ניתוח מקיף של תהליך הטרנספורמציה הביולוגית של חנקן בביוב

בתחום הטיפול בשפכים, הטרנספורמציה הביולוגית של חנקן היא תהליך הליבה להשגת סילוק חנקן וזרחן ועמידה בתקני פליטה. תהליך זה אינו כרוך בתגובה אחת, אלא בהשלמה מתואמת של שלושה שלבים מרכזיים: אמוניפיקציה, ניטריפיקציה ודניטריפיקציה. ביחד, השלבים הללו הופכים בהדרגה חנקן אורגני מורכב וחנקן אנאורגני בשפכים לגז חנקן לא מזיק, ומפחיתים באופן יסודי את עומס החנקן במקווי המים.

מָבוֹא
חנקן בביוב קיים בעיקר בצורות של חנקן אורגני (כגון חלבון ואוריאה) וחנקן אמוניה. הזרמה ישירה עלולה להוביל לבעיות סביבתיות כמו אאוטרופיקציה של גופי מים. שיטות טיפול ביולוגיות, עם יתרונותיהן של יעילות וחסכון גבוהים, הפכו לטכנולוגיה המרכזית לפינוי חנקן מהביוב. עקרון הליבה הוא לנצל את הפעילויות המטבוליות של מיקרואורגניזמים שונים בתנאים סביבתיים ספציפיים כדי להפוך בהדרגה אלמנטים חנקן, בסופו של דבר להשיג סילוק גזים מגופי מים לאטמוספירה. להלן ינתח באופן שיטתי את מנגנון הליבה של תהליך זה.

אמוניפיקציה היא השלב הראשון בסילוק חנקן ממי שפכים, המתייחס להמרה של תרכובות חנקן אורגניות ל
התהליך מקל בעיקר על ידי אמוניפיקציה של חיידקים. בהתאם לתכולת החמצן של הסביבה, ניתן לסווג אותו לשני מסלולים: טרנספורמציה אירובית והתמרה אנאירובית
1. טרנספורמציה אירובית
בתנאים אירוביים, מיקרואורגניזמים כגון Aeromonas hydrophila, Bacillus cereus ו-Proteus vulgaris הפקולטטיבי משתתפים בתגובה, ובעיקר מפרקים חנקן אורגני באמצעות שני מנגנונים עיקריים:
• דמינציה חמצונית: תחת קטליזה של אוקסידאזות, חומצות אמינו מאבדות בהדרגה את קבוצות האמינו שלהן כדי ליצור חומצות קטו ואמוניה.
ניקח את אלנין כדוגמה:
CH3CH(NH2)COOH → CH3C(NH2)COOH → CH3COCOOH + NH3

(אלנין → חומצה אימינופרופיונית → חומצה פירובית + אמוניה)
• הידרוליזה של אמוניה: תחת פעולת אנזימים הידרוליטים, חנקן- המכילים תרכובות אורגניות כמו אוריאה עובר הידרוליזה לייצור אמוניה.
תגובת הידרוליזה של אוריאה:
(NH2)2CO + 2H2O → 2NH3 + CO2 + H2O
החיידקים המעורבים בתהליך זה כוללים חיידקים אירוביים כגון Enterococcus faecalis ו-Bacillus urea.

2. המרה אנאירובית
בסביבות אנאירוביות או{0}}חסרות חמצן, מיקרואורגניזמים אנאירוביים אנאירוביים ופקולטטיביים משלימים אמוניפיקציה באמצעות שלושה מסלולים:
• צמצום ודמינציה:
RCH(NH2)COOH + 2H → RCH2COOH + NH3
• סילוק אמוניה על בסיס-מים:
RCH(NH2)COOH + 2H2O → RCH(OH)COOH + NH3
• התייבשות ודמינציה:
CH2(OH)CH(NH2) → CH3COCOOH + NH3+H2O
 

ניטריפיקציה היא תגובת הליבה השנייה המחמצנת את NH3−N ל-NOx−N, אשר הושלמה באופן סינרגיסטי על ידי חיידקי ניטריט וחיידקי ניטראט, ומחולקת לשני שלבים: ניטריטציה וניטריפיקציה
1. מנגנון תגובה
• תגובת ניטריטציה (הנשלטת על ידי חיידקי ניטריט):
NH3 + 1.5O2 → NO2− + H+ + H2O + 273.5kJ
• תגובת ניטריפיקציה (הנשלטת על ידי ניטרובקטריה):
NO2− + 0.5O2 → NO3− + 73.19kJ
• נוסחת תגובה כוללת:
NH3 + 2O2 → NO3− + H+ + H2O + 346.69kJ

2. מאפייני תהליך מפתח
• דרישה גבוהה לחמצן: צריכה תיאורטית של 4.2 גרם לכל הסרה של 1 גרם, לכן יש לבצע את תגובת הניטריפיקציה בתנאי אוורור מספקים.
• קצב גדילה נמוך: לחיידקים מחנקים יש תפוקת תאים נמוכה במיוחד, והם נוטים יותר לפעילות לא מספקת בחודשי החורף הקרים. לכן, יש צורך לשמור על ריכוז בוצה גבוה כדי להבטיח יעילות הטיפול.
• צריכת אלקליניות: התגובה מייצרת כמות גדולה של H+. באופן תיאורטי, 7.54 גרם של בסיסיות (מחושב כ-CaCO3) נצרכים עבור כל 1 גרם של חמצון. יש צורך לשמור על יציבות ה-pH של המערכת על ידי הוספת חומרים אלקליים.

דניטריפיקציה היא השלב האחרון בסילוק חנקן ממי שפכים. זה מתייחס לתהליך שבו חיידקים דניטריפיים מפחיתים את NOx−N ותחמוצות חנקן אחרות לגז חנקן או תחמוצות חנקן גזיות כמקבלי אלקטרונים בתנאים אנאירוביים או -חסרי חמצן (DO < 0.3~0.5mg/L).
1. מנגנון תגובה
𝑁𝑂3−→𝑁𝑂2−→>𝑁𝑂→𝑁2𝑂→𝑁2
תגובת הפחתה מלאה (לוקח תרכובות אורגניות כתורמות אלקטרונים כדוגמה):
NO3−+5[H] (תורם אלקטרונים) → 0.5N2 + 2H2O + OH−
NO2− + 3[H] (תורם אלקטרונים) → 0.5N2 + H2O + OH−

2. דרישות מקור פחמן ומאפיינים מיקרוביאליים

• צריכת מקור פחמן: תיאורטית, נדרשים 2.86 גרם של מקור פחמן כדי להמיר 1 גרם חנקן חנקתי ל-N2, ו-1.71 גרם של חומר אורגני נדרש להמרת 1 גרם חנקן ניטריט.
• מגוון של תורמי אלקטרונים: [H] יכול להיות מסופק על ידי תרכובות אורגניות, סולפידים וכו', המציעים מספר אפשרויות למקורות פחמן לאופטימיזציה של תהליך.
• מאפיינים מיקרוביאליים: חיידקים דניטריפייניים הם לרוב חיידקים פקולטטיביים, הנושמים באמצעות O2 כמקבל האלקטרונים הסופי בנוכחות חמצן, ומשתמשים ב-NOx−N לנשימה בהיעדר חמצן. מאפיין זה הוא הבסיס הליבה של תהליך הדניטריפיקציה האנוקסית.
 

תַקצִיר
הטרנספורמציה הביולוגית של חנקן בביוב היא תהליך שרשרת המחובר ביניהם:
אמוניפיקציה מפרקת מולקולות חנקן אורגניות, ומשחררת חנקן אמוניה;
ניטריפיקציה כרוכה בחמצון הדרגתי של חנקן אמוניאקי לחנקן חנקתי בסביבה אירובית;
דניטריפיקציה מפחיתה חנקן חנקן לגז חנקן בסביבות אנוקסיות, ובסופו של דבר משיגה סילוק חנקן מגופי מים לאטמוספירה.
הפעולה היעילה של תהליך זה מסתמכת על שליטה מדויקת על פרמטרים מרכזיים כגון תכולת חמצן, בסיסיות, מקור פחמן וטמפרטורה, ומשמשת כתמיכה טכנית הליבה להשגת סילוק חנקן יציב במפעלי שפכים עירוניים מודרניים וטיפול בשפכים תעשייתיים.