En el camp del tractament d'aigües residuals, la transformació biològica del nitrogen és el procés bàsic per aconseguir l'eliminació de nitrogen i fòsfor i complir els estàndards d'emissió. Aquest procés no implica una única reacció, sinó la realització coordinada de tres passos clau: ammonificació, nitrificació i desnitrificació. En conjunt, aquests passos converteixen gradualment el nitrogen orgànic complex i el nitrogen inorgànic de les aigües residuals en gas nitrogenat inofensiu, reduint fonamentalment la càrrega de nitrogen a les masses d'aigua.
Introducció
El nitrogen de les aigües residuals existeix principalment en forma de nitrogen orgànic (com proteïnes i urea) i nitrogen d'amoníac. L'abocament directe pot provocar problemes ambientals com l'eutrofització de masses d'aigua. Els mètodes de tractament biològic, amb els seus avantatges d'alta eficiència i economia, s'han convertit en la tecnologia principal per a l'eliminació de nitrogen de les aigües residuals. El principi bàsic és utilitzar les activitats metabòliques de diferents microorganismes en condicions ambientals específiques per transformar gradualment els elements nitrogenats, aconseguint finalment l'eliminació gasosa de les masses d'aigua a l'atmosfera. A continuació es detallarà sistemàticament el mecanisme bàsic d'aquest procés.
I. Ammonificació: conversió de nitrogen orgànic en nitrogen amoniacal
L'ammonificació és el primer pas en l'eliminació de nitrogen de les aigües residuals, fent referència a la conversió de compostos de nitrogen orgànic en
El procés es facilita principalment pels bacteris amonificadors. Segons el contingut d'oxigen de l'entorn, es pot classificar en dues vies: transformació aeròbica i transformació anaeròbica.
1. Transformació aeròbica
En condicions aeròbiques, microorganismes com Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus i el facultatiu Proteus vulgaris participen en la reacció, degradant principalment el nitrogen orgànic mitjançant dos mecanismes principals:
• Desaminació oxidativa: Sota la catàlisi de les oxidases, els aminoàcids perden progressivament els seus grups amino per generar cetoàcids i amoníac.
Prenent l'alanina com a exemple:
CH3CH(NH2)COOH→ CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3
(Alanina → Àcid iminopropiònic → Àcid pirúvic + Amoníac)
• Hidròlisi de l'amoníac: sota l'acció dels enzims hidrolítics, els compostos orgànics que contenen nitrogen-com la urea s'hidrolitzen per produir amoníac.
Reacció d'hidròlisi de la urea:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH{3 + CO{2 + H2O
Els bacteris implicats en aquest procés inclouen bacteris aeròbics com Enterococcus faecalis i Bacillus urea.
2. Conversió anaeròbica
En entorns anaeròbics o amb deficiència d'oxigen-, els microorganismes anaeròbics i anaeròbics facultatius completen l'amonificació a través de tres vies:
• Reducció i desaminació:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• Eliminació d'amoníac-a base d'aigua:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• Deshidratació i desaminació:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
II. Nitrificació: oxidació del nitrogen amoníac a nitrogen nitrat
La nitrificació és la segona reacció del nucli que oxida NH3−N a NOx−N, que es completa de manera sinèrgica amb bacteris nitrits i bacteris nitrats, i es divideix en dues etapes: nitritació i nitrificació.
1. Mecanisme de reacció
• Reacció de nitritació (dominada pels bacteris nitrits):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5kJ
• Reacció de nitrificació (dominada pels nitrobacteris):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• Fórmula de reacció global:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69kJ
2. Característiques clau del procés
• Alta demanda d'oxigen: Consum teòric de 4,2 g per eliminació d'1 g, per tant, la reacció de nitrificació s'ha de dur a terme en condicions d'aireació suficients.
• Baixa taxa de creixement: els bacteris nitrificants tenen un rendiment cel·lular extremadament baix, i són més propensos a una activitat insuficient durant els mesos freds d'hivern. Per tant, és necessari mantenir una concentració elevada de fangs per garantir l'eficiència del tractament.
• Consum d'alcalinitat: la reacció genera una gran quantitat d'H+. Teòricament, es consumeixen 7,54 g d'alcalinitat (calculada com a CaCO3) per cada 1 g d'oxidació. Cal mantenir l'estabilitat del pH del sistema afegint agents alcalins.
III. Desnitrificació: reducció del nitrogen nitrat a nitrogen gasós
La desnitrificació és el pas final en l'eliminació de nitrogen de les aigües residuals. Es refereix al procés en què els bacteris desnitrificants redueixen NOx−N i altres òxids de nitrogen a gas nitrogenat o òxids de nitrogen gasosos com a acceptors d'electrons en condicions anaeròbiques o amb deficiència d'oxigen (DO < 0,3 ~ 0,5 mg/L).
1. Mecanisme de reacció
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Reacció de reducció completa (prenent com a exemple els compostos orgànics com a donants d'electrons):
NO3−+5[H] (donador d'electrons) → 0,5 N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (donador d'electrons) → 0,5 N2 + H2O + OH−
2. Requisits de la font de carboni i característiques microbianes
• Consum de font de carboni: teòricament, es necessiten 2,86 g de font de carboni per convertir 1 g de nitrogen nitrat en N2, i 1,71 g de matèria orgànica per convertir 1 g de nitrogen de nitrit.
• Diversitat de donants d'electrons: [H] pot ser proporcionada per compostos orgànics, sulfurs, etc., oferint múltiples opcions de fonts de carboni per a l'optimització del procés.
• Característiques microbianes: els bacteris desnitrificants són majoritàriament bacteris facultatius, que respiren utilitzant O2 com a acceptor terminal d'electrons en presència d'oxigen, i utilitzen NOx−N per respirar en absència d'oxigen. Aquesta característica és la base bàsica del procés de desnitrificació anòxica.
Resum
La transformació biològica del nitrogen a les aigües residuals és un procés en cadena que està interconnectat:
L'amonificació trenca les molècules de nitrogen orgànic, alliberant nitrogen amoníac;
La nitrificació implica l'oxidació gradual del nitrogen amoniacal a nitrogen nitrat en un ambient aeròbic;
La desnitrificació redueix el nitrogen nitrat a nitrogen gasós en ambients anòxics, aconseguint finalment l'eliminació del nitrogen de les masses d'aigua a l'atmosfera.
El funcionament eficient d'aquest procés es basa en un control precís de paràmetres clau com ara el contingut d'oxigen, l'alcalinitat, la font de carboni i la temperatura, i serveix com a suport tècnic bàsic per aconseguir una eliminació estable de nitrogen a les modernes plantes d'aigües residuals urbanes i al tractament d'aigües residuals industrials.