نتحدث عن كيفية تحول النيتروجين العضوي إلى نيتروجين الأمونيا: ربما تكون قد سمعت عن هذه العمليات

عندما نتحدث عن معالجة مياه الصرف الصحي، أو التسميد الزراعي، أو قضايا حماية البيئة، غالبًا ما نسمع كلمتي "النيتروجين العضوي" و "النيتروجين الأمونياكي". قد يتساءل الكثيرون، ما هي العلاقة بين هذين الاثنين؟ كيف يتحول النيتروجين العضوي تدريجيًا إلى نيتروجين أمونياكي؟ اليوم، دعنا نستخدم لغة بسيطة لشرح عملية التحويل، ثم نتحدث عن التقنيات المستخدمة بشكل شائع في الممارسة العملية، لضمان أنك تسمع بوضوح. أولاً، توضيح: ما هو النيتروجين العضوي؟ ما هو النيتروجين الأمونياكي؟ قبل الحديث عن التحول، نحتاج أولاً إلى تحديد هذين 'البطلين' بوضوح. عنصر النيتروجين من حولنا مشاغب للغاية، ويظهر دائمًا في "أزياء" مختلفة. النيتروجين العضوي هو أحد هذه "الأزياء"، والذي يختبئ عادةً في المواد العضوية، مثل البروتين الذي نأكله، والمركبات المحتوية على النيتروجين في سيقان النباتات، والمركبات العضوية المختلفة في مياه الصرف الصحي، وكلها تحتوي على الكثير من النيتروجين العضوي. ما هو النيتروجين الأمونياكي؟ النيتروجين الأمونياكي هو في الواقع "زي" آخر لتبادل النيتروجين، ويوجد بشكل أساسي في شكل غاز الأمونيا (NH3) أو أيونات الأمونيوم (NH₄⁺). إنه شائع جدًا في الماء، على سبيل المثال، ستفوح رائحة الماء الموجود في حوض السمك لدينا في المنزل بعد فترة طويلة، وقد يكون هناك نيتروجين أمونياكي فيه؛ يتم غسل الأسمدة النيتروجينية المستخدمة في الأراضي الزراعية إلى الأنهار بواسطة الماء، مما يزيد أيضًا من كمية النيتروجين الأمونياكي في الماء. عملية تحويل النيتروجين العضوي إلى نيتروجين أمونياكي، ببساطة، هي عملية تغيير عنصر النيتروجين من "زي النيتروجين العضوي" إلى "زي النيتروجين الأمونياكي". غالبًا ما تحدث هذه العملية في الطبيعة وعملياتنا الصناعية، ونسميها "الأموننة". 'السحر' في الطبيعة: كيف يتحول النيتروجين العضوي إلى نيتروجين أمونياكي من تلقاء نفسه؟ قد لا تعرف أنه في الطبيعة، ليست هناك حاجة لنا للقلق بشأن تحويل النيتروجين العضوي إلى نيتروجين أمونياكي. هناك مجموعة من "الخبراء الصغار" يعملون بصمت، وهم الكائنات الدقيقة. الكائنات الدقيقة موجودة في كل مكان من حولنا، مثل البكتيريا والفطريات وغيرها من الكائنات غير المرئية التي تحب "أكل" المواد العضوية. عندما "تهضم" المواد العضوية التي تحتوي على النيتروجين العضوي، تمامًا مثل كيفية تكسيرنا للبروتين إلى أحماض أمينية عندما نأكله، تقوم الكائنات الدقيقة بتكسير الهياكل المعقدة في النيتروجين العضوي. على سبيل المثال، يتم أولاً تكسير البروتينات إلى أحماض أمينية، والتي يتم بعد ذلك "تكسيرها" بشكل أكبر، وسيتحول عنصر النيتروجين الموجود بالداخل ببطء إلى أمونيا (NH3). إذا كان في الماء، يمكن للأمونيا أن تتفاعل بسهولة مع الماء لتكوين أيونات الأمونيوم (NH₄⁺)، مما يحول النيتروجين العضوي إلى نيتروجين أمونياكي. يمكن رؤية هذه العملية في كل مكان في الطبيعة: في الخريف، تتساقط الأوراق المتساقطة على الأرض وتتحلل بواسطة الكائنات الدقيقة، وسيتحول النيتروجين العضوي الموجود بالداخل إلى نيتروجين أمونياكي ويعود إلى التربة؛ تنبعث من روث الحيوانات رائحة كريهة أثناء التسميد، وهو في الواقع بسبب عمل الكائنات الدقيقة التي تحول النيتروجين العضوي في الروث إلى نيتروجين أمونياكي، مما يؤدي إلى رائحة الأمونيا. ويمكن إجراء هذه العملية دون الحاجة إلى الأكسجين. سواء في التربة الهوائية أو الحمأة اللاهوائية لمياه الصرف الصحي، يمكن للكائنات الدقيقة أن تعمل، أليس هذا قويًا جدًا؟ كيف يمكننا "تسريع" عملية التحول هذه في الصناعة والحياة اليومية؟ في الحياة اليومية والصناعة، غالبًا ما نحتاج إلى معالجة مياه الصرف الصحي التي تحتوي على النيتروجين العضوي، مثل مياه الصرف الصحي المنزلية الحضرية، ومياه الصرف الصحي الحيوانية، ومياه الصرف الصحي من مصانع معالجة الأغذية. إذا لم تتم معالجة النيتروجين العضوي في هذه المياه وتصريفه مباشرة، فإنه سيلوث البيئة. لذلك، نحتاج إلى إيجاد طرق لتحويل النيتروجين العضوي بسرعة إلى نيتروجين أمونياكي للمعالجة اللاحقة.

1. عملية المعالجة البيولوجية الهوائية: السماح للكائنات الدقيقة بـ "التنفس الكبير" للعمل. المعالجة البيولوجية الهوائية هي السماح للكائنات الدقيقة بـ "التنفس بحرية" في بيئة تحتوي على الأكسجين، وتحلل المواد العضوية بسرعة، وتحويل النيتروجين العضوي إلى نيتروجين أمونياكي. عملية الحمأة المنشطة المستخدمة بشكل شائع هي عملية هوائية نموذجية. في خزان التهوية في محطة معالجة مياه الصرف الصحي، سيقوم العمال بنفخ كمية كبيرة من الهواء في الماء من خلال الأنابيب لملء الماء بالأكسجين. في هذه المرحلة، ستصبح الكائنات الدقيقة المحبة للأكسجين (مثل البكتيريا الهوائية) "نشطة" و "تأكل" بجنون المواد العضوية في مياه الصرف الصحي، وتحلل تدريجيًا النيتروجين العضوي إلى نيتروجين أمونياكي. هذه العملية سريعة جدًا لأنه عندما يكون هناك أكسجين كافٍ، تتكاثر الكائنات الدقيقة بسرعة وتعمل بكفاءة. علاوة على ذلك، فإن الحمأة الموجودة في خزان التهوية تشبه "مستودعًا ميكروبيًا"، يحتوي على عدد كبير من الكائنات الدقيقة التي يمكنها معالجة النيتروجين العضوي في مياه الصرف الصحي باستمرار. ومع ذلك، تتطلب هذه العملية استهلاك الأكسجين ومعدات تهوية متخصصة، وهي مناسبة لمعالجة مياه الصرف الصحي المنزلية أو الصناعية ذات التركيز المنخفض من النيتروجين العضوي.
2. عملية المعالجة البيولوجية اللاهوائية: في "ورشة العمل اللاهوائية"، يتم تحويل بعض مياه الصرف الصحي ذات التركيزات العالية بشكل خاص من المواد العضوية، مثل روث مزارع التربية ومياه الصرف الصحي من مصانع التقطير، بصمت. في هذا الوقت، ليس من الفعال من حيث التكلفة استخدام العمليات الهوائية لأن الأمر يتطلب الكثير من الأكسجين. في هذه المرحلة، سنستخدم تقنية المعالجة البيولوجية اللاهوائية للسماح للكائنات الدقيقة بالعمل في بيئة خالية من الأكسجين. يتم إجراء العمليات اللاهوائية بشكل عام في مفاعلات مغلقة، مثل مفاعلات UASB الشائعة (أسرة الحمأة اللاهوائية المتدفقة إلى الأعلى) وخزانات الهضم اللاهوائي. في هذه المفاعلات، بدون أكسجين، ستدخل الكائنات الدقيقة "اللاهوائية" المتخصصة حيز التنفيذ. عملية تحللها للمواد العضوية أكثر تعقيدًا قليلاً من الكائنات الدقيقة الهوائية، والتي تتضمن عدة خطوات "لتكسير" المواد العضوية. يتحول النيتروجين العضوي ببطء إلى نيتروجين أمونياكي خلال هذه العملية. قد تسأل، ألا ينتج العلاج اللاهوائي الميثان؟ هذا صحيح، ولكن أثناء إنتاج الميثان، تحدث أيضًا عملية الأموننة بهدوء. علاوة على ذلك، فإن العمليات اللاهوائية موفرة للطاقة بشكل خاص لأنها لا تتطلب التهوية ويمكنها توليد الميثان كمصدر للطاقة، مما يجعلها مثالية لمعالجة مياه الصرف الصحي العضوية عالية التركيز. على سبيل المثال، بعد المعالجة اللاهوائية، لا يحول روث مزرعة الماشية النيتروجين العضوي إلى نيتروجين أمونياكي فحسب، بل يجمع أيضًا الغاز الحيوي للطهي وتوليد الطاقة، مما يضرب عصفورين بحجر واحد.

3. عملية التحلل المائي والتحميض: أولاً، "تكسير" المواد العضوية، ثم تحويل النيتروجين الأمونياكي. في بعض الأحيان، يكون هيكل المواد العضوية في مياه الصرف الصحي معقدًا جدًا، ومن الصعب على الكائنات الدقيقة "أكلها". في هذا الوقت، من الضروري أولاً "تبسيطها". عملية التحلل المائي والتحميض هي لهذا الغرض. ستقوم الكائنات الدقيقة الموجودة في خزان التحلل المائي والتحميض أولاً بـ "تمزيق" المواد العضوية المعقدة (مثل البروتينات والسليلوز) إلى مواد عضوية صغيرة الجزيئات (مثل الأحماض الأمينية والجلوكوز). في عملية "التمزيق" هذه، سيتم أيضًا تحلل النيتروجين العضوي، مع تحويل جزء منه مباشرة إلى نيتروجين أمونياكي، وسيتم تحويل عناصر النيتروجين المتبقية في المواد العضوية الصغيرة الجزيئات إلى نيتروجين أمونياكي بواسطة كائنات دقيقة أخرى. تُستخدم هذه العملية بشكل عام كخطوة "معالجة مسبقة" في معالجة مياه الصرف الصحي، مما يسمح للنيتروجين العضوي الذي يصعب معالجته بـ "إرخاء عضلاته وعظامه" أولاً، مما يسهل على العمليات الهوائية أو اللاهوائية اللاحقة المعالجة بكفاءة أكبر. إنها مناسبة بشكل خاص لمعالجة مياه الصرف الصناعية التي تحتوي على كمية كبيرة من المواد العضوية المعقدة، مثل مياه الصرف الصحي للطباعة والصباغة وصنع الورق.
4. التسميد وهندسة الغاز الحيوي: لا يحتاج "الأساتذة الصغار" للأموننة في الزراعة إلى تحويل النيتروجين العضوي إلى معالجة مياه الصرف الصحي فحسب، بل يستخدمون هذا المبدأ بشكل متكرر في الزراعة. على سبيل المثال، عند التسميد، نقوم بتجميع القش والروث معًا، وإضافة بعض الماء للحفاظ عليها رطبة، ثم تغطيتها بأغطية بلاستيكية. ستتكاثر الكائنات الدقيقة الموجودة بالداخل في بيئة هوائية ورطبة قليلاً، وتحلل المواد العضوية وتحول النيتروجين العضوي إلى نيتروجين أمونياكي، والذي سيبقى في السماد. السماد المتراكم بهذه الطريقة غني بالنيتروجين الأمونياكي، والذي يمكن أن تمتصها النباتات في الحقل ويستخدم كسماد نيتروجيني. هندسة الغاز الحيوي تشبه التسميد، لكنها تنطوي على معالجة لاهوائية في هاضم غاز حيوي مغلق. يتم تحلل الروث والقش بواسطة الكائنات الدقيقة اللاهوائية في البركة، مما ينتج الغاز الحيوي. في الوقت نفسه، يتحول النيتروجين العضوي إلى نيتروجين أمونياكي، كما أن الحمأة وبقايا الغاز الحيوي المتبقية هي أيضًا أسمدة جيدة. يمكن استخدام النيتروجين الأمونياكي الموجود بالداخل بواسطة المحاصيل، وهو صديق للبيئة وموفر للطاقة.

لماذا يتم تحويل النيتروجين العضوي إلى نيتروجين أمونياكي؟ هل هذا التحويل مهم؟ قد يتساءل البعض، ما هو الغرض من وراء بذل الكثير من الجهد في تحويل النيتروجين العضوي إلى نيتروجين أمونياكي؟ في الواقع، هذه العملية التحويلية مهمة بشكل خاص في كل من حماية البيئة والزراعة. من منظور بيئي، إذا تم تصريف النيتروجين العضوي مباشرة في الماء، فسيتم تحلله ببطء بواسطة الكائنات الدقيقة في الماء، مما سيستهلك الأكسجين في الماء ويتسبب في موت الأسماك والروبيان بسبب نقص الأكسجين. علاوة على ذلك، قد يتحلل النيتروجين العضوي إلى نترات في النهاية، وقد يتسبب الإفراط في دخول النترات إلى المياه الجوفية في الإصابة بالمرض إذا تم استهلاكه. وعن طريق تحويل النيتروجين العضوي أولاً إلى نيتروجين أمونياكي، يمكننا استخدام العمليات اللاحقة (مثل النترجة وإزالة النتروجين) لمعالجة النيتروجين الأمونياكي بشكل أكبر إلى نيتروجين وتصريفه في الهواء، مما يقلل من التلوث البيئي. من منظور زراعي، لا يمكن للنباتات أن تمتص النيتروجين العضوي مباشرة ويجب أن تنتظر حتى يتحول إلى نيتروجين أمونياكي أو نيتروجين غير عضوي آخر قبل أن تتمكن من "أكله". لذا فإن عملية الأموننة في التسميد وهندسة الغاز الحيوي هي في الواقع لتحويل "النيتروجين غير الفعال" إلى "نيتروجين فعال"، مما يجعل الأسمدة أكثر تغذية وتنمو المحاصيل بشكل أفضل. أخيرًا، لتلخيص: يعتمد تحويل النيتروجين العضوي إلى نيتروجين أمونياكي على الكائنات الدقيقة. في النهاية، جوهر تحويل النيتروجين العضوي إلى نيتروجين أمونياكي هو عمل الكائنات الدقيقة. سواء كان ذلك هو تحلل الأوراق المتساقطة في الطبيعة أو خزانات التهوية في محطات معالجة مياه الصرف الصحي، فإن الكائنات الدقيقة تطلق عناصر النيتروجين من النيتروجين العضوي عند تحلل المواد العضوية، وتحويلها إلى أمونيا أو أيونات الأمونيوم. والعمليات المختلفة التي اخترعها البشر هي في الأساس خلق "بيئة عمل" أكثر راحة للكائنات الدقيقة لإكمال عملية التحول هذه بكفاءة أكبر. بعد فهم هذه العملية، هل تعتقد أن دورة النيتروجين من حولك رائعة جدًا؟ من الكائنات الدقيقة غير المرئية إلى محطات معالجة مياه الصرف الصحي الضخمة، اتضح أن الهدف هو تحويل النيتروجين إلى مورد قيم، وحماية البيئة وخدمة حياتنا اليومية. في المرة القادمة التي تسمع فيها كلمتي 'النيتروجين الأمونياكي' و 'النيتروجين العضوي'، ستتمكن من شرح علاقتهما بسهولة!