Όταν μιλάμε για επεξεργασία λυμάτων, γεωργική λίπανση ή θέματα περιβαλλοντικής προστασίας, συχνά ακούμε τις λέξεις "οργανικό άζωτο" και "αμμωνιακό άζωτο". Πολλοί μπορεί να αναρωτιούνται, ποια είναι η σχέση μεταξύ αυτών των δύο; Πώς το οργανικό άζωτο μετατρέπεται σταδιακά σε αμμωνιακό άζωτο; Σήμερα, ας χρησιμοποιήσουμε απλή γλώσσα για να εξηγήσουμε τη διαδικασία μετατροπής και στη συνέχεια να μιλήσουμε για τις συνήθεις τεχνικές μετατροπής στην πράξη, για να διασφαλίσουμε ότι μπορείτε να το ακούσετε καθαρά. Πρώτον, διευκρινίστε: Τι είναι το οργανικό άζωτο; Τι είναι το αμμωνιακό άζωτο; Πριν μιλήσουμε για τη μετατροπή, πρέπει πρώτα να προσδιορίσουμε ξεκάθαρα αυτούς τους δύο 'πρωταγωνιστές'. Το στοιχείο αζώτου γύρω μας είναι αρκετά άτακτο, εμφανίζεται πάντα σε διάφορα "γιλέκα". Το οργανικό άζωτο είναι ένα από τα "γιλέκα", το οποίο συνήθως κρύβεται στην οργανική ύλη, όπως η πρωτεΐνη που τρώμε, οι αζωτούχες ενώσεις στο άχυρο των φυτών και οι διάφορες οργανικές ενώσεις στα λύματα, όλα τα οποία περιέχουν πολύ οργανικό άζωτο. Τι είναι το αμμωνιακό άζωτο; Το αμμωνιακό άζωτο είναι στην πραγματικότητα ένα άλλο "γιλέκο" ανταλλαγής αζώτου, που υπάρχει κυρίως με τη μορφή αερίου αμμωνίας (NH3) ή ιόντων αμμωνίου (NH₄⁺). Είναι πολύ συνηθισμένο στο νερό, για παράδειγμα, το νερό στο ενυδρείο μας στο σπίτι θα μυρίζει μετά από πολύ καιρό και μπορεί να υπάρχει αμμωνιακό άζωτο σε αυτό. Το αζωτούχο λίπασμα που εφαρμόζεται στα χωράφια ξεπλένεται στα ποτάμια από το νερό, γεγονός που αυξάνει επίσης την ποσότητα αμμωνιακού αζώτου στο νερό. Η διαδικασία μετατροπής του οργανικού αζώτου σε αμμωνιακό άζωτο, με απλά λόγια, είναι η διαδικασία αλλαγής του στοιχείου αζώτου από "οργανικό γιλέκο αζώτου" σε "αμμωνιακό γιλέκο αζώτου". Αυτή η διαδικασία συμβαίνει συχνά στη φύση και στις βιομηχανικές μας διεργασίες και την ονομάζουμε "αμμωνοποίηση". Η 'μαγεία' στη φύση: πώς το οργανικό άζωτο μετατρέπεται από μόνο του σε αμμωνιακό άζωτο; Μπορεί να μην γνωρίζετε ότι στη φύση, δεν χρειάζεται να ανησυχούμε για τη μετατροπή του οργανικού αζώτου σε αμμωνιακό άζωτο. Υπάρχει μια ομάδα "μικρών ειδικών" που εργάζονται σιωπηλά, είναι μικροοργανισμοί. Οι μικροοργανισμοί είναι παντού γύρω μας, όπως βακτήρια, μύκητες και άλλα αόρατα πλάσματα που αγαπούν να "τρώνε" οργανική ύλη. Όταν 'χωνεύουν' οργανική ύλη που περιέχει οργανικό άζωτο, όπως ακριβώς διασπούμε την πρωτεΐνη σε αμινοξέα όταν την τρώμε, οι μικροοργανισμοί διασπούν τις πολύπλοκες δομές στο οργανικό άζωτο. Για παράδειγμα, οι πρωτεΐνες διασπώνται πρώτα σε αμινοξέα, τα οποία στη συνέχεια "διασπώνται" περαιτέρω και το στοιχείο αζώτου μέσα θα μετατραπεί αργά σε αμμωνία (NH3). Εάν είναι στο νερό, η αμμωνία μπορεί εύκολα να αντιδράσει με το νερό για να σχηματίσει ιόντα αμμωνίου (NH₄⁺), τα οποία μετατρέπουν το οργανικό άζωτο σε αμμωνιακό άζωτο. Αυτή η διαδικασία μπορεί να παρατηρηθεί παντού στη φύση: το φθινόπωρο, τα πεσμένα φύλλα πέφτουν στο έδαφος και αποσυντίθενται από μικροοργανισμούς και το οργανικό άζωτο μέσα θα μετατραπεί σε αμμωνιακό άζωτο και θα επιστρέψει στο έδαφος. Τα περιττώματα των ζώων εκπέμπουν μια άσχημη οσμή κατά τη διάρκεια της κομποστοποίησης, η οποία οφείλεται στην πραγματικότητα στην εργασία των μικροοργανισμών που μετατρέπουν το οργανικό άζωτο στα περιττώματα σε αμμωνιακό άζωτο, με αποτέλεσμα μια οσμή αμμωνίας. Και αυτή η διαδικασία μπορεί να πραγματοποιηθεί χωρίς την ανάγκη οξυγόνου. Είτε σε αερόβιο έδαφος είτε σε αναερόβιο ιλύ λυμάτων, οι μικροοργανισμοί μπορούν να εργαστούν, δεν είναι πολύ ισχυρό; Πώς μπορούμε να 'επιταχύνουμε' αυτή τη διαδικασία μετατροπής στη βιομηχανία και στην καθημερινή ζωή; Στην καθημερινή ζωή και στη βιομηχανία, συχνά χρειάζεται να επεξεργαστούμε λύματα που περιέχουν οργανικό άζωτο, όπως αστικά οικιακά λύματα, λύματα κτηνοτροφίας και λύματα από εργοστάσια επεξεργασίας τροφίμων. Εάν το οργανικό άζωτο σε αυτά τα νερά δεν υποβληθεί σε επεξεργασία και απορριφθεί απευθείας, θα ρυπάνουν το περιβάλλον. Επομένως, πρέπει να βρούμε τρόπους για να μετατρέψουμε γρήγορα το οργανικό άζωτο σε αμμωνιακό άζωτο για επακόλουθη επεξεργασία.
1. Αερόβια βιολογική διεργασία: επιτρέποντας στους μικροοργανισμούς να "αναπνέουν δυνατά" για να εργαστούν. Η αερόβια βιολογική επεξεργασία είναι να επιτρέψουμε στους μικροοργανισμούς να "αναπνέουν ελεύθερα" σε ένα περιβάλλον που περιέχει οξυγόνο, να αποσυνθέσουν γρήγορα την οργανική ύλη και να μετατρέψουν το οργανικό άζωτο σε αμμωνιακό άζωτο. Η συνήθως χρησιμοποιούμενη διεργασία ενεργού ιλύος είναι μια τυπική αερόβια διεργασία. Στη δεξαμενή αερισμού του σταθμού επεξεργασίας λυμάτων, οι εργάτες θα φυσήξουν μεγάλη ποσότητα αέρα στο νερό μέσω αγωγών για να γεμίσουν το νερό με οξυγόνο. Σε αυτό το σημείο, οι μικροοργανισμοί που αγαπούν το οξυγόνο (όπως τα αερόβια βακτήρια) θα γίνουν "ενεργοί" και θα "φάνε" τρελά οργανική ύλη στα λύματα, διασπώντας σταδιακά το οργανικό άζωτο σε αμμωνιακό άζωτο. Αυτή η διαδικασία είναι πολύ γρήγορη επειδή όταν υπάρχει επαρκές οξυγόνο, οι μικροοργανισμοί πολλαπλασιάζονται γρήγορα και εργάζονται αποτελεσματικά. Επιπλέον, η ιλύς στη δεξαμενή αερισμού είναι σαν μια "μικροβιακή αποθήκη", που περιέχει μεγάλο αριθμό μικροοργανισμών που μπορούν να επεξεργάζονται συνεχώς το οργανικό άζωτο στα λύματα. Ωστόσο, αυτή η διαδικασία απαιτεί κατανάλωση οξυγόνου και εξειδικευμένο εξοπλισμό αερισμού, ο οποίος είναι κατάλληλος για την επεξεργασία οικιακών ή βιομηχανικών λυμάτων με χαμηλή συγκέντρωση οργανικού αζώτου.
2. Αναερόβια βιολογική διεργασία: Στο "αναερόβιο εργαστήριο", κάποια λύματα με ιδιαίτερα υψηλές συγκεντρώσεις οργανικής ύλης, όπως κοπριά από εκτροφεία και λύματα από αποστακτήρια, μετατρέπονται σιωπηρά. Αυτή τη στιγμή, δεν είναι οικονομικά αποδοτικό να χρησιμοποιηθούν αερόβιες διεργασίες επειδή απαιτείται πολύ οξυγόνο. Σε αυτό το σημείο, θα χρησιμοποιήσουμε αναερόβια βιολογική τεχνολογία για να επιτρέψουμε στους μικροοργανισμούς να εργαστούν σε ένα περιβάλλον χωρίς οξυγόνο. Οι αναερόβιες διεργασίες πραγματοποιούνται γενικά σε κλειστούς αντιδραστήρες, όπως οι κοινοί αντιδραστήρες UASB (αντιδραστήρες αναερόβιας ιλύος ανοδικής ροής) και οι δεξαμενές αναερόβιας χώνευσης. Σε αυτούς τους αντιδραστήρες, χωρίς οξυγόνο, εξειδικευμένοι "αναερόβιοι" μικροοργανισμοί θα μπουν σε δράση. Η διαδικασία αποσύνθεσης της οργανικής ύλης είναι ελαφρώς πιο περίπλοκη από τους αερόβιους μικροοργανισμούς, η οποία περιλαμβάνει πολλά βήματα για να "διασπαστεί" η οργανική ύλη. Το οργανικό άζωτο μετατρέπεται αργά σε αμμωνιακό άζωτο κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας. Μπορεί να ρωτήσετε, δεν παράγει μεθάνιο η αναερόβια επεξεργασία; Σωστά, αλλά ενώ παράγεται μεθάνιο, η αμμωνοποίηση λαμβάνει επίσης χώρα σιωπηρά. Επιπλέον, οι αναερόβιες διεργασίες είναι ιδιαίτερα ενεργειακά αποδοτικές, καθώς δεν απαιτούν αερισμό και μπορούν να παράγουν μεθάνιο ως πηγή ενέργειας, καθιστώντας τις ιδανικές για την επεξεργασία λυμάτων υψηλής συγκέντρωσης. Για παράδειγμα, μετά από αναερόβια επεξεργασία, η κοπριά από μια κτηνοτροφική φάρμα όχι μόνο μετατρέπει το οργανικό άζωτο σε αμμωνιακό άζωτο, αλλά και συλλέγει βιοαέριο για μαγείρεμα και παραγωγή ενέργειας, σκοτώνοντας δύο πουλιά με ένα σμπάρο.
3. Διεργασία υδρόλυσης και οξίνισης: Πρώτον, "διασπάστε" την οργανική ύλη και στη συνέχεια μετατρέψτε το αμμωνιακό άζωτο. Μερικές φορές η δομή της οργανικής ύλης στα λύματα είναι πολύ περίπλοκη και είναι δύσκολο για τους μικροοργανισμούς να την "φάνε". Αυτή τη στιγμή, είναι απαραίτητο να τα "απλοποιήσουμε" πρώτα. Η διεργασία υδρόλυσης και οξίνισης είναι για αυτόν τον σκοπό. Οι μικροοργανισμοί στη δεξαμενή υδρόλυσης οξίνισης θα "τεμαχίσουν" πρώτα την πολύπλοκη οργανική ύλη (όπως πρωτεΐνες και κυτταρίνη) σε απλή οργανική ύλη μικρών μορίων (όπως αμινοξέα και γλυκόζη). Σε αυτή τη διαδικασία "τεμαχισμού", το οργανικό άζωτο θα αποσυντεθεί επίσης, με ένα τμήμα να μετατρέπεται απευθείας σε αμμωνιακό άζωτο και τα υπόλοιπα στοιχεία αζώτου στην οργανική ύλη μικρών μορίων θα μετατραπούν περαιτέρω σε αμμωνιακό άζωτο από άλλους μικροοργανισμούς. Αυτή η διαδικασία χρησιμοποιείται γενικά ως ένα βήμα "προεπεξεργασίας" στην επεξεργασία λυμάτων, επιτρέποντας στο δύσκολο στην επεξεργασία οργανικό άζωτο να "χαλαρώσει τους μύες και τα οστά του" πρώτα, καθιστώντας ευκολότερη την αποτελεσματικότερη επεξεργασία των επακόλουθων αερόβιων ή αναερόβιων διεργασιών. Είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για την επεξεργασία βιομηχανικών λυμάτων που περιέχουν μεγάλη ποσότητα πολύπλοκης οργανικής ύλης, όπως λύματα εκτύπωσης και βαφής και λύματα χαρτοποιίας.
4. Κομποστοποίηση και μηχανική βιοαερίου: Οι "μικροί μάστερ" της αμμωνοποίησης στη γεωργία δεν χρειάζεται μόνο να μετατρέψουν το οργανικό άζωτο στην επεξεργασία λυμάτων, αλλά χρησιμοποιούν επίσης συχνά αυτήν την αρχή στη γεωργία. Για παράδειγμα, κατά την κομποστοποίηση, στοιβάζουμε άχυρο και περιττώματα μαζί, προσθέτουμε λίγο νερό για να τα διατηρήσουμε υγρά και στη συνέχεια τα καλύπτουμε με πλαστικό φύλλο. Οι μικροοργανισμοί μέσα θα πολλαπλασιαστούν σε ένα αερόβιο και ελαφρώς υγρό περιβάλλον, αποσυνθέτοντας την οργανική ύλη και μετατρέποντας το οργανικό άζωτο σε αμμωνιακό άζωτο, το οποίο θα παραμείνει στην κομπόστ. Το λίπασμα που συσσωρεύεται με αυτόν τον τρόπο είναι πλούσιο σε αμμωνιακό άζωτο, το οποίο μπορεί να απορροφηθεί από τα φυτά στο χωράφι και να χρησιμοποιηθεί ως αζωτούχο λίπασμα. Η μηχανική βιοαερίου είναι παρόμοια με την κομποστοποίηση, αλλά περιλαμβάνει αναερόβια επεξεργασία σε έναν κλειστό χωνευτήρα βιοαερίου. Τα περιττώματα και το άχυρο αποσυντίθενται από αναερόβιους μικροοργανισμούς στη δεξαμενή, παράγοντας βιοαέριο. Ταυτόχρονα, το οργανικό άζωτο μετατρέπεται σε αμμωνιακό άζωτο και η υπόλοιπη λάσπη και τα υπολείμματα βιοαερίου είναι επίσης καλά λιπάσματα. Το αμμωνιακό άζωτο μέσα μπορεί να χρησιμοποιηθεί από τις καλλιέργειες, το οποίο είναι τόσο φιλικό προς το περιβάλλον όσο και εξοικονομεί ενέργεια.
Γιατί να μετατρέψουμε το οργανικό άζωτο σε αμμωνιακό άζωτο; Είναι σημαντική αυτή η μετατροπή; Μερικοί άνθρωποι μπορεί να ρωτήσουν, ποιος είναι ο σκοπός πίσω από την κατάθεση τόσων προσπαθειών για τη μετατροπή του οργανικού αζώτου σε αμμωνιακό άζωτο; Στην πραγματικότητα, αυτή η διαδικασία μετατροπής είναι ιδιαίτερα σημαντική τόσο στην περιβαλλοντική προστασία όσο και στη γεωργία. Από περιβαλλοντική άποψη, εάν το οργανικό άζωτο εκκενωθεί απευθείας στο νερό, θα αποσυντεθεί αργά από μικροοργανισμούς στο νερό, γεγονός που θα καταναλώσει οξυγόνο στο νερό και θα προκαλέσει το θάνατο ψαριών και γαρίδων λόγω υποξίας. Επιπλέον, το οργανικό άζωτο μπορεί να αποσυντεθεί τελικά σε νιτρικά και η υπερβολική είσοδος νιτρικών στο νερό μπορεί να προκαλέσει ασθένειες εάν καταναλωθεί. Και μετατρέποντας πρώτα το οργανικό άζωτο σε αμμωνιακό άζωτο, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε επακόλουθες διεργασίες (όπως νιτροποίηση και απονιτροποίηση) για να επεξεργαστούμε περαιτέρω το αμμωνιακό άζωτο σε άζωτο και να το απορρίψουμε στον αέρα, μειώνοντας την περιβαλλοντική ρύπανση. Από γεωργική άποψη, τα φυτά δεν μπορούν να απορροφήσουν άμεσα το οργανικό άζωτο και πρέπει να περιμένουν να μετατραπεί σε αμμωνιακό άζωτο ή άλλο ανόργανο άζωτο πριν μπορέσουν να το "φάνε". Έτσι, η διαδικασία αμμωνοποίησης στην κομποστοποίηση και τη μηχανική βιοαερίου είναι στην πραγματικότητα να μετατρέψουμε το "αναποτελεσματικό άζωτο" σε "αποτελεσματικό άζωτο", καθιστώντας τα λιπάσματα πιο θρεπτικά και τις καλλιέργειες να αναπτύσσονται καλύτερα. Τέλος, για να συνοψίσουμε: η μετατροπή του οργανικού αζώτου σε αμμωνιακό άζωτο βασίζεται σε μικροοργανισμούς. Τελικά, ο πυρήνας της μετατροπής του οργανικού αζώτου σε αμμωνιακό άζωτο είναι η εργασία των μικροοργανισμών. Είτε πρόκειται για την αποσύνθεση των πεσμένων φύλλων στη φύση είτε για τις δεξαμενές αερισμού σε σταθμούς επεξεργασίας λυμάτων, οι μικροοργανισμοί απελευθερώνουν στοιχεία αζώτου από το οργανικό άζωτο κατά την αποσύνθεση της οργανικής ύλης, μετατρέποντάς τα σε αμμωνία ή ιόντα αμμωνίου. Και οι διάφορες διεργασίες που εφευρέθηκαν από τους ανθρώπους δημιουργούν ουσιαστικά ένα πιο άνετο "εργασιακό περιβάλλον" για τους μικροοργανισμούς για να ολοκληρώσουν αυτή τη διαδικασία μετατροπής πιο αποτελεσματικά. Αφού κατανοήσετε αυτή τη διαδικασία, νομίζετε ότι ο κύκλος του αζώτου γύρω σας είναι αρκετά υπέροχος; Από αόρατους μικροοργανισμούς έως τεράστιους σταθμούς επεξεργασίας λυμάτων, αποδεικνύεται ότι ο στόχος είναι να μετατρέψουμε το άζωτο σε έναν πολύτιμο πόρο, προστατεύοντας το περιβάλλον και εξυπηρετώντας την καθημερινή μας ζωή. Την επόμενη φορά που θα ακούσετε τις λέξεις 'αμμωνιακό άζωτο' και 'οργανικό άζωτο', θα μπορείτε εύκολα να εξηγήσετε τη σχέση τους!
