмы окисляют и расщепляют органические соединения азота в среде, богатой кислородом.Он отличается быстрой скоростью реакции и высокой эффективностью преобразования, служащий основной формой преобразования органического азота в аэробной стадии очистки сточных вод (например, резервуар аэрации в процессе активированного ила).
Пути преобразования белкового органического азота
Белок является одним из наиболее распространенных органических загрязнителей азота в водоемах, и его преобразование в аммиачный азот включает в себя две ключевые реакции.катализируемые протеазами, выделяемыми аэробными микроорганизмамиПротеазы, включая трипсин и пепсин, проявляют специфичность в расщеплении пептидных связей внутри белковых молекул.Второй этап - обеззараживание аминокислот., основной процесс аммонификации, когда аминокислоты, под действием деаминазы, теряют свою аминогруппу (NH2) посредством окислительной деаминации, редуктивной деаминации или гидролитической деаминации,преобразование его в аммиачный азот.
В качестве примера окислительная деаминация, ее реакция может быть представлена как:
ce{R-CH(NH2)-COOH + O2 -> R-CO-COOH + NH3}
Соотношение между ними зависит от рН воды.Когда рН щелочное, преобладает аммиак (ce{NH3}); когда рН кислотный, преобладают ионы аммиака (ce{NH^{+}_{4}}).
2Пути преобразования органического азота в соединения мочевины
Мочевина является важным компонентом органического азота в бытовых сточных водах.возникают в умеренных условиях и быстро развиваются в аэробной средеУреаз разрушает амидную связь в молекуле мочевины, непосредственно разлагая ее на аммиачный азот и углекислый газ.
ce{CO(NH2)2 + H2O -> 2NH3 + CO2}
Эта реакция не требует промежуточной стадии аминокислот, демонстрирует чрезвычайно высокую эффективность преобразования и служит одним из основных источников азота аммиака в бытовых сточных водах.
(2) Аммонификация в анаэробных условиях
Анаэробная аммонификация - это процесс, посредством которого анаэробные или факультативные анаэробные микроорганизмы ферментируют и расщепляют органические соединения азота в среде без кислорода.часто встречаются в анаэробных стадиях очистки сточных вод (например, анаэробные перевариватели)По сравнению с аэробной аммонификацией,Анаэробная аммонификация происходит медленнее и сопровождается выделением таких газов, как метан и сероводород..
Разложение органического азота анаэробными микроорганизмами также начинается с гидролиза макромолекулярных органических соединений, таких как белки,которые распадаются на аминокислоты анаэробными протеазамиВпоследствии аминокислоты высвобождают аммиачный азот посредством редуктивной деаминации или ферментативной деаминации.
ce{R-CH(NH2)-COOH + 2H -> R-CH2-COOH + NH3}
Кроме того, в анаэробной среде микроорганизмы также могут постепенно разлагать сложные органические соединения азота, такие как нуклеиновые кислоты и гумус, высвобождая аммиачный азот.процесс преобразования является более сложным и включает синергетическое действие нескольких ферментов.
II. Основные группы микробов, участвующих в аммонификации
Суть аммонификации - это метаболический процесс микроорганизмов, включающий в себя различные виды микробов, включая бактерии, грибы, актиномицеты и многое другое.Различные микроорганизмы отличаются способностью разлагать органический азот и адаптируются к условиям окружающей среды..
` ` ` 1) Группы бактерий ` `
Бактерии являются доминирующими микроорганизмами в аммонификации, в основном классифицируются на аэробные и анаэробные типы.и Протей, которые быстро размножаются в аэробных условиях и проявляют высокую активность протеазы и деаминазы, что позволяет эффективно разлагать белки и аминокислоты.Анаэробные аммонифицирующие бактерии представлены такими родами, как Clostridium и метаногеныКлостридиум способен разлагать белки в анаэробных условиях для получения азота аммиака и органических кислот.в то время как метаногены используют простые органические соединения азота для дальнейшей ферментации и участвуют в реакциях аммонификации.
(2) Таксоны грибов и актиномицетов
Грибы и актиномицеты также играют важную роль в преобразовании органического азота, особенно при очистке сточных вод, содержащих сложный органический азот.такие как отходы от печати и окрашивания и отходы фармацевтической промышленностиГрибки, такие как Aspergillus и Penicillium, могут выделять различные внеклеточные ферменты для расщепления связанного органического азота в нежелательных органических соединениях, таких как целлюлоза и лигнин.род актиномицетовЭнзимы, вырабатываемые в результате их метаболизма, могут разрушать стабильную структуру гуминовых веществ и высвобождать аммиачный азот.
3Основные факторы, влияющие на преобразование органического азота в аммиачный азот
На эффективность аммонификации влияют различные факторы окружающей среды и характеристики субстрата.регулирование этих факторов может эффективно улучшить скорость преобразования органического азота в аммиачный азот, создавая благоприятные условия для последующей нитрификации и денитрификации.
(1) Температура
Температура является основным фактором, влияющим на активность микробических ферментов, непосредственно определяющим скорость реакции аммонификации.Подходящая температура роста для аммонифицирующих микроорганизмов составляет 20 °C -35 °CВ пределах этого температурного диапазона активность ферментов высока, и скорость реакции аммонификации ускоряется с увеличением температуры.значительно снижается скорость метаболизма микроорганизмовПри температуре, превышающей 40 °C, ферментные белки в микробных клетках подвергаются денатурации.что приводит к стагнации реакции аммонификацииВ фактической очистке сточных вод,часто необходимо продлить время гидравлического удержания или увеличить концентрацию ила в условиях низкой температуры зимой, чтобы компенсировать снижение эффективности аммонификации.
(2) Значение pH
Значение pH косвенно влияет на аммонификацию, влияя на среду роста и ферментальную активность микроорганизмов.0, в течение которых активность протеазы и деаминазы микроорганизмов наиболее высока; когда значение pH ниже 5,5 или выше 9.0, пространственная структура фермента будет нарушена, рост микробов будет ингибирован, а реакция аммонификации будет затруднена.Анаэробные аммонифицирующие микроорганизмы имеют относительно широкий диапазон адаптации к значениям pH, с подходящим диапазоном pH 6,0 - 7.5. Легкокислая среда более благоприятна для ферментационного метаболизма анаэробных аммонифицирующих бактерий. Кроме того, значение pH может также влиять на форму азота аммиака,который, в свою очередь, влияет на подачу субстрата для последующих реакций нитрификации.
(3) Растворенный кислород (DO)
Растворенный кислород является ключевым условием для различения аэробной аммонификации от анаэробной аммонификации.концентрацию растворенного кислорода необходимо поддерживать на уровне 2mg/L-4mg/L для удовлетворения потребностей микроорганизмов аэробной аммонификации в дыхании;В это время преобладает аэробная аммонификация, и эффективность преобразования высока; когда концентрация растворенного кислорода ниже 0,5 мг/л, активность аэробных микроорганизмов ингибируется.и анаэробные аммонифицирующие микроорганизмы становятся доминирующей группой микробовВ таких процессах, как A 2/O и окислительный канав в очистке сточных вод, синергетический процесс органического амонификации азота, нитрификации,и денитрификация может быть достигнута путем контроля концентрации растворенного кислорода в разных областях.
(4) Виды и концентрации органических азотных субстратов
Тип и концентрация матрицы органического азота напрямую влияют на скорость и степень аммонификации.Маломолекулярные органические соединения азота (такие как аминокислоты и мочевина) могут быть непосредственно усваиваться и использоваться микроорганизмами, с быстрой скоростью преобразования аммонификации;Крупномолекулярные органические азотистые соединения (такие как белки и нуклеиновые кислоты) должны проходить реакции гидролиза, чтобы расщепить на малые молекулярные веществаКроме того, когда концентрация органического азота слишком высока, она может вызвать дисбаланс осмотического давления микробиологических клеток,ингибирующий рост микробовПри слишком низкой концентрации она не может обеспечить достаточное питание микроорганизмов, а эффективность реакции аммонификации низкая.для сточных вод с высокой концентрацией органического азотаПроцессы предварительной обработки (например, гидролизная окисление) часто используются для расщепления крупномолекулярного органического азота на мелкие молекулярные вещества.тем самым повышая эффективность последующей обработки аммонификацией.
(5) Структура микробиологического сообщества
Разнообразие и обилие микробных сообществ являются основными биологическими факторами, влияющими на аммонификацию.Когда разнообразие аммонифицирующих микроорганизмов в системе обильно и количество доминирующих бактериальных групп достаточно, эффективность разложения и преобразования органического азота выше.если структура микробиологического сообщества является единственной или присутствуют ингибирующие вещества (например, тяжелые металлы), токсичные органические соединения), которые вызывают гибель доминирующих микробных сообществ, аммонификация будет серьезно затронута.эффективные аммонифицирующие микробные сообщества могут быть быстро установлены путем добавления аммонифицирующих агентов или инъекции зрелого ила, сокращая цикл ввода системы в эксплуатацию.
4, Экологическое и инженерное значение преобразования органического азота в аммиачный азот
Преобразование органического азота в аммиачный азот является ключевым звеном в цикле азота и имеет важное значение как в естественной среде, так и в проектах по очистке сточных вод.
В естественных водоемах аммиачный азот, полученный при аммонификации, может быть источником азота для фитопланктона, водорослей и т. д., способствуя материальному циклу водных экосистем.чрезмерное содержание азота аммиака может привести к эвтрофизации водных объектовВ технике очистки сточных вод аммонификация является необходимым шагом для биологической денитрификации. 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)Кроме того, в процессе анаэробного перевариванияАмониевый азот, полученный при аммонификации, может нейтрализовать органические кислоты, полученные во время процесса переваривания, поддерживает стабильность значения pH системы и обеспечивает плавный процесс анаэробного переваривания.
V. Заключение
Преобразование органического азота в аммиачный азот является сложным микробиологическим процессом, на который влияет множество факторов, таких как температура, значение pH, растворенный кислород,и свойства субстрата. 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 efficiencyВ связи с непрерывным совершенствованием требований к управлению водным окружением необходимо продолжить изучение механизма метаболического регулирования аммонифицирующих микроорганизмов.Разработка эффективных аммонифицирующих бактериальных агентов и стратегий оптимизации процессов в будущем, и обеспечить более сильную техническую поддержку для решения проблемы загрязнения азота в водоемах.
