Nel ciclo dell'azoto dei sistemi di trattamento delle acque reflue e degli ambienti acquatici naturali, la conversione dell'azoto organico in azoto ammoniacale è uno dei processi principali. Questo processo, noto come ammonificazione, costituisce un passaggio fondamentale nella trasformazione dell'azoto, influenzando direttamente l'efficienza della successiva denitrificazione e di altre reazioni di rimozione dell'azoto. Svolge un ruolo fondamentale nel controllo dell'inquinamento da azoto nei corpi idrici. L'azoto organico è ampiamente presente nelle acque reflue domestiche, nelle acque reflue industriali e nei corpi idrici naturali, e le sue fonti primarie includono composti organici contenenti azoto come proteine, amminoacidi, urea, acidi nucleici e sostanze umiche. Queste sostanze devono essere decomposte attraverso processi metabolici microbici, convertendosi infine in azoto ammoniacale (ce{NH3-N} o ce{NH^{+}_{4}-N}), che poi partecipa alla successiva migrazione e trasformazione dell'azoto.
1. Il processo principale di conversione dell'azoto organico in azoto ammoniacale: ammonificazione
L'ammonificazione si riferisce alla reazione biochimica in cui i gruppi contenenti azoto nei composti organici dell'azoto vengono gradualmente decomposti sotto la catalisi dei microrganismi, rilasciando infine azoto ammoniacale. A seconda dei tipi di microrganismi coinvolti e delle condizioni di reazione, l’ammonificazione può essere classificata in ammonificazione aerobica e anaerobica. Sebbene i loro percorsi di reazione e i microrganismi dominanti differiscano, i prodotti finali sono costituiti principalmente da azoto ammoniacale.
Ammonificazione in condizioni aerobiche
L'ammonificazione aerobica è il processo mediante il quale i microrganismi aerobici ossidano e decompongono i composti organici dell'azoto in un ambiente ricco di ossigeno. Presenta velocità di reazione elevate ed elevata efficienza di conversione, fungendo da forma primaria di trasformazione dell'azoto organico nella fase aerobica del trattamento delle acque reflue (come il serbatoio di aerazione nel processo a fanghi attivi).
Vie di trasformazione dell'azoto organico proteico
Le proteine sono uno degli inquinanti organici azotati più comuni nei corpi idrici e la sua conversione in azoto ammoniacale comporta due reazioni chiave. Il primo passo è l'idrolisi delle proteine, catalizzata dalle proteasi secrete dai microrganismi aerobici, che scompone le grandi molecole proteiche in polipeptidi e amminoacidi più piccoli. Le proteasi, comprese la tripsina e la pepsina, mostrano specificità nella scissione dei legami peptidici all'interno delle molecole proteiche. Il secondo passaggio è la deaminazione degli amminoacidi, il processo principale dell'ammonificazione, in cui gli amminoacidi, sotto l'azione della deaminasi, perdono il loro gruppo amminico (NH₂) attraverso la deaminazione ossidativa, riduttiva o idrolitica, convertendolo in azoto ammoniacale.
Prendendo come esempio la deaminazione ossidativa, la sua reazione può essere rappresentata come:
ce{R-CH(NH2)-COOH + O2 -> R-CO-COOH + NH3}
L'ammoniaca (ce{NH3}) generata dalla reazione si combina con gli ioni idrogeno presenti nell'acqua per formare ioni ammonio (ce{NH^{+}_{4}}). Il rapporto tra i due dipende dal pH dell'acqua. Quando il pH è alcalino predomina l'ammoniaca (ce{NH3}); quando il pH è acido, dominano gli ioni ammonio (ce{NH^{+}_{4}}).
2. Vie di trasformazione dell'azoto organico nei composti ureici
L'urea è un componente significativo dell'azoto organico nelle acque reflue domestiche. Il suo processo di ammonificazione è catalizzato dall'ureasi, che avviene in condizioni blande e procede rapidamente in ambiente aerobico. L'ureasi rompe il legame ammidico nella molecola di urea, decomponendola direttamente in azoto ammonico e anidride carbonica. L'equazione di reazione è la seguente:
ce{CO(NH2)2 + H2O -> 2NH3 + CO2}
Questa reazione non richiede uno stadio intermedio di amminoacidi, mostra un'efficienza di conversione estremamente elevata e funge da una delle fonti primarie di azoto ammoniacale nelle acque reflue domestiche.
(2) Ammonificazione in condizioni anaerobiche
L'ammonificazione anaerobica è il processo mediante il quale i microrganismi anaerobici o anaerobici facoltativi fermentano e decompongono i composti organici dell'azoto in un ambiente privo di ossigeno, che si verifica comunemente nelle fasi anaerobiche del trattamento delle acque reflue (come digestori anaerobici), sedimenti e corpi idrici ipossici. Rispetto all'ammonificazione aerobica, l'ammonificazione anaerobica procede a un ritmo più lento ed è accompagnata dalla produzione di gas come metano e idrogeno solforato.
La decomposizione dell'azoto organico da parte di microrganismi anaerobici inizia anche con l'idrolisi di composti organici macromolecolari, come le proteine, che vengono scomposti in amminoacidi dalle proteasi anaerobiche. Successivamente gli amminoacidi rilasciano azoto ammoniacale mediante deaminazione riduttiva o deaminazione fermentativa. Prendendo come esempio la deaminazione riduttiva, l’equazione di reazione è:
ce{R-CH(NH2)-COOH + 2H -> R-CH2-COOH + NH3}
Inoltre, in ambienti anaerobici, anche i composti organici complessi dell'azoto come gli acidi nucleici e l'humus possono essere gradualmente decomposti dai microrganismi, rilasciando azoto ammoniacale. Tuttavia, il processo di conversione è più complesso e prevede l’azione sinergica di più enzimi.
II. Principali gruppi microbici coinvolti nell'ammonificazione
L’essenza dell’ammonificazione è il processo metabolico dei microrganismi, che coinvolge una vasta gamma di specie microbiche, inclusi batteri, funghi, attinomiceti e altro ancora. Diversi microrganismi mostrano variazioni nella loro capacità di decomporre l'azoto organico e nella loro adattabilità alle condizioni ambientali.
```(1) Gruppi batterici```
I batteri sono i microrganismi dominanti nell'ammonificazione, principalmente classificati in tipi aerobici e anaerobici. I batteri ammonificanti aerobici includono generi come Bacillus, Pseudomonas e Proteus, che proliferano rapidamente in condizioni aerobiche e mostrano un'elevata attività di proteasi e deaminasi, consentendo un'efficiente decomposizione di proteine e amminoacidi. I batteri anaerobici ammonificanti sono rappresentati da generi come Clostridium e metanogeni. Il Clostridium può decomporre le proteine in condizioni anaerobiche per produrre azoto ammoniacale e acidi organici, mentre i metanogeni utilizzano semplici composti organici di azoto per un'ulteriore fermentazione e partecipano alle reazioni di ammonificazione.
(2) Taxa di funghi e attinomiceti
Anche i funghi e gli attinomiceti svolgono un ruolo importante nella conversione dell'azoto organico, in particolare nel trattamento delle acque reflue contenenti azoto organico complesso, come le acque reflue di stampa e tintura e le acque reflue farmaceutiche. Funghi come Aspergillus e Penicillium possono secernere vari enzimi extracellulari per decomporre l'azoto organico legato in composti organici recalcitranti come cellulosa e lignina; Streptomyces, un genere di attinomiceti, ha una forte capacità di decomporre l'azoto organico umico. Gli enzimi prodotti dal loro metabolismo sono in grado di rompere la struttura stabile delle sostanze umiche e rilasciare azoto ammoniacale.
3, Fattori chiave che influenzano la conversione dell'azoto organico in azoto ammoniacale
L'efficienza dell'ammonificazione è influenzata da vari fattori ambientali e dalle caratteristiche del substrato. Nei sistemi di trattamento delle acque reflue, la regolazione di questi fattori può effettivamente migliorare il tasso di conversione dell'azoto organico in azoto ammoniacale, creando condizioni favorevoli per la successiva nitrificazione e denitrificazione.
(1) Temperatura
La temperatura è il fattore principale che influenza l’attività degli enzimi microbici, determinando direttamente la velocità della reazione di ammonificazione. La temperatura di crescita adatta per i microrganismi ammonificanti è 20 ℃ -35 ℃. All'interno di questo intervallo di temperature, l'attività enzimatica è elevata e la velocità della reazione di ammonificazione accelera con l'aumentare della temperatura; Quando la temperatura è inferiore a 10 ℃, il tasso metabolico dei microrganismi diminuisce significativamente, l'attività enzimatica viene inibita e l'efficienza dell'ammonificazione diminuisce significativamente; Quando la temperatura supera i 40 ℃, le proteine enzimatiche nelle cellule microbiche subiranno una denaturazione, portando al ristagno della reazione di ammonificazione. Nel trattamento delle acque reflue, è spesso necessario estendere il tempo di ritenzione idraulica o aumentare la concentrazione dei fanghi in condizioni di bassa temperatura in inverno per compensare la diminuzione dell'efficienza di ammonificazione.
(2) Valore del pH
Il valore del pH influenza indirettamente l'ammonificazione influenzando l'ambiente di crescita e l'attività enzimatica dei microrganismi. L'intervallo di pH adatto per i microrganismi aerobici ammonificanti è 6,5-8,0, durante il quale le attività di proteasi e deaminasi dei microrganismi sono massime; Quando il valore del pH è inferiore a 5,5 o superiore a 9,0, la struttura spaziale dell'enzima verrà interrotta, la crescita microbica verrà inibita e la reazione di ammonificazione sarà ostacolata. I microrganismi ammonificanti anaerobici hanno un intervallo di adattabilità relativamente ampio ai valori di pH, con un intervallo di pH adatto compreso tra 6,0 e 7,5. Un ambiente leggermente acido è più favorevole al metabolismo fermentativo dei batteri ammonificanti anaerobici. Inoltre, il valore del pH può influenzare anche la forma dell'azoto ammoniacale, che a sua volta influenza l'apporto di substrato per le successive reazioni di nitrificazione.
(3) Ossigeno disciolto (DO)
L’ossigeno disciolto è una condizione chiave per distinguere l’ammonificazione aerobica da quella anaerobica. In un ambiente aerobico, la concentrazione di ossigeno disciolto deve essere mantenuta a 2 mg/l-4 mg/l per soddisfare le esigenze respiratorie dei microrganismi aerobici di ammonificazione. In questo momento prevale l’ammonificazione aerobica e l’efficienza di conversione è elevata; Quando la concentrazione di ossigeno disciolto è inferiore a 0,5 mg/l, l’attività dei microrganismi aerobici viene inibita e i microrganismi anaerobici ammonificanti diventano il gruppo microbico dominante, con conseguente velocità di reazione di ammonificazione più lenta. In processi quali A²/O e canale di ossidazione nel trattamento delle acque reflue, il processo sinergico di ammonificazione, nitrificazione e denitrificazione dell'azoto organico può essere ottenuto controllando la concentrazione di ossigeno disciolto in diverse aree.
(4) Tipi e concentrazioni di substrati organici di azoto
Il tipo e la concentrazione della matrice di azoto organico influenzano direttamente la velocità e il grado di ammonificazione. I composti organici dell'azoto di piccole molecole (come amminoacidi e urea) possono essere assorbiti e utilizzati direttamente dai microrganismi, con un rapido tasso di conversione dell'ammonificazione; I composti organici dell'azoto con molecole di grandi dimensioni (come proteine e acidi nucleici) devono subire reazioni di idrolisi per decomporsi in sostanze di piccole molecole, con un periodo di conversione più lungo. Inoltre, quando la concentrazione di azoto organico è troppo elevata, può causare uno squilibrio nella pressione osmotica delle cellule microbiche, inibendo la crescita microbica; Quando la concentrazione è troppo bassa, non può fornire nutrimento sufficiente ai microrganismi e l’efficienza della reazione di ammonificazione è bassa. Nell'ingegneria pratica, per le acque reflue di azoto organico ad alta concentrazione, i processi di pretrattamento (come l'acidificazione dell'idrolisi) vengono spesso utilizzati per decomporre l'azoto organico molecolare di grandi dimensioni in piccole sostanze molecolari, migliorando così l'efficienza del successivo trattamento di ammonificazione.
(5) Struttura della comunità microbica
La diversità e l’abbondanza delle comunità microbiche sono i principali fattori biologici che influenzano l’ammonificazione. Quando la varietà di microrganismi ammonificanti nel sistema è abbondante e il numero di gruppi batterici dominanti è sufficiente, l'efficienza della decomposizione e trasformazione dell'azoto organico è maggiore; Al contrario, se la struttura della comunità microbica è unica o sono presenti sostanze inibitorie (come metalli pesanti, composti organici tossici) che causano la morte delle comunità microbiche dominanti, l’ammonificazione sarà gravemente compromessa. Durante la fase di avvio del sistema di trattamento delle acque reflue, è possibile stabilire rapidamente comunità microbiche ammonificanti efficienti aggiungendo agenti ammonificanti o inoculando fanghi maturi, accorciando il ciclo di messa in servizio del sistema.
4, Il significato ambientale e ingegneristico della conversione dell'azoto organico in azoto ammoniacale
La conversione dell'azoto organico in azoto ammoniacale è un anello chiave nel ciclo dell'azoto e riveste un'importanza significativa sia negli ambienti naturali che nei progetti di trattamento delle acque reflue.
Nei corpi idrici naturali, l'azoto ammoniacale prodotto dall'ammonificazione può fornire fonti di azoto per fitoplancton, alghe, ecc., promuovendo il ciclo materiale degli ecosistemi acquatici; Tuttavia, un eccesso di azoto ammoniacale può portare all’eutrofizzazione dei corpi idrici, causando problemi ambientali come fioriture di alghe e maree rosse. Nell'ingegneria del trattamento delle acque reflue, l'ammonificazione è un passaggio preliminare per la denitrificazione biologica. Solo convertendo in modo efficiente l'azoto organico in azoto ammoniacale è possibile fornire substrati sufficienti per le successive reazioni di nitrificazione (azoto ammoniacale convertito in azoto nitrato) e reazioni di denitrificazione (azoto nitrato convertito in azoto), ottenendo la completa rimozione dell'azoto. Inoltre, nel processo di digestione anaerobica, l'azoto ammoniacale prodotto dall'ammonificazione può neutralizzare gli acidi organici prodotti durante il processo di digestione, mantenere la stabilità del valore del pH del sistema e garantire il regolare svolgimento della digestione anaerobica.
V. Conclusione
La conversione dell'azoto organico in azoto ammoniacale è un processo complesso mediato da microbi, influenzato da molteplici fattori quali temperatura, valore del pH, ossigeno disciolto e proprietà del substrato. Una profonda comprensione del meccanismo e dei fattori che influenzano l’ammonificazione ha un importante significato teorico e pratico per ottimizzare i processi di trattamento delle acque reflue e migliorare l’efficienza di rimozione biologica dell’azoto. Con il continuo miglioramento dei requisiti di governance dell’ambiente acquatico, è necessario studiare ulteriormente il meccanismo di regolazione metabolica dei microrganismi ammonificanti, sviluppare agenti batterici ammonificanti efficienti e strategie di ottimizzazione dei processi in futuro e fornire un supporto tecnico più forte per risolvere il problema dell’inquinamento da azoto nei corpi idrici.
