Kiedy mówimy o oczyszczaniu ścieków, nawożeniu rolnym lub ochronie środowiska, często słyszymy słowa "azot organiczny" i "azot amonowy". Wiele osób może się zastanawiać, jaki jest związek między nimi? Jak azot organiczny stopniowo przekształca się w azot amonowy? Dziś, używając prostego języka, wyjaśnimy proces konwersji, a następnie omówimy powszechnie stosowane techniki konwersji w praktyce, aby upewnić się, że wszystko jest jasne. Po pierwsze, wyjaśnijmy: Co to jest azot organiczny? Co to jest azot amonowy? Zanim porozmawiamy o transformacji, musimy najpierw jasno zidentyfikować tych dwóch 'protagonistów'. Pierwiastek azotu wokół nas jest dość psotny, zawsze pojawia się w różnych "kamizelkach". Azot organiczny jest jedną z "kamizelek", która zwykle ukrywa się w materii organicznej, takiej jak białko, które jemy, związki azotowe w słomie roślinnej i różne związki organiczne w ściekach, z których wszystkie zawierają dużo azotu organicznego. Co to jest azot amonowy? Azot amonowy to w rzeczywistości kolejna "kamizelka" wymiany azotu, występująca głównie w postaci gazu amoniakalnego (NH3) lub jonów amonowych (NH₄⁺). Jest bardzo powszechny w wodzie, na przykład woda w naszym akwarium w domu po długim czasie będzie miała zapach i może zawierać azot amonowy; Nawóz azotowy stosowany na polach jest zmywany do rzek przez wodę, co również zwiększa ilość azotu amonowego w wodzie. Proces przekształcania azotu organicznego w azot amonowy, mówiąc prosto, to proces zmiany pierwiastka azotu z "kamizelki azotu organicznego" na "kamizelkę azotu amonowego". Proces ten często zachodzi w naturze i w naszych procesach przemysłowych i nazywamy go "amonifikacją". 'Magia' w naturze: jak azot organiczny sam z siebie zamienia się w azot amonowy? Możesz nie wiedzieć, że w naturze nie musimy się martwić o konwersję azotu organicznego w azot amonowy. Istnieje grupa "małych ekspertów" pracujących po cichu, są to mikroorganizmy. Mikroorganizmy są wszędzie wokół nas, takie jak bakterie, grzyby i inne niewidzialne stworzenia, które uwielbiają "jeść" materię organiczną. Kiedy 'trawią' materię organiczną zawierającą azot organiczny, tak jak my rozkładamy białko na aminokwasy, kiedy je jemy, mikroorganizmy rozkładają złożone struktury w azocie organicznym. Na przykład białka są najpierw rozkładane na aminokwasy, które następnie są dalej "rozkładane", a zawarty w nich pierwiastek azotu powoli zamienia się w amoniak (NH3). Jeśli jest w wodzie, amoniak może łatwo reagować z wodą, tworząc jony amonowe (NH₄⁺), co zamienia azot organiczny w azot amonowy. Proces ten można zaobserwować wszędzie w naturze: jesienią opadłe liście spadają na ziemię i są rozkładane przez mikroorganizmy, a zawarty w nich azot organiczny zamieni się w azot amonowy i powróci do gleby; Odchody zwierzęce wydzielają nieprzyjemny zapach podczas kompostowania, co jest w rzeczywistości spowodowane działaniem mikroorganizmów, które przekształcają azot organiczny w odchodach w azot amonowy, powodując zapach amoniaku. I proces ten może być przeprowadzany bez potrzeby tlenu. Niezależnie od tego, czy w glebie tlenowej, czy w beztlenowym osadzie ściekowym, mikroorganizmy mogą pracować, czyż to nie jest bardzo potężne? Jak możemy 'przyspieszyć' ten proces transformacji w przemyśle i życiu codziennym? W życiu codziennym i przemyśle często musimy oczyszczać ścieki zawierające azot organiczny, takie jak miejskie ścieki bytowe, ścieki z hodowli zwierząt i ścieki z zakładów przetwórstwa spożywczego. Jeśli azot organiczny w tych wodach nie zostanie oczyszczony i odprowadzony bezpośrednio, zanieczyści środowisko. Dlatego musimy znaleźć sposoby na szybkie przekształcenie azotu organicznego w azot amonowy w celu dalszego oczyszczania.
1. Tlenowy proces biologicznego oczyszczania: pozwalanie mikroorganizmom "oddychać pełną piersią", aby pracować. Tlenowe oczyszczanie biologiczne polega na umożliwieniu mikroorganizmom "swobodnego oddychania" w środowisku zawierającym tlen, szybkim rozkładaniu materii organicznej i przekształcaniu azotu organicznego w azot amonowy. Powszechnie stosowany proces osadu czynnego jest typowym procesem tlenowym. W komorze napowietrzania oczyszczalni ścieków pracownicy wdmuchują dużą ilość powietrza do wody przez rurociągi, aby napełnić wodę tlenem. W tym momencie mikroorganizmy kochające tlen (takie jak bakterie tlenowe) staną się "aktywne" i szaleńczo "zjedzą" materię organiczną w ściekach, stopniowo rozkładając azot organiczny na azot amonowy. Proces ten jest bardzo szybki, ponieważ gdy jest wystarczająca ilość tlenu, mikroorganizmy szybko się rozmnażają i pracują wydajnie. Ponadto osad w komorze napowietrzania jest jak "magazyn mikroorganizmów", zawierający dużą liczbę mikroorganizmów, które mogą w sposób ciągły oczyszczać azot organiczny w ściekach. Jednak proces ten wymaga zużycia tlenu i specjalistycznego sprzętu napowietrzającego, co jest odpowiednie do oczyszczania ścieków bytowych lub przemysłowych o niskim stężeniu azotu organicznego.
2. Beztlenowy proces biologicznego oczyszczania: W "warsztacie beztlenowym" niektóre ścieki o szczególnie wysokim stężeniu materii organicznej, takie jak obornik z ferm hodowlanych i ścieki z gorzelni, są cicho przekształcane. W tym momencie stosowanie procesów tlenowych jest nieopłacalne, ponieważ wymagana jest zbyt duża ilość tlenu. W tym momencie zastosujemy technologię beztlenowego oczyszczania biologicznego, aby umożliwić mikroorganizmom pracę w środowisku wolnym od tlenu. Procesy beztlenowe są generalnie przeprowadzane w zamkniętych reaktorach, takich jak powszechne reaktory UASB (upflow anaerobic sludge beds) i zbiorniki fermentacji beztlenowej. W tych reaktorach, bez tlenu, do gry wchodzą wyspecjalizowane "beztlenowe" mikroorganizmy. Ich proces rozkładu materii organicznej jest nieco bardziej złożony niż mikroorganizmów tlenowych, co obejmuje kilka etapów "rozkładu" materii organicznej. Azot organiczny jest powoli przekształcany w azot amonowy podczas tego procesu. Możesz zapytać, czy oczyszczanie beztlenowe nie wytwarza metanu? Zgadza się, ale podczas produkcji metanu amonifikacja również cicho zachodzi. Ponadto procesy beztlenowe są szczególnie energooszczędne, ponieważ nie wymagają napowietrzania i mogą generować metan jako źródło energii, co czyni je idealnymi do oczyszczania ścieków o wysokim stężeniu materii organicznej. Na przykład po oczyszczaniu beztlenowym obornik z fermy hodowlanej nie tylko przekształca azot organiczny w azot amonowy, ale także zbiera biogaz do gotowania i wytwarzania energii, zabijając dwie pieczenie na jednym ogniu.
3. Proces hydrolizy i zakwaszania: Najpierw "rozkład" materii organicznej, a następnie konwersja azotu amonowego. Czasami struktura materii organicznej w ściekach jest bardzo złożona i trudno jest mikroorganizmom ją "zjeść". W tym momencie konieczne jest najpierw ich "uproszczenie". Proces hydrolizy i zakwaszania jest do tego celu. Mikroorganizmy w zbiorniku hydrolizy i zakwaszania najpierw "rozdrobniają" złożoną materię organiczną (taką jak białka i celuloza) na proste małe cząsteczki organiczne (takie jak aminokwasy i glukoza). W tym procesie "rozdrobnienia" azot organiczny również zostanie rozłożony, przy czym część zostanie bezpośrednio przekształcona w azot amonowy, a pozostałe pierwiastki azotu w małych cząsteczkach organicznych zostaną dalej przekształcone w azot amonowy przez inne mikroorganizmy. Proces ten jest generalnie stosowany jako etap "wstępnego oczyszczania" w oczyszczaniu ścieków, pozwalając trudnym do oczyszczenia azotowi organicznemu najpierw "rozluźnić mięśnie i kości", ułatwiając późniejsze procesy tlenowe lub beztlenowe w celu bardziej wydajnego oczyszczania. Jest szczególnie odpowiedni do oczyszczania ścieków przemysłowych zawierających dużą ilość złożonej materii organicznej, takich jak ścieki z drukowania i farbowania oraz ścieki z produkcji papieru.
4. Kompostowanie i inżynieria biogazu: "Mali mistrzowie" amonifikacji w rolnictwie nie tylko muszą przekształcać azot organiczny w oczyszczaniu ścieków, ale także często wykorzystują tę zasadę w rolnictwie. Na przykład podczas kompostowania układamy słomę i odchody razem, dodajemy trochę wody, aby je zwilżyć, a następnie przykrywamy je folią plastikową. Mikroorganizmy wewnątrz będą się namnażać w tlenowym i lekko wilgotnym środowisku, rozkładając materię organiczną i zamieniając azot organiczny w azot amonowy, który pozostanie w kompoście. Nawóz usypany w ten sposób jest bogaty w azot amonowy, który może być wchłaniany przez rośliny w polu i wykorzystywany jako nawóz azotowy. Inżynieria biogazu jest podobna do kompostowania, ale obejmuje beztlenowe oczyszczanie w zamkniętym biogazowniku. Odchody i słoma są rozkładane przez beztlenowe mikroorganizmy w stawie, wytwarzając biogaz. Jednocześnie azot organiczny jest przekształcany w azot amonowy, a pozostała gnojowica i pozostałości są również dobrymi nawozami. Zawarty w nich azot amonowy może być wykorzystywany przez uprawy, co jest zarówno przyjazne dla środowiska, jak i energooszczędne.
Dlaczego przekształcać azot organiczny w azot amonowy? Czy ta konwersja jest ważna? Niektórzy mogą zapytać, jaki jest cel wkładania tak dużego wysiłku w przekształcanie azotu organicznego w azot amonowy? W rzeczywistości proces ten jest szczególnie ważny zarówno w ochronie środowiska, jak i w rolnictwie. Z punktu widzenia ochrony środowiska, jeśli azot organiczny jest bezpośrednio odprowadzany do wody, będzie powoli rozkładany przez mikroorganizmy w wodzie, co spowoduje zużycie tlenu w wodzie i spowoduje śmierć ryb i krewetek z powodu niedotlenienia. Ponadto azot organiczny może ostatecznie rozkładać się na azotany, a nadmierna ilość azotanów dostających się do wód gruntowych może spowodować choroby, jeśli zostaną spożyte. Przez wcześniejsze przekształcenie azotu organicznego w azot amonowy możemy wykorzystać kolejne procesy (takie jak nitryfikacja i denitryfikacja) do dalszego przetwarzania azotu amonowego na azot i odprowadzania go do powietrza, zmniejszając zanieczyszczenie środowiska. Z punktu widzenia rolnictwa, rośliny nie mogą bezpośrednio wchłaniać azotu organicznego i muszą czekać, aż zamieni się on w azot amonowy lub inny azot nieorganiczny, zanim będą mogły go "zjeść". Zatem proces amonifikacji w kompostowaniu i inżynierii biogazu ma na celu przekształcenie "nieskutecznego azotu" w "skuteczny azot", dzięki czemu nawozy są bardziej odżywcze, a uprawy lepiej rosną. Podsumowując: konwersja azotu organicznego w azot amonowy opiera się na mikroorganizmach. Ostatecznie, sednem konwersji azotu organicznego w azot amonowy jest praca mikroorganizmów. Niezależnie od tego, czy jest to rozkład opadłych liści w naturze, czy komory napowietrzania w oczyszczalniach ścieków, mikroorganizmy uwalniają pierwiastki azotu z azotu organicznego podczas rozkładu materii organicznej, zamieniając je w amoniak lub jony amonowe. A różne procesy wynalezione przez ludzi w zasadzie tworzą bardziej komfortowe "środowisko pracy" dla mikroorganizmów, aby skuteczniej zakończyć ten proces transformacji. Po zrozumieniu tego procesu, czy uważasz, że cykl azotu wokół ciebie jest dość wspaniały? Od niewidzialnych mikroorganizmów po ogromne oczyszczalnie ścieków, okazuje się, że celem jest przekształcenie azotu w cenne źródło, chroniąc środowisko i służąc naszemu codziennemu życiu. Następnym razem, gdy usłyszysz słowa 'azot amonowy' i 'azot organiczny', będziesz w stanie łatwo wyjaśnić ich związek!
