環(huán)保在線APP
環(huán)保在線手機(jī)站
環(huán)保在線小程序
微信公眾號
預(yù)告
回放
回放
品牌
科冪儀器
在污水處理系統(tǒng)與自然水環(huán)境的氮循環(huán)過程中，有機(jī)氮向氨氮的轉(zhuǎn)化是核心環(huán)節(jié)之一，該過程被稱為氨化作用，是氮素形態(tài)轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)步驟，直接影響后續(xù)硝化、反硝化等脫氮反應(yīng)的效率，對水體氮污染控制具有關(guān)鍵意義。有機(jī)氮廣泛存在于生活污水、工業(yè)廢水及天然水體中，其主要來源包括蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素、核酸、腐殖質(zhì)等含氮有機(jī)物，這些物質(zhì)需通過微生物的代謝作用分解，最終轉(zhuǎn)化為氨氮(\ce{NH3-N} 或 \ce{NH^{+}_{4}-N})，進(jìn)而參與后續(xù)的氮素遷移轉(zhuǎn)化。
一、有機(jī)氮向氨氮轉(zhuǎn)化的核心過程——氨化作用
氨化作用是指在微生物的催化作用下，有機(jī)氮化合物中的含氮基團(tuán)被逐步分解，最終釋放出氨態(tài)氮的生化反應(yīng)。根據(jù)參與反應(yīng)的微生物類型及反應(yīng)條件，氨化作用可分為有氧氨化和厭氧氨化兩類，二者的反應(yīng)路徑和主導(dǎo)微生物存在差異，但最終產(chǎn)物均以氨氮為主。
(一)有氧條件下的氨化作用
有氧氨化是好氧微生物在氧氣充足的環(huán)境中，對有機(jī)氮化合物進(jìn)行氧化分解的過程，其反應(yīng)速率快、轉(zhuǎn)化效率高，是污水處理好氧段(如活性污泥法曝氣池)中有機(jī)氮轉(zhuǎn)化的主要形式。
1. 蛋白質(zhì)類有機(jī)氮的轉(zhuǎn)化路徑
蛋白質(zhì)是水體中最常見的有機(jī)氮污染物之一，其向氨氮的轉(zhuǎn)化需經(jīng)過兩步關(guān)鍵反應(yīng)。第一步為蛋白質(zhì)水解反應(yīng)，由好氧微生物分泌的蛋白酶催化，將大分子蛋白質(zhì)分解為小分子的多肽和氨基酸。蛋白酶的種類繁多，包括胰蛋白酶、胃蛋白酶等，不同蛋白酶針對蛋白質(zhì)分子中的肽鍵具有特異性分解能力。第二步為氨基酸脫氨反應(yīng)，這是氨化作用的核心步驟，氨基酸在脫氨酶的作用下，通過氧化脫氨、還原脫氨或水解脫氨等方式，將分子中的氨基(\ce{-NH2})脫離并轉(zhuǎn)化為氨氮。
以氧化脫氨為例，其反應(yīng)式可表示為：
\ce{R-CH(NH2)-COOH + O2 -> R-CO-COOH + NH3}
反應(yīng)生成的氨(\ce{NH3})在水體中會與氫離子結(jié)合，形成銨離子(\ce{NH^{+}_{4}})，二者的比例取決于水體的pH值，當(dāng)pH值偏堿性時，氨(\ce{NH3})占比更高；當(dāng)pH值偏酸性時，銨離子(\ce{NH^{+}_{4}})占主導(dǎo)。
2. 尿素類有機(jī)氮的轉(zhuǎn)化路徑
尿素是生活污水中有機(jī)氮的重要組成部分，其氨化過程由脲酶催化完成，反應(yīng)條件溫和，在有氧環(huán)境下可快速進(jìn)行。脲酶將尿素分子中的酰胺鍵斷裂，直接分解為氨氮和二氧化碳，反應(yīng)式如下：
\ce{CO(NH2)2 + H2O -> 2NH3 + CO2}
該反應(yīng)無需經(jīng)過氨基酸中間階段，轉(zhuǎn)化效率極高，是生活污水氨氮的主要來源之一。
(二)厭氧條件下的氨化作用
厭氧氨化是厭氧或兼性厭氧微生物在無氧環(huán)境中，對有機(jī)氮化合物進(jìn)行發(fā)酵分解的過程，常見于污水處理的厭氧段(如厭氧消化池)、底泥及缺氧水體中。與有氧氨化相比，厭氧氨化的反應(yīng)速率較慢，且伴隨甲烷、硫化氫等氣體的生成。
厭氧微生物對有機(jī)氮的分解同樣從大分子有機(jī)物的水解開始，如蛋白質(zhì)在厭氧蛋白酶的作用下分解為氨基酸，隨后氨基酸通過還原脫氨或發(fā)酵脫氨的方式釋放氨氮。以還原脫氨為例，反應(yīng)式為：
\ce{R-CH(NH2)-COOH + 2H -> R-CH2-COOH + NH3}
此外，在厭氧環(huán)境中，核酸、腐殖質(zhì)等復(fù)雜有機(jī)氮化合物也可被微生物逐步分解，釋放出氨氮，但其轉(zhuǎn)化過程更為復(fù)雜，涉及多種酶的協(xié)同作用。
二、參與氨化作用的主要微生物類群
氨化作用的本質(zhì)是微生物的代謝過程，參與該過程的微生物種類豐富，涵蓋細(xì)菌、真菌、放線菌等多個類群，不同微生物對有機(jī)氮的分解能力和適應(yīng)環(huán)境存在差異。
(一)細(xì)菌類群
細(xì)菌是氨化作用的主導(dǎo)微生物，包括好氧菌和厭氧菌兩大類。好氧氨化細(xì)菌主要有芽孢桿菌屬(Bacillus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、變形桿菌屬(Proteus)等，這類細(xì)菌在有氧條件下繁殖迅速，分泌的蛋白酶、脫氨酶活性較高，能高效分解蛋白質(zhì)和氨基酸。厭氧氨化細(xì)菌則以梭菌屬(Clostridium)、產(chǎn)甲烷菌等為代表，梭菌屬可在無氧條件下分解蛋白質(zhì)產(chǎn)生氨氮和有機(jī)酸，產(chǎn)甲烷菌則能利用簡單有機(jī)氮化合物進(jìn)一步發(fā)酵，同時參與氨化反應(yīng)。
(二)真菌與放線菌類群
真菌和放線菌在有機(jī)氮轉(zhuǎn)化中也發(fā)揮著重要作用，尤其在處理含復(fù)雜有機(jī)氮的廢水(如印染廢水、制藥廢水)時表現(xiàn)突出。真菌中的曲霉屬(Aspergillus)、青霉屬(Penicillium)等，能分泌多種胞外酶，分解纖維素、木質(zhì)素等難降解有機(jī)物中的結(jié)合態(tài)有機(jī)氮；放線菌中的鏈霉菌屬(Streptomyces)，則對腐殖質(zhì)類有機(jī)氮具有較強(qiáng)的分解能力，其代謝產(chǎn)生的酶可打破腐殖質(zhì)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，釋放出氨氮。
三、影響有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮的關(guān)鍵因素
氨化作用的效率受多種環(huán)境因素和基質(zhì)特性的影響，在污水處理系統(tǒng)中，通過調(diào)控這些因素可有效提升有機(jī)氮向氨氮的轉(zhuǎn)化速率，為后續(xù)硝化脫氮創(chuàng)造有利條件。
(一)溫度
溫度是影響微生物酶活性的核心因素，直接決定氨化反應(yīng)的速率。氨化微生物的適宜生長溫度為 20℃-35℃，在此溫度范圍內(nèi)，酶活性較高，氨化反應(yīng)速率隨溫度升高而加快；當(dāng)溫度低于10℃時，微生物代謝速率顯著降低，酶活性受抑制，氨化作用效率大幅下降；當(dāng)溫度超過40℃時，微生物細(xì)胞內(nèi)的酶蛋白會發(fā)生變性，導(dǎo)致氨化反應(yīng)停滯。在實際污水處理中，冬季低溫條件下往往需要延長水力停留時間或提高污泥濃度，以補(bǔ)償氨化作用效率的降低。
(二)pH值
pH值通過影響微生物的生長環(huán)境和酶活性，間接影響氨化作用。好氧氨化微生物的適宜pH值范圍為 6.5-8.0，此時微生物的蛋白酶和脫氨酶活性最高；當(dāng)pH值低于5.5或高于9.0時，酶的空間結(jié)構(gòu)會被破壞，微生物生長受到抑制，氨化反應(yīng)受阻。厭氧氨化微生物對pH值的適應(yīng)范圍相對較寬，適宜pH值為 6.0-7.5，偏酸性環(huán)境更有利于厭氧氨化細(xì)菌的發(fā)酵代謝。此外，pH值還會影響氨氮的存在形態(tài)，進(jìn)而影響后續(xù)硝化反應(yīng)的底物供給。
(三)溶解氧(DO)
溶解氧是區(qū)分有氧氨化和厭氧氨化的關(guān)鍵條件。在有氧環(huán)境中，溶解氧濃度需維持在 2mg/L-4mg/L，以滿足好氧氨化微生物的呼吸需求，此時有氧氨化占據(jù)主導(dǎo)，轉(zhuǎn)化效率高；當(dāng)溶解氧濃度低于0.5mg/L時，好氧微生物活性受抑制，厭氧氨化微生物成為優(yōu)勢菌群，氨化反應(yīng)速率減慢。在污水處理的A²/O、氧化溝等工藝中，通過控制不同區(qū)域的溶解氧濃度，可實現(xiàn)有機(jī)氮氨化與硝化、反硝化的協(xié)同進(jìn)行。
(四)有機(jī)氮基質(zhì)的種類與濃度
有機(jī)氮基質(zhì)的種類和濃度直接影響氨化作用的速率和程度。小分子有機(jī)氮化合物(如氨基酸、尿素)可被微生物直接吸收利用，氨化轉(zhuǎn)化速率快；大分子有機(jī)氮化合物(如蛋白質(zhì)、核酸)則需先經(jīng)過水解反應(yīng)分解為小分子物質(zhì)，轉(zhuǎn)化周期較長。此外，當(dāng)有機(jī)氮濃度過高時，會導(dǎo)致微生物細(xì)胞滲透壓失衡，抑制微生物生長；濃度過低時，則無法為微生物提供充足的營養(yǎng)，氨化反應(yīng)效率較低。在實際工程中，對于高濃度有機(jī)氮廢水，常采用預(yù)處理工藝(如水解酸化)將大分子有機(jī)氮分解為小分子物質(zhì)，提升后續(xù)氨化處理效率。
(五)微生物群落結(jié)構(gòu)
微生物群落的多樣性和豐度是影響氨化作用的核心生物因素。當(dāng)系統(tǒng)中氨化微生物的種類豐富、優(yōu)勢菌群數(shù)量充足時，有機(jī)氮的分解轉(zhuǎn)化效率更高；反之，若微生物群落結(jié)構(gòu)單一，或存在抑制性物質(zhì)(如重金屬、有毒有機(jī)物)導(dǎo)致優(yōu)勢菌群死亡，則氨化作用會受到嚴(yán)重影響。在污水處理系統(tǒng)啟動階段，通過投加氨化菌劑或接種馴化成熟的污泥，可快速構(gòu)建高效的氨化微生物群落，縮短系統(tǒng)調(diào)試周期。
四、有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮的環(huán)境與工程意義
有機(jī)氮向氨氮的轉(zhuǎn)化是氮循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在自然環(huán)境和污水處理工程中均具有重要意義。
在自然水體中，氨化作用產(chǎn)生的氨氮可為浮游植物、藻類等提供氮源，促進(jìn)水生生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)；但過量的氨氮會導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化，引發(fā)水華、赤潮等環(huán)境問題。在污水處理工程中，氨化作用是生物脫氮的前置步驟，只有將有機(jī)氮高效轉(zhuǎn)化為氨氮，才能為后續(xù)硝化反應(yīng)(氨氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮)和反硝化反應(yīng)(硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為氮氣)提供充足的底物，實現(xiàn)氮素的徹底去除。此外，在厭氧消化工藝中，氨化作用產(chǎn)生的氨氮可中和消化過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸，維持系統(tǒng)pH值穩(wěn)定，保障厭氧消化的順利進(jìn)行。
五、結(jié)語
有機(jī)氮向氨氮的轉(zhuǎn)化是一個復(fù)雜的微生物介導(dǎo)過程，受溫度、pH值、溶解氧、基質(zhì)特性等多種因素的協(xié)同影響。深入理解氨化作用的機(jī)制及影響因素，對于優(yōu)化污水處理工藝、提升生物脫氮效率具有重要的理論和實踐意義。隨著水環(huán)境治理要求的不斷提高，未來需進(jìn)一步研究氨化微生物的代謝調(diào)控機(jī)制，開發(fā)高效的氨化菌劑和工藝優(yōu)化策略，為解決水體氮污染問題提供更有力的技術(shù)支撐。
原標(biāo)題：有機(jī)氮向氨氮的轉(zhuǎn)化機(jī)制及影響因素研究
