وقتی در مورد تصفیه فاضلاب، کوددهی کشاورزی یا موضوعات حفاظت از محیط زیست صحبت می کنیم، اغلب کلمات "نیتروژن آلی" و "نیتروژن آمونیاکی" را می شنویم. بسیاری از مردم ممکن است تعجب کنند که رابطه این دو چیست؟ چگونه نیتروژن آلی به تدریج به نیتروژن آمونیاکی تبدیل می شود؟ امروز، بیایید با زبانی ساده فرآیند تبدیل را توضیح دهیم و سپس در مورد تکنیک های تبدیل که معمولاً در عمل استفاده می شود صحبت کنیم تا اطمینان حاصل شود که می توانید آن را به وضوح بشنوید. ابتدا روشن کنیم: نیتروژن آلی چیست؟ نیتروژن آمونیاکی چیست؟ قبل از صحبت در مورد تبدیل، باید ابتدا این دو 'شخصیت اصلی' را به وضوح شناسایی کنیم. عنصر نیتروژن در اطراف ما بسیار شیطنت آمیز است و همیشه در "لباس های" مختلف ظاهر می شود. نیتروژن آلی یکی از این "لباس ها" است که معمولاً در مواد آلی پنهان می شود، مانند پروتئینی که می خوریم، ترکیبات حاوی نیتروژن در کاه گیاهی و ترکیبات آلی مختلف در فاضلاب که همگی حاوی مقدار زیادی نیتروژن آلی هستند. نیتروژن آمونیاکی چیست؟ نیتروژن آمونیاکی در واقع "لباس" دیگری از تبادل نیتروژن است که عمدتاً به شکل گاز آمونیاک (NH3) یا یون های آمونیوم (NH₄⁺) وجود دارد. این ماده در آب بسیار رایج است، به عنوان مثال، آب در آکواریوم خانگی ما پس از مدت طولانی بو می گیرد و ممکن است نیتروژن آمونیاکی در آن وجود داشته باشد. کود نیتروژنی که در مزارع استفاده می شود توسط آب به رودخانه ها شسته می شود که این نیز مقدار نیتروژن آمونیاکی را در آب افزایش می دهد. فرآیند تبدیل نیتروژن آلی به نیتروژن آمونیاکی، به زبان ساده، فرآیند تغییر عنصر نیتروژن از "لباس نیتروژن آلی" به "لباس نیتروژن آمونیاکی" است. این فرآیند اغلب در طبیعت و فرآیندهای صنعتی ما رخ می دهد و ما آن را "آمونیاک سازی" می نامیم. 'جادو' در طبیعت: چگونه نیتروژن آلی به خودی خود به نیتروژن آمونیاکی تبدیل می شود؟ ممکن است ندانید که در طبیعت، نیازی نیست نگران تبدیل نیتروژن آلی به نیتروژن آمونیاکی باشیم. گروهی از "متخصصان کوچک" در حال کار بی سر و صدا هستند، آنها میکروارگانیسم ها هستند. میکروارگانیسم ها در همه جا در اطراف ما وجود دارند، مانند باکتری ها، قارچ ها و سایر موجودات نامرئی که عاشق "خوردن" مواد آلی هستند. هنگامی که آنها مواد آلی حاوی نیتروژن آلی را 'هضم' می کنند، درست مثل زمانی که پروتئین را به اسیدهای آمینه تجزیه می کنیم، میکروارگانیسم ها ساختارهای پیچیده در نیتروژن آلی را تجزیه می کنند. به عنوان مثال، پروتئین ها ابتدا به اسیدهای آمینه تجزیه می شوند، که سپس بیشتر "تجزیه" می شوند و عنصر نیتروژن داخل آن به آرامی به آمونیاک (NH3) تبدیل می شود. اگر در آب باشد، آمونیاک می تواند به راحتی با آب واکنش داده و یون های آمونیوم (NH₄⁺) را تشکیل دهد که نیتروژن آلی را به نیتروژن آمونیاکی تبدیل می کند. این فرآیند را می توان در همه جای طبیعت مشاهده کرد: در پاییز، برگ های افتاده به زمین می افتند و توسط میکروارگانیسم ها تجزیه می شوند و نیتروژن آلی داخل آن به نیتروژن آمونیاکی تبدیل شده و به خاک باز می گردد. فضولات حیوانی در حین کمپوست شدن بوی نامطبوعی از خود متصاعد می کنند که در واقع به دلیل کار میکروارگانیسم هایی است که نیتروژن آلی موجود در مدفوع را به نیتروژن آمونیاکی تبدیل می کنند و در نتیجه بوی آمونیاک ایجاد می شود. و این فرآیند می تواند بدون نیاز به اکسیژن انجام شود. چه در خاک هوازی و چه در لجن فاضلاب بی هوازی، میکروارگانیسم ها می توانند کار کنند، آیا این بسیار قدرتمند نیست؟ چگونه می توانیم این فرآیند تبدیل را در صنعت و زندگی روزمره 'تسریع' کنیم؟ در زندگی روزمره و صنعت، ما اغلب نیاز به تصفیه فاضلاب حاوی نیتروژن آلی داریم، مانند فاضلاب شهری، فاضلاب دامداری و فاضلاب کارخانه های فرآوری مواد غذایی. اگر نیتروژن آلی موجود در این آب ها تصفیه نشود و مستقیماً تخلیه شود، محیط زیست را آلوده می کند. بنابراین، ما باید راه هایی برای تبدیل سریع نیتروژن آلی به نیتروژن آمونیاکی برای تصفیه بعدی پیدا کنیم.
1. فرآیند تصفیه بیولوژیکی هوازی: اجازه دادن به میکروارگانیسم ها برای "تنفس بزرگ" برای کار. تصفیه بیولوژیکی هوازی این است که به میکروارگانیسم ها اجازه می دهد در یک محیط حاوی اکسیژن "آزادانه نفس بکشند"، مواد آلی را به سرعت تجزیه کنند و نیتروژن آلی را به نیتروژن آمونیاکی تبدیل کنند. فرآیند لجن فعال که معمولاً استفاده می شود یک فرآیند هوازی معمولی است. در مخزن هوادهی تصفیه خانه فاضلاب، کارگران مقدار زیادی هوا را از طریق خطوط لوله به داخل آب می دمند تا آب را از اکسیژن پر کنند. در این مرحله، میکروارگانیسم های دوستدار اکسیژن (مانند باکتری های هوازی) "فعال" می شوند و به طور دیوانه وار مواد آلی موجود در فاضلاب را "می خورند" و به تدریج نیتروژن آلی را به نیتروژن آمونیاکی تجزیه می کنند. این فرآیند بسیار سریع است زیرا هنگامی که اکسیژن کافی وجود داشته باشد، میکروارگانیسم ها به سرعت تکثیر می شوند و کارآمد عمل می کنند. علاوه بر این، لجن موجود در مخزن هوادهی مانند یک "انبار میکروبی" است که حاوی تعداد زیادی میکروارگانیسم است که می توانند به طور مداوم نیتروژن آلی موجود در فاضلاب را تصفیه کنند. با این حال، این فرآیند به مصرف اکسیژن و تجهیزات هوادهی تخصصی نیاز دارد که برای تصفیه فاضلاب خانگی یا صنعتی با غلظت کم نیتروژن آلی مناسب است.
2. فرآیند تصفیه بیولوژیکی بی هوازی: در "کارگاه بی هوازی"، برخی از فاضلاب ها با غلظت های بسیار بالای مواد آلی، مانند کود از مزارع پرورش و فاضلاب از کارخانه های تقطیر، بی سر و صدا تبدیل می شوند. در این زمان، استفاده از فرآیندهای هوازی مقرون به صرفه نیست زیرا به اکسیژن زیادی نیاز است. در این مرحله، ما از فناوری تصفیه بیولوژیکی بی هوازی استفاده می کنیم تا به میکروارگانیسم ها اجازه دهیم در یک محیط بدون اکسیژن کار کنند. فرآیندهای بی هوازی به طور کلی در راکتورهای بسته انجام می شوند، مانند راکتورهای UASB (بستر لجن بی هوازی رو به بالا) و مخازن هضم بی هوازی. در این راکتورها، بدون اکسیژن، میکروارگانیسم های "بی هوازی" تخصصی وارد عمل می شوند. فرآیند تجزیه مواد آلی آنها کمی پیچیده تر از میکروارگانیسم های هوازی است که شامل چندین مرحله برای "تجزیه" مواد آلی است. نیتروژن آلی در طول این فرآیند به آرامی به نیتروژن آمونیاکی تبدیل می شود. ممکن است بپرسید، آیا تصفیه بی هوازی متان تولید نمی کند؟ درست است، اما در حالی که متان تولید می شود، آمونیاک سازی نیز به آرامی در حال انجام است. علاوه بر این، فرآیندهای بی هوازی به ویژه از نظر انرژی کارآمد هستند زیرا نیازی به هوادهی ندارند و می توانند متان را به عنوان منبع انرژی تولید کنند و آنها را برای تصفیه فاضلاب آلی با غلظت بالا ایده آل می کند. به عنوان مثال، پس از تصفیه بی هوازی، کود از یک مزرعه دامداری نه تنها نیتروژن آلی را به نیتروژن آمونیاکی تبدیل می کند، بلکه بیوگاز را نیز برای پخت و پز و تولید برق جمع آوری می کند و با یک تیر دو نشان می زند.
3. فرآیند هیدرولیز و اسیدیفیکاسیون: ابتدا مواد آلی را "تجزیه" کنید و سپس نیتروژن آمونیاکی را تبدیل کنید. گاهی اوقات ساختار مواد آلی موجود در فاضلاب بسیار پیچیده است و "خوردن" آن برای میکروارگانیسم ها دشوار است. در این زمان، لازم است ابتدا آنها را "ساده" کرد. فرآیند هیدرولیز و اسیدیفیکاسیون برای این منظور است. میکروارگانیسم های موجود در مخزن اسیدیفیکاسیون هیدرولیز ابتدا مواد آلی پیچیده (مانند پروتئین ها و سلولز) را به مواد آلی مولکول کوچک ساده (مانند اسیدهای آمینه و گلوکز) "خرد" می کنند. در این فرآیند "خرد کردن"، نیتروژن آلی نیز تجزیه می شود، که بخشی از آن مستقیماً به نیتروژن آمونیاکی تبدیل می شود و عناصر نیتروژن باقی مانده در مواد آلی مولکول کوچک توسط سایر میکروارگانیسم ها بیشتر به نیتروژن آمونیاکی تبدیل می شوند. این فرآیند به طور کلی به عنوان یک مرحله "پیش تصفیه" در تصفیه فاضلاب استفاده می شود و به نیتروژن آلی که تصفیه آن دشوار است اجازه می دهد ابتدا "عضلات و استخوان های خود را شل کند" و باعث می شود فرآیندهای هوازی یا بی هوازی بعدی کارآمدتر تصفیه شوند. این به ویژه برای تصفیه فاضلاب صنعتی حاوی مقدار زیادی مواد آلی پیچیده، مانند فاضلاب چاپ و رنگرزی و فاضلاب کاغذسازی مناسب است.
4. کمپوست سازی و مهندسی بیوگاز: "استادان کوچک" آمونیاک سازی در کشاورزی نه تنها نیاز به تبدیل نیتروژن آلی به تصفیه فاضلاب دارند، بلکه مکرراً از این اصل در کشاورزی استفاده می کنند. به عنوان مثال، هنگام کمپوست سازی، ما کاه و مدفوع را با هم جمع می کنیم، مقداری آب اضافه می کنیم تا مرطوب بمانند و سپس آنها را با ورق های پلاستیکی می پوشانیم. میکروارگانیسم های داخل آن در یک محیط هوازی و کمی مرطوب تکثیر می شوند، مواد آلی را تجزیه می کنند و نیتروژن آلی را به نیتروژن آمونیاکی تبدیل می کنند که در کمپوست باقی می ماند. کود انباشته شده به این روش سرشار از نیتروژن آمونیاکی است که می تواند توسط گیاهان در مزرعه جذب شود و به عنوان کود نیتروژنی استفاده شود. مهندسی بیوگاز مشابه کمپوست سازی است، اما شامل تصفیه بی هوازی در یک هاضم بیوگاز بسته است. مدفوع و کاه توسط میکروارگانیسم های بی هوازی در حوضچه تجزیه می شوند و بیوگاز تولید می کنند. در عین حال، نیتروژن آلی به نیتروژن آمونیاکی تبدیل می شود و لجن و باقیمانده بیوگاز نیز کودهای خوبی هستند. نیتروژن آمونیاکی داخل آن می تواند توسط محصولات زراعی استفاده شود که هم سازگار با محیط زیست و هم صرفه جویی در انرژی است.
چرا نیتروژن آلی را به نیتروژن آمونیاکی تبدیل می کنیم؟ آیا این تبدیل مهم است؟ برخی از مردم ممکن است بپرسند، هدف از صرف این همه تلاش برای تبدیل نیتروژن آلی به نیتروژن آمونیاکی چیست؟ در واقع، این فرآیند تبدیل هم در حفاظت از محیط زیست و هم در کشاورزی بسیار مهم است. از منظر زیست محیطی، اگر نیتروژن آلی مستقیماً به آب تخلیه شود، به آرامی توسط میکروارگانیسم ها در آب تجزیه می شود که اکسیژن موجود در آب را مصرف می کند و باعث مرگ ماهی ها و میگوها به دلیل هیپوکسی می شود. علاوه بر این، نیتروژن آلی ممکن است در نهایت به نیترات تجزیه شود و ورود بیش از حد نیترات به آب های زیرزمینی در صورت مصرف ممکن است باعث بیماری شود. و با تبدیل نیتروژن آلی به نیتروژن آمونیاکی، می توانیم از فرآیندهای بعدی (مانند نیتریفیکاسیون و دنیتریفیکاسیون) برای پردازش بیشتر نیتروژن آمونیاکی به نیتروژن و تخلیه آن به هوا استفاده کنیم و آلودگی محیط زیست را کاهش دهیم. از منظر کشاورزی، گیاهان نمی توانند مستقیماً نیتروژن آلی را جذب کنند و باید منتظر بمانند تا به نیتروژن آمونیاکی یا سایر نیتروژن های معدنی تبدیل شود تا بتوانند آن را "بخورند". بنابراین فرآیند آمونیاک سازی در کمپوست سازی و مهندسی بیوگاز در واقع تبدیل "نیتروژن بی اثر" به "نیتروژن موثر" است و باعث می شود کودها مغذی تر شوند و محصولات زراعی بهتر رشد کنند. در نهایت، برای خلاصه کردن: تبدیل نیتروژن آلی به نیتروژن آمونیاکی به میکروارگانیسم ها متکی است. در نهایت، هسته اصلی تبدیل نیتروژن آلی به نیتروژن آمونیاکی، کار میکروارگانیسم ها است. چه تجزیه برگ های افتاده در طبیعت و چه مخازن هوادهی در تصفیه خانه های فاضلاب، میکروارگانیسم ها هنگام تجزیه مواد آلی، عناصر نیتروژن را از نیتروژن آلی آزاد می کنند و آنها را به آمونیاک یا یون های آمونیوم تبدیل می کنند. و فرآیندهای مختلفی که توسط انسان اختراع شده اند، اساساً در حال ایجاد یک "محیط کاری" راحت تر برای میکروارگانیسم ها هستند تا این فرآیند تبدیل را با راندمان بیشتری تکمیل کنند. پس از درک این فرآیند، آیا فکر می کنید چرخه نیتروژن در اطراف شما بسیار شگفت انگیز است؟ از میکروارگانیسم های نامرئی گرفته تا تصفیه خانه های فاضلاب عظیم، معلوم می شود که هدف تبدیل نیتروژن به یک منبع ارزشمند، حفاظت از محیط زیست و خدمت به زندگی روزمره ما است. دفعه بعد که کلمات 'نیتروژن آمونیاکی' و 'نیتروژن آلی' را می شنوید، می توانید به راحتی رابطه آنها را توضیح دهید!
