Nel campo del trattamento delle acque reflue, la trasformazione biologica dell’azoto è il processo fondamentale per ottenere la rimozione di azoto e fosforo e soddisfare gli standard sulle emissioni. Questo processo non prevede una singola reazione, ma piuttosto il completamento coordinato di tre passaggi chiave: ammonificazione, nitrificazione e denitrificazione. Insieme, questi passaggi convertono gradualmente l’azoto organico complesso e l’azoto inorganico nelle acque reflue in azoto gassoso innocuo, riducendo sostanzialmente il carico di azoto nei corpi idrici.
Introduzione
L'azoto nelle acque reflue esiste principalmente sotto forma di azoto organico (come proteine e urea) e azoto ammoniacale. Lo scarico diretto può portare a problemi ambientali come l’eutrofizzazione dei corpi idrici. I metodi di trattamento biologico, con i loro vantaggi di elevata efficienza ed economia, sono diventati la tecnologia principale per la rimozione dell’azoto dalle acque reflue. Il principio fondamentale è quello di utilizzare le attività metaboliche di diversi microrganismi in condizioni ambientali specifiche per trasformare gradualmente gli elementi di azoto, ottenendo infine la rimozione dei gas dai corpi idrici nell'atmosfera. Quanto segue analizzerà sistematicamente il meccanismo principale di questo processo.
I. Ammonificazione: conversione dell'azoto organico in azoto ammoniacale
L'ammonificazione è il primo passo nella rimozione dell'azoto dalle acque reflue, riferendosi alla conversione dei composti organici dell'azoto in
Il processo è facilitato principalmente dall’ammonificazione dei batteri. A seconda del contenuto di ossigeno dell'ambiente, può essere classificato in due percorsi: trasformazione aerobica e trasformazione anaerobica.
1. Trasformazione aerobica
In condizioni aerobiche, microrganismi come Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus e Proteus vulgaris facoltativo partecipano alla reazione, degradando principalmente l'azoto organico attraverso due meccanismi principali:
• Deaminazione ossidativa: sotto la catalisi delle ossidasi, gli amminoacidi perdono gradualmente i loro gruppi amminici per generare chetoacidi e ammoniaca.
Prendendo come esempio l’alanina:
CH3CH(NH2)COOH→ CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3
(Alanina → Acido imminopropionico → Acido piruvico + Ammoniaca)
• Idrolisi dell'ammoniaca: sotto l'azione degli enzimi idrolitici, i composti organici contenenti azoto-come l'urea vengono idrolizzati per produrre ammoniaca.
Reazione di idrolisi dell'urea:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
I batteri coinvolti in questo processo includono batteri aerobici come Enterococcus faecalis e Bacillus urea.
2. Conversione anaerobica
In ambienti anaerobici o carenti di ossigeno-, i microrganismi anaerobici e anaerobici facoltativi completano l'ammonificazione attraverso tre percorsi:
• Riduzione e deaminazione:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• Rimozione dell'ammoniaca-a base di acqua:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• Disidratazione e deaminazione:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
II. Nitrificazione: ossidazione dell'azoto ammoniacale in azoto nitrato
La nitrificazione è la seconda reazione principale che ossida NH3−N in NOx−N, che viene completata sinergicamente dai batteri nitriti e dai batteri nitrati ed è divisa in due fasi: nitritazione e nitrificazione
1. Meccanismo di reazione
• Reazione di nitritazione (dominata dai batteri nitriti):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5kJ
• Reazione di nitrificazione (dominata dai nitrobatteri):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• Formula di reazione complessiva:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69kJ
2. Caratteristiche chiave del processo
• Elevata richiesta di ossigeno: consumo teorico di 4,2 g per rimozione di 1 g, pertanto la reazione di nitrificazione deve essere condotta in condizioni di aerazione sufficienti.
• Basso tasso di crescita: i batteri nitrificanti hanno una resa cellulare estremamente bassa e sono più inclini a un'attività insufficiente durante i freddi mesi invernali. Pertanto è necessario mantenere un’elevata concentrazione dei fanghi per garantire l’efficienza del trattamento.
• Consumo di alcalinità: la reazione genera una grande quantità di H+. Teoricamente, vengono consumati 7,54 g di alcalinità (calcolati come CaCO3) per ogni g di ossidazione. È necessario mantenere la stabilità del pH del sistema aggiungendo agenti alcalini.
III. Denitrificazione: riduzione dell'azoto nitrico in azoto gassoso
La denitrificazione è la fase finale nella rimozione dell'azoto dalle acque reflue. Si riferisce al processo in cui i batteri denitrificanti riducono NOx−N e altri ossidi di azoto in gas di azoto o ossidi di azoto gassosi come accettori di elettroni in condizioni anaerobiche o di carenza di ossigeno- (DO < 0,3~0,5 mg/L).
1. Meccanismo di reazione
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
Reazione di riduzione completa (prendendo come esempio i composti organici come donatori di elettroni):
NO3−+5[H] (donatore di elettroni) → 0,5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (donatore di elettroni) → 0,5N2 + H2O + OH−
2. Requisiti relativi alla fonte di carbonio e caratteristiche microbiche
• Consumo di fonte di carbonio: teoricamente, sono necessari 2,86 g di fonte di carbonio per convertire 1 g di azoto nitrato in N2 e 1,71 g di materia organica per convertire 1 g di azoto nitrito.
• Diversità di donatori di elettroni: [H] può essere fornito da composti organici, solfuri, ecc., offrendo molteplici opzioni di fonti di carbonio per l'ottimizzazione del processo.
• Caratteristiche microbiche: i batteri denitrificanti sono per lo più batteri facoltativi, che respirano utilizzando O2 come accettore terminale di elettroni in presenza di ossigeno e utilizzano NOx−N per la respirazione in assenza di ossigeno. Questa caratteristica è il fondamento principale del processo di denitrificazione anossica.
Riepilogo
La trasformazione biologica dell'azoto nelle acque reflue è un processo a catena interconnesso:
L'ammonificazione scompone le molecole di azoto organico, rilasciando azoto ammoniacale;
La nitrificazione prevede la graduale ossidazione dell'azoto ammoniacale ad azoto nitrato in ambiente aerobico;
La denitrificazione riduce l'azoto nitrato in azoto gassoso in ambienti anossici, ottenendo infine la rimozione dell'azoto dai corpi idrici nell'atmosfera.
Il funzionamento efficiente di questo processo si basa sul controllo preciso di parametri chiave come il contenuto di ossigeno, l’alcalinità, la fonte di carbonio e la temperatura e funge da supporto tecnico fondamentale per ottenere una rimozione stabile dell’azoto nei moderni impianti di acque reflue urbane e nel trattamento delle acque reflue industriali.