การวิเคราะห์ที่ครอบคลุมของกระบวนการเปลี่ยนรูปทางชีวภาพของไนโตรเจนในน้ำเสีย

ในด้านการบำบัดน้ำเสีย การเปลี่ยนแปลงทางชีวภาพของไนโตรเจนเป็นกระบวนการหลักในการบรรลุการกำจัดไนโตรเจนและฟอสฟอรัส และเป็นไปตามมาตรฐานการปล่อยก๊าซ กระบวนการนี้ไม่ได้เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาเดียว แต่เป็นการประสานกันของขั้นตอนสำคัญสามขั้นตอน: แอมโมนิฟิเคชัน, ไนตริฟิเคชัน และดีไนตริฟิเคชั่น ขั้นตอนเหล่านี้จะค่อยๆ แปลงไนโตรเจนอินทรีย์ที่ซับซ้อนและไนโตรเจนอนินทรีย์ในน้ำเสียให้เป็นก๊าซไนโตรเจนที่ไม่เป็นอันตราย ซึ่งช่วยลดปริมาณไนโตรเจนในแหล่งน้ำโดยพื้นฐาน

การแนะนำ
ไนโตรเจนในน้ำเสียส่วนใหญ่มีอยู่ในรูปของไนโตรเจนอินทรีย์ (เช่นโปรตีนและยูเรีย) และแอมโมเนียไนโตรเจน การปล่อยทิ้งโดยตรงอาจนำไปสู่ปัญหาสิ่งแวดล้อม เช่น ภาวะยูโทรฟิเคชันของแหล่งน้ำ วิธีบำบัดทางชีวภาพซึ่งมีข้อดีคือมีประสิทธิภาพและประหยัดสูง ได้กลายเป็นเทคโนโลยีกระแสหลักในการกำจัดไนโตรเจนจากน้ำเสีย หลักการสำคัญคือการใช้กิจกรรมการเผาผลาญของจุลินทรีย์ต่างๆ ภายใต้สภาพแวดล้อมที่เฉพาะเจาะจงเพื่อค่อยๆ เปลี่ยนองค์ประกอบของไนโตรเจน และในที่สุดก็บรรลุการกำจัดก๊าซจากแหล่งน้ำสู่ชั้นบรรยากาศ ต่อไปนี้จะวิเคราะห์กลไกหลักของกระบวนการนี้อย่างเป็นระบบ

แอมโมไนฟิเคชั่นเป็นขั้นตอนแรกในการกำจัดไนโตรเจนออกจากน้ำเสีย ซึ่งหมายถึงการเปลี่ยนสารประกอบไนโตรเจนอินทรีย์ให้เป็น
กระบวนการนี้ได้รับการอำนวยความสะดวกเบื้องต้นโดยการแอมโมไนฟายแบคทีเรีย ขึ้นอยู่กับปริมาณออกซิเจนในสิ่งแวดล้อม สามารถแบ่งได้เป็น 2 แนวทาง ได้แก่ การเปลี่ยนแปลงแบบแอโรบิก และการเปลี่ยนแปลงแบบไม่ใช้ออกซิเจน
1. การเปลี่ยนแปลงแบบแอโรบิก
ภายใต้สภาวะแอโรบิก จุลินทรีย์ เช่น Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus และ Proteus vulgaris ที่มีความสามารถจะมีส่วนร่วมในปฏิกิริยา โดยหลักๆ จะย่อยสลายไนโตรเจนอินทรีย์ผ่านกลไกหลักสองประการ:
• การปนเปื้อนออกซิเดทีฟ: ภายใต้การเร่งปฏิกิริยาของออกซิเดส กรดอะมิโนจะค่อยๆ สูญเสียหมู่อะมิโนเพื่อสร้างกรดคีโตและแอมโมเนีย
ยกตัวอย่างอะลานีน:
CH3CH(NH2)COOH→ CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3

(อะลานีน → กรดอิมิโนโพรพิโอนิก → กรดไพรูวิก + แอมโมเนีย)
• การไฮโดรไลซิสของแอมโมเนีย: ภายใต้การกระทำของเอนไซม์ไฮโดรไลติก ไนโตรเจน-ที่มีสารประกอบอินทรีย์ เช่น ยูเรีย จะถูกไฮโดรไลซ์เพื่อผลิตแอมโมเนีย
ปฏิกิริยาไฮโดรไลซิสของยูเรีย:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
แบคทีเรียที่เกี่ยวข้องในกระบวนการนี้ ได้แก่ แบคทีเรียแอโรบิก เช่น Enterococcus faecalis และ Bacillus urea

2. การแปลงแบบไม่ใช้ออกซิเจน
ในสภาพแวดล้อมแบบไม่ใช้ออกซิเจนหรือออกซิเจน- จุลินทรีย์ที่ไม่ใช้ออกซิเจนและแบบไม่ใช้ออกซิเจนแบบอาศัยออกซิเจนแบบไม่ใช้ออกซิเจนจะทำให้แอมโมเนียสมบูรณ์ผ่านสามวิถีทาง:
• การลดลงและการปนเปื้อน:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• การกำจัดแอมโมเนียที่ใช้น้ำ-:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• ภาวะขาดน้ำและการปนเปื้อน:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
 

ไนตริฟิเคชั่นเป็นปฏิกิริยาหลักที่สองที่ทำปฏิกิริยาออกซิไดซ์ NH3−N ไปเป็น NOx−N ซึ่งเสร็จสิ้นการทำงานร่วมกันโดยแบคทีเรียไนไตรต์และแบคทีเรียไนเตรต และแบ่งออกเป็นสองขั้นตอน: ไนตริฟิเคชันและไนตริฟิเคชั่น
1. กลไกการเกิดปฏิกิริยา
• ปฏิกิริยาไนไตรเตชัน (ถูกครอบงำโดยแบคทีเรียไนไตรท์):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5กิโลจูล
• ปฏิกิริยาไนตริฟิเคชัน (ควบคุมโดยไนโตรแบคทีเรีย):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19กิโลจูล
• สูตรปฏิกิริยาโดยรวม:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69กิโลจูล

2. ลักษณะกระบวนการที่สำคัญ
• ความต้องการออกซิเจนสูง: ตามทฤษฎีการบริโภค 4.2 กรัมต่อการนำ 1 กรัมออก ดังนั้น ปฏิกิริยาไนตริฟิเคชันจึงต้องดำเนินการภายใต้สภาวะการเติมอากาศที่เพียงพอ
• อัตราการเติบโตต่ำ: แบคทีเรียไนตริไฟริ่งให้ผลผลิตเซลล์ต่ำมากและมีแนวโน้มที่จะมีกิจกรรมไม่เพียงพอในช่วงฤดูหนาว ดังนั้นจึงจำเป็นต้องรักษาความเข้มข้นของตะกอนให้สูงเพื่อให้มั่นใจในประสิทธิภาพการบำบัด
• การใช้ความเป็นด่าง: ปฏิกิริยานี้จะสร้าง H+. ในปริมาณมาก ตามทฤษฎีแล้ว จะใช้ความเป็นด่าง 7.54 กรัม (คำนวณเป็น CaCO3) ต่อการเกิดออกซิเดชันทุกๆ 1 กรัม จำเป็นต้องรักษาเสถียรภาพ pH ของระบบโดยการเติมสารอัลคาไลน์

การแยกไนตริฟิเคชั่นเป็นขั้นตอนสุดท้ายในการกำจัดไนโตรเจนออกจากน้ำเสีย หมายถึงกระบวนการที่แบคทีเรียดีไนตริไฟอิงลด NOx−N และไนโตรเจนออกไซด์อื่นๆ ให้เป็นก๊าซไนโตรเจนหรือก๊าซไนโตรเจนออกไซด์ในฐานะตัวรับอิเล็กตรอนภายใต้สภาวะไร้ออกซิเจนหรือออกซิเจน- (DO < 0.3~0.5 มก./ลิตร)
1. กลไกการเกิดปฏิกิริยา
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
ปฏิกิริยารีดักชันโดยสมบูรณ์ (นำสารประกอบอินทรีย์มาเป็นผู้บริจาคอิเล็กตรอนเป็นตัวอย่าง):
NO3−+5[H] (ผู้บริจาคอิเล็กตรอน) → 0.5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (ผู้บริจาคอิเล็กตรอน) → 0.5N2 + H2O + OH−

2. ข้อกำหนดเกี่ยวกับแหล่งคาร์บอนและคุณลักษณะของจุลินทรีย์

• การใช้แหล่งคาร์บอน: ตามทฤษฎีแล้ว ต้องใช้แหล่งคาร์บอน 2.86 กรัมในการแปลงไนเตรตไนโตรเจน 1 กรัมเป็น N2 และต้องใช้อินทรียวัตถุ 1.71 กรัมเพื่อแปลงไนไตรท์ไนโตรเจน 1 กรัม
• ความหลากหลายของผู้ให้อิเล็กตรอน: [H] ได้จากสารประกอบอินทรีย์ ซัลไฟด์ ฯลฯ ซึ่งมีตัวเลือกแหล่งคาร์บอนหลายแหล่งสำหรับการปรับกระบวนการให้เหมาะสมที่สุด
• คุณลักษณะของจุลินทรีย์: แบคทีเรีย Denitrifying ส่วนใหญ่เป็นแบคทีเรียที่มีความสามารถพิเศษ ซึ่งหายใจโดยใช้ O2 เป็นตัวรับอิเล็กตรอนปลายทางเมื่อมีออกซิเจน และใช้ NOx−N สำหรับการหายใจในกรณีที่ไม่มีออกซิเจน ลักษณะนี้เป็นรากฐานหลักของกระบวนการดีไนตริฟิเคชั่นที่เป็นพิษ
 

สรุป
การเปลี่ยนแปลงทางชีวภาพของไนโตรเจนในน้ำเสียเป็นกระบวนการลูกโซ่ที่เชื่อมโยงถึงกัน:
แอมโมนิฟิเคชั่นจะสลายโมเลกุลไนโตรเจนอินทรีย์ ปล่อยแอมโมเนียไนโตรเจน
ไนตริฟิเคชันเกี่ยวข้องกับการออกซิเดชันอย่างค่อยเป็นค่อยไปของไนโตรเจนแอมโมเนียไปจนถึงไนเตรตไนโตรเจนในสภาพแวดล้อมแบบแอโรบิก
การแยกไนตริฟิเคชั่นจะลดไนเตรตไนโตรเจนเป็นก๊าซไนโตรเจนในสภาพแวดล้อมที่ไม่เป็นพิษ ซึ่งท้ายที่สุดสามารถกำจัดไนโตรเจนออกจากแหล่งน้ำสู่ชั้นบรรยากาศได้
การดำเนินการที่มีประสิทธิภาพของกระบวนการนี้อาศัยการควบคุมพารามิเตอร์หลักอย่างแม่นยำ เช่น ปริมาณออกซิเจน ความเป็นด่าง แหล่งที่มาของคาร์บอน และอุณหภูมิ และทำหน้าที่เป็นการสนับสนุนทางเทคนิคหลักเพื่อให้บรรลุการกำจัดไนโตรเจนอย่างมีเสถียรภาพในโรงบำบัดน้ำเสียในเมืองสมัยใหม่และการบำบัดน้ำเสียทางอุตสาหกรรม