Trong chu trình nitơ của hệ thống xử lý nước thải và môi trường nước tự nhiên, việc chuyển đổi nitơ hữu cơ thành nitơ amoniac là một trong những quá trình cốt lõi. Quá trình này, được gọi là quá trình amoni hóa, đóng vai trò là bước cơ bản trong quá trình chuyển đổi nitơ, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của quá trình khử nitrat tiếp theo và các phản ứng loại bỏ nitơ khác. Nó đóng một vai trò quan trọng trong việc kiểm soát ô nhiễm nitơ trong các vùng nước. Nitơ hữu cơ có mặt rộng rãi trong nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp và các vùng nước tự nhiên, với nguồn chính bao gồm các hợp chất hữu cơ chứa nitơ như protein, axit amin, urê, axit nucleic và chất humic. Các chất này phải được phân hủy thông qua các quá trình trao đổi chất của vi sinh vật, cuối cùng chuyển thành nitơ amoniac (ce{NH3-N} hoặc ce{NH^{+} _{4}-N}), sau đó tham gia vào quá trình di chuyển và biến đổi nitơ tiếp theo.
1. Quy trình cốt lõi của quá trình chuyển đổi Nitơ hữu cơ thành Nitơ Amoniac—Amoni hóa
Amoni hóa đề cập đến phản ứng sinh hóa trong đó các nhóm chứa nitơ trong hợp chất nitơ hữu cơ bị phân hủy dần dần dưới sự xúc tác của vi sinh vật, cuối cùng giải phóng nitơ amoniac. Tùy thuộc vào loại vi sinh vật tham gia và điều kiện phản ứng, quá trình amoni hóa có thể được phân loại thành amoni hóa hiếu khí và kỵ khí. Mặc dù con đường phản ứng và các vi sinh vật ưu thế của chúng khác nhau nhưng sản phẩm cuối cùng chủ yếu bao gồm nitơ amoniac.
Amoni hóa trong điều kiện hiếu khí
Amoni hóa hiếu khí là quá trình các vi sinh vật hiếu khí oxy hóa và phân hủy các hợp chất nitơ hữu cơ trong môi trường giàu oxy. Nó có tốc độ phản ứng nhanh và hiệu suất chuyển đổi cao, đóng vai trò là hình thức chuyển đổi nitơ hữu cơ chính trong giai đoạn hiếu khí của xử lý nước thải (chẳng hạn như bể sục khí trong quy trình bùn hoạt tính).
Con đường biến đổi của nitơ hữu cơ có protein
Protein là một trong những chất gây ô nhiễm nitơ hữu cơ phổ biến nhất trong các vùng nước và việc chuyển đổi nó thành nitơ amoniac bao gồm hai phản ứng chính. Bước đầu tiên là quá trình thủy phân protein, được xúc tác bởi các protease do vi sinh vật hiếu khí tiết ra, phá vỡ các phân tử protein lớn thành các polypeptide và axit amin nhỏ hơn. Protease, bao gồm trypsin và pepsin, thể hiện tính đặc hiệu trong việc tách các liên kết peptide trong phân tử protein. Bước thứ hai là khử amin, quá trình cốt lõi của quá trình amoni hóa, trong đó các axit amin, dưới tác dụng của deaminase, mất nhóm amin (NH₂) thông qua quá trình khử amin oxy hóa, khử amin hoặc khử amin thủy phân, chuyển nó thành nitơ amoniac.
Lấy sự khử amin oxy hóa làm ví dụ, phản ứng của nó có thể được biểu diễn dưới dạng:
ce{R-CH(NH2)-COOH + O2 -> R-CO-COOH + NH3}
Amoniac (ce{NH3}) được tạo ra bởi phản ứng kết hợp với các ion hydro trong nước tạo thành các ion amoni (ce{NH^{+} _{4}}). Tỷ lệ giữa hai chất này phụ thuộc vào độ pH của nước. Khi độ pH có tính kiềm thì amoniac (ce{NH3}) chiếm ưu thế; khi độ pH có tính axit, các ion amoni (ce{NH^{+} _{4}}) chiếm ưu thế.
2. Con đường chuyển hóa nitơ hữu cơ trong hợp chất urê
Urê là thành phần quan trọng của nitơ hữu cơ trong nước thải sinh hoạt. Quá trình amoni hóa của nó được xúc tác bởi urease, xảy ra trong điều kiện ôn hòa và diễn ra nhanh chóng trong môi trường hiếu khí. Urease phá vỡ liên kết amit trong phân tử urê, trực tiếp phân hủy nó thành nitơ amoni và carbon dioxide. Phương trình phản ứng như sau:
ce{CO(NH2)2 + H2O -> 2NH3 + CO2}
Phản ứng này không yêu cầu giai đoạn trung gian axit amin, cho hiệu suất chuyển đổi cực cao và đóng vai trò là một trong những nguồn cung cấp nitơ amoniac chính trong nước thải sinh hoạt.
(2) Amoni hóa trong điều kiện kỵ khí
Quá trình amoni hóa kỵ khí là quá trình các vi sinh vật kỵ khí hoặc kỵ khí tùy ý lên men và phân hủy các hợp chất nitơ hữu cơ trong môi trường không có oxy, thường xảy ra trong các giai đoạn kỵ khí của xử lý nước thải (như bể phân hủy kỵ khí), trầm tích và các vùng nước thiếu oxy. So với quá trình amoni hóa hiếu khí, quá trình amoni hóa kỵ khí diễn ra với tốc độ chậm hơn và kèm theo việc tạo ra các loại khí như metan và hydro sunfua.
Sự phân hủy nitơ hữu cơ bởi các vi sinh vật kỵ khí cũng bắt đầu bằng quá trình thủy phân các hợp chất hữu cơ cao phân tử, chẳng hạn như protein, được phân hủy thành axit amin bởi các protease kỵ khí. Sau đó, các axit amin giải phóng nitơ amoniac thông qua quá trình khử amin khử hoặc khử amin lên men. Lấy sự khử amin khử làm ví dụ, phương trình phản ứng là:
ce{R-CH(NH2)-COOH + 2H -> R-CH2-COOH + NH3}
Ngoài ra, trong môi trường kỵ khí, các hợp chất nitơ hữu cơ phức tạp như axit nucleic và mùn cũng có thể bị phân hủy dần dần bởi vi sinh vật, giải phóng nitơ amoniac. Tuy nhiên, quá trình chuyển đổi phức tạp hơn và liên quan đến hoạt động hiệp đồng của nhiều enzyme.
II. Các nhóm vi sinh vật chính tham gia vào quá trình Amoni hóa
Bản chất của quá trình amoni hóa là quá trình trao đổi chất của vi sinh vật, liên quan đến nhiều loài vi sinh vật khác nhau, bao gồm vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn, v.v. Các vi sinh vật khác nhau thể hiện sự khác nhau về khả năng phân hủy nitơ hữu cơ và khả năng thích ứng với điều kiện môi trường.
```(1) Nhóm vi khuẩn```
Vi khuẩn là vi sinh vật chiếm ưu thế trong quá trình amoni hóa, chủ yếu được phân loại thành loại hiếu khí và kỵ khí. Vi khuẩn amoni hóa hiếu khí bao gồm các chi như Bacillus, Pseudomonas và Proteus, chúng sinh sôi nảy nở nhanh chóng trong điều kiện hiếu khí và thể hiện hoạt tính protease và deaminase cao, cho phép phân hủy protein và axit amin hiệu quả. Vi khuẩn amoni hóa kỵ khí được đại diện bởi các chi như Clostridium và methanogens. Clostridium có thể phân hủy protein trong điều kiện yếm khí để tạo ra nitơ amoniac và axit hữu cơ, trong khi methanogens sử dụng các hợp chất nitơ hữu cơ đơn giản để lên men tiếp theo và tham gia vào các phản ứng amoni hóa.
(2) Phân loại nấm và xạ khuẩn
Nấm và xạ khuẩn cũng đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển hóa nitơ hữu cơ, đặc biệt là trong xử lý nước thải có chứa nitơ hữu cơ phức tạp, như nước thải in, nhuộm và nước thải dược phẩm. Các loại nấm như Aspergillus và Penicillium có thể tiết ra nhiều loại enzyme ngoại bào để phân hủy nitơ hữu cơ liên kết trong các hợp chất hữu cơ khó phân hủy như cellulose và lignin; Streptomyces, một chi Actinomycetes, có khả năng phân hủy nitơ hữu cơ humic mạnh. Các enzyme được tạo ra trong quá trình trao đổi chất của chúng có thể phá vỡ cấu trúc ổn định của chất humic và giải phóng nitơ amoniac.
3, Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình chuyển đổi nitơ hữu cơ thành nitơ amoniac
Hiệu quả của quá trình amoni hóa bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường và đặc tính cơ chất khác nhau. Trong các hệ thống xử lý nước thải, việc điều chỉnh các yếu tố này có thể cải thiện hiệu quả tỷ lệ chuyển đổi nitơ hữu cơ thành nitơ amoniac, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nitrat hóa và khử nitrat tiếp theo.
(1) Nhiệt độ
Nhiệt độ là yếu tố cốt lõi ảnh hưởng đến hoạt động của enzyme vi sinh vật, quyết định trực tiếp đến tốc độ phản ứng amoni hóa. Nhiệt độ tăng trưởng thích hợp cho vi sinh vật amoni hóa là 20oC -35oC. Trong phạm vi nhiệt độ này, hoạt động của enzyme cao và tốc độ phản ứng amoni hóa tăng tốc khi nhiệt độ tăng; Khi nhiệt độ dưới 10oC, tốc độ trao đổi chất của vi sinh vật giảm đáng kể, hoạt động của enzyme bị ức chế và hiệu quả của quá trình amoni hóa giảm đáng kể; Khi nhiệt độ vượt quá 40oC, protein enzyme trong tế bào vi sinh vật sẽ bị biến tính, dẫn đến phản ứng amoni hóa bị đình trệ. Trong xử lý nước thải thực tế, thường cần kéo dài thời gian lưu thủy lực hoặc tăng nồng độ bùn trong điều kiện nhiệt độ thấp vào mùa đông để bù đắp cho sự giảm hiệu suất amoni hóa.
(2) Giá trị PH
Giá trị pH ảnh hưởng gián tiếp đến quá trình amoni hóa bằng cách ảnh hưởng đến môi trường phát triển và hoạt động enzyme của vi sinh vật. Khoảng pH thích hợp cho vi sinh vật amoni hóa hiếu khí là 6,5-8,0, trong đó hoạt động protease và deaminase của vi sinh vật cao nhất; Khi giá trị pH dưới 5,5 hoặc trên 9,0, cấu trúc không gian của enzyme sẽ bị phá vỡ, sự phát triển của vi sinh vật bị ức chế và phản ứng amoni hóa sẽ bị cản trở. Các vi sinh vật amoni hóa kỵ khí có phạm vi thích ứng tương đối rộng với các giá trị pH, với khoảng pH thích hợp là 6,0-7,5. Môi trường có tính axit nhẹ sẽ thuận lợi hơn cho quá trình lên men chuyển hóa của vi khuẩn amoni kỵ khí. Ngoài ra, giá trị pH cũng có thể ảnh hưởng đến dạng nitơ amoniac, do đó ảnh hưởng đến việc cung cấp chất nền cho các phản ứng nitrat hóa tiếp theo.
(3) Oxy hòa tan (DO)
Oxy hòa tan là điều kiện quan trọng để phân biệt quá trình amoni hóa hiếu khí với quá trình amoni hóa kỵ khí. Trong môi trường hiếu khí, nồng độ oxy hòa tan cần được duy trì ở mức 2mg/L-4mg/L để đáp ứng nhu cầu hô hấp của vi sinh vật amoni hóa hiếu khí. Tại thời điểm này, quá trình amoni hóa hiếu khí chiếm ưu thế và hiệu suất chuyển đổi cao; Khi nồng độ oxy hòa tan dưới 0,5 mg/L, hoạt động của vi sinh vật hiếu khí bị ức chế và vi sinh vật amoni hóa kỵ khí trở thành nhóm vi sinh vật chiếm ưu thế, dẫn đến tốc độ phản ứng amoni hóa chậm hơn. Trong các quy trình như A 2/O và mương oxy hóa trong xử lý nước thải, có thể đạt được quá trình tổng hợp của quá trình amoni hóa nitơ hữu cơ, quá trình nitrat hóa và khử nitrat bằng cách kiểm soát nồng độ oxy hòa tan ở các khu vực khác nhau.
(4) Loại và nồng độ cơ chất nitơ hữu cơ
Loại và nồng độ của nền nitơ hữu cơ ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ và mức độ amoni hóa. Các hợp chất nitơ hữu cơ phân tử nhỏ (như axit amin và urê) có thể được vi sinh vật hấp thụ và sử dụng trực tiếp với tốc độ chuyển đổi amoni hóa nhanh; Các hợp chất nitơ hữu cơ phân tử lớn (như protein và axit nucleic) cần trải qua phản ứng thủy phân để phân hủy thành các chất phân tử nhỏ, với thời gian chuyển đổi dài hơn. Ngoài ra, khi nồng độ nitơ hữu cơ quá cao có thể gây mất cân bằng áp suất thẩm thấu của tế bào vi sinh vật, ức chế sự phát triển của vi sinh vật; Khi nồng độ quá thấp, nó không thể cung cấp đủ dinh dưỡng cho vi sinh vật và hiệu quả của phản ứng amoni hóa thấp. Trong kỹ thuật thực tế, đối với nước thải nitơ hữu cơ nồng độ cao, các quy trình tiền xử lý (như axit hóa thủy phân) thường được sử dụng để phân hủy nitơ hữu cơ phân tử lớn thành các chất phân tử nhỏ, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý amoni hóa tiếp theo.
(5) Cấu trúc cộng đồng vi sinh vật
Sự đa dạng và phong phú của cộng đồng vi sinh vật là yếu tố sinh học cốt lõi ảnh hưởng đến quá trình amoni hóa. Khi sự đa dạng của các vi sinh vật amon hóa trong hệ thống phong phú và số lượng nhóm vi khuẩn chiếm ưu thế đủ thì hiệu quả phân hủy và chuyển hóa nitơ hữu cơ cao hơn; Ngược lại, nếu cấu trúc quần thể vi sinh vật đơn lẻ hoặc có các chất ức chế (như kim loại nặng, hợp chất hữu cơ độc hại) làm chết quần thể vi sinh vật chiếm ưu thế thì quá trình amoni hóa sẽ bị ảnh hưởng nặng nề. Trong giai đoạn khởi động của hệ thống xử lý nước thải, các cộng đồng vi sinh vật amoni hóa hiệu quả có thể nhanh chóng được thiết lập bằng cách thêm các tác nhân amoni hóa hoặc cấy vào bùn trưởng thành, rút ngắn chu trình vận hành hệ thống.
4, Tầm quan trọng về mặt môi trường và kỹ thuật của việc chuyển đổi nitơ hữu cơ thành nitơ amoniac
Việc chuyển đổi nitơ hữu cơ thành nitơ amoniac là một mắt xích quan trọng trong chu trình nitơ và có tầm quan trọng đáng kể trong cả môi trường tự nhiên và các dự án xử lý nước thải.
Trong các vùng nước tự nhiên, nitơ amoniac được tạo ra từ quá trình amoni hóa có thể cung cấp nguồn nitơ cho thực vật phù du, tảo, v.v., thúc đẩy chu trình vật chất của hệ sinh thái dưới nước; Tuy nhiên, nitơ amoniac quá mức có thể dẫn đến hiện tượng phú dưỡng của các vùng nước, gây ra các vấn đề môi trường như tảo nở hoa và thủy triều đỏ. Trong kỹ thuật xử lý nước thải, amoni hóa là bước tiên quyết cho quá trình khử nitrat sinh học. Chỉ bằng cách chuyển đổi hiệu quả nitơ hữu cơ thành nitơ amoniac thì mới có thể cung cấp đủ chất nền cho các phản ứng nitrat hóa tiếp theo (nitơ amoniac chuyển thành nitơ nitrat) và các phản ứng khử nitrat (nitơ nitrat chuyển thành nitơ), loại bỏ hoàn toàn nitơ. Ngoài ra, trong quá trình phân hủy kỵ khí, nitơ amoniac tạo ra từ quá trình amoni hóa có thể trung hòa các axit hữu cơ được tạo ra trong quá trình phân hủy, duy trì sự ổn định của giá trị pH của hệ thống và đảm bảo quá trình phân hủy kỵ khí diễn ra suôn sẻ.
V. Kết luận
Việc chuyển đổi nitơ hữu cơ thành nitơ amoniac là một quá trình qua trung gian vi sinh vật phức tạp, bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như nhiệt độ, giá trị pH, oxy hòa tan và tính chất cơ chất. Sự hiểu biết sâu sắc về cơ chế và các yếu tố ảnh hưởng của quá trình amoni hóa có ý nghĩa quan trọng về mặt lý thuyết và thực tiễn để tối ưu hóa quy trình xử lý nước thải và nâng cao hiệu quả loại bỏ nitơ sinh học. Với việc không ngừng cải thiện các yêu cầu quản lý môi trường nước, cần nghiên cứu sâu hơn về cơ chế điều hòa trao đổi chất của vi sinh vật amoni hóa, phát triển các tác nhân vi khuẩn amoni hóa hiệu quả và các chiến lược tối ưu hóa quy trình trong tương lai, đồng thời cung cấp hỗ trợ kỹ thuật mạnh mẽ hơn để giải quyết vấn đề ô nhiễm nitơ trong các vùng nước.
