Cuando hablamos de tratamiento de aguas residuales, fertilización agrícola o temas de protección ambiental, a menudo escuchamos las palabras "nitrógeno orgánico" y "nitrógeno amoniacal". Muchas personas pueden preguntarse, ¿qué relación existe entre estos dos? ¿Cómo se convierte gradualmente el nitrógeno orgánico en nitrógeno amoniacal? Hoy, usemos un lenguaje sencillo para explicar el proceso de conversión y luego hablaremos de las técnicas de conversión comúnmente utilizadas en la práctica, para asegurarnos de que lo escuche claramente. Primero, aclaremos: ¿Qué es el nitrógeno orgánico? ¿Qué es el nitrógeno amoniacal? Antes de hablar de la transformación, necesitamos identificar claramente a estos dos 'protagonistas'. El elemento nitrógeno que nos rodea es bastante travieso, siempre aparece con varios "disfraces". El nitrógeno orgánico es uno de los "disfraces", que generalmente se esconde en la materia orgánica, como la proteína que comemos, los compuestos que contienen nitrógeno en la paja de las plantas y varios compuestos orgánicos en las aguas residuales, todos los cuales contienen una gran cantidad de nitrógeno orgánico. ¿Qué es el nitrógeno amoniacal? El nitrógeno amoniacal es en realidad otro "disfraz" del intercambio de nitrógeno, que existe principalmente en forma de gas amoniaco (NH3) o iones amonio (NH₄⁺). Es muy común en el agua, por ejemplo, el agua de nuestro acuario en casa olerá después de mucho tiempo, y puede haber nitrógeno amoniacal en ella; El fertilizante nitrogenado aplicado en los campos se lava en los ríos por el agua, lo que también aumenta la cantidad de nitrógeno amoniacal en el agua. El proceso de conversión de nitrógeno orgánico en nitrógeno amoniacal, en pocas palabras, es el proceso de cambio del elemento nitrógeno de "disfraz de nitrógeno orgánico" a "disfraz de nitrógeno amoniacal". Este proceso ocurre a menudo en la naturaleza y en nuestros procesos industriales, y lo llamamos "amonificación". La 'magia' en la naturaleza: ¿cómo el nitrógeno orgánico se convierte en nitrógeno amoniacal por sí solo? Es posible que no sepa que en la naturaleza, no necesitamos preocuparnos por la conversión de nitrógeno orgánico en nitrógeno amoniacal. Hay un grupo de "pequeños expertos" trabajando en silencio, son los microorganismos. Los microorganismos están en todas partes a nuestro alrededor, como bacterias, hongos y otras criaturas invisibles que aman "comer" materia orgánica. Cuando 'digieren' la materia orgánica que contiene nitrógeno orgánico, al igual que cómo descomponemos la proteína en aminoácidos cuando la comemos, los microorganismos descomponen las estructuras complejas en el nitrógeno orgánico. Por ejemplo, las proteínas se descomponen primero en aminoácidos, que luego se "descomponen" aún más, y el elemento nitrógeno en su interior se convertirá lentamente en amoníaco (NH3). Si está en agua, el amoníaco puede reaccionar fácilmente con el agua para formar iones amonio (NH₄⁺), lo que convierte el nitrógeno orgánico en nitrógeno amoniacal. Este proceso se puede ver en todas partes en la naturaleza: en otoño, las hojas caídas caen al suelo y son descompuestas por microorganismos, y el nitrógeno orgánico en su interior se convertirá en nitrógeno amoniacal y volverá al suelo; Los excrementos de animales emiten un olor fétido durante el compostaje, lo que en realidad se debe al trabajo de los microorganismos que convierten el nitrógeno orgánico en los excrementos en nitrógeno amoniacal, lo que resulta en un olor a amoníaco. Y este proceso se puede llevar a cabo sin necesidad de oxígeno. Ya sea en suelo aeróbico o en lodos de aguas residuales anaeróbicas, los microorganismos pueden trabajar, ¿no es muy poderoso? ¿Cómo podemos 'acelerar' este proceso de transformación en la industria y la vida diaria? En la vida diaria y la industria, a menudo necesitamos tratar las aguas residuales que contienen nitrógeno orgánico, como las aguas residuales domésticas urbanas, las aguas residuales de ganado y las aguas residuales de las plantas de procesamiento de alimentos. Si el nitrógeno orgánico en estas aguas no se trata y se descarga directamente, contaminará el medio ambiente. Por lo tanto, necesitamos encontrar formas de convertir rápidamente el nitrógeno orgánico en nitrógeno amoniacal para su posterior tratamiento.
1. Proceso de tratamiento biológico aeróbico: permitiendo que los microorganismos "respiren a lo grande" para trabajar. El tratamiento biológico aeróbico consiste en permitir que los microorganismos "respiren libremente" en un ambiente que contenga oxígeno, descompongan rápidamente la materia orgánica y conviertan el nitrógeno orgánico en nitrógeno amoniacal. El proceso de lodos activados comúnmente utilizado es un proceso aeróbico típico. En el tanque de aireación de la planta de tratamiento de aguas residuales, los trabajadores soplarán una gran cantidad de aire en el agua a través de tuberías para llenar el agua con oxígeno. En este punto, los microorganismos amantes del oxígeno (como las bacterias aeróbicas) se volverán "activos" y "comerán" locamente la materia orgánica en las aguas residuales, descomponiendo gradualmente el nitrógeno orgánico en nitrógeno amoniacal. Este proceso es muy rápido porque cuando hay suficiente oxígeno, los microorganismos se multiplican rápidamente y trabajan eficientemente. Además, los lodos en el tanque de aireación son como un "almacén microbiano", que contiene una gran cantidad de microorganismos que pueden tratar continuamente el nitrógeno orgánico en las aguas residuales. Sin embargo, este proceso requiere consumo de oxígeno y equipos de aireación especializados, lo que es adecuado para tratar aguas residuales domésticas o industriales con baja concentración de nitrógeno orgánico.
2. Proceso de tratamiento biológico anaeróbico: En el "taller anaeróbico", se transforman silenciosamente algunas aguas residuales con concentraciones particularmente altas de materia orgánica, como el estiércol de las granjas de cría y las aguas residuales de las destilerías. En este momento, no es rentable utilizar procesos aeróbicos porque se requiere demasiado oxígeno. En este punto, utilizaremos la tecnología de tratamiento biológico anaeróbico para permitir que los microorganismos trabajen en un ambiente libre de oxígeno. Los procesos anaeróbicos generalmente se llevan a cabo en reactores cerrados, como los reactores UASB comunes (lechos de lodos anaeróbicos de flujo ascendente) y los tanques de digestión anaeróbica. En estos reactores, sin oxígeno, los microorganismos "anaeróbicos" especializados entrarán en juego. Su proceso de descomposición de la materia orgánica es ligeramente más complejo que el de los microorganismos aeróbicos, lo que implica varios pasos para "descomponer" la materia orgánica. El nitrógeno orgánico se convierte lentamente en nitrógeno amoniacal durante este proceso. Puede preguntar, ¿el tratamiento anaeróbico no produce metano? Así es, pero al mismo tiempo que se produce metano, la amonificación también se está llevando a cabo silenciosamente. Además, los procesos anaeróbicos son particularmente eficientes energéticamente, ya que no requieren aireación y pueden generar metano como fuente de energía, lo que los hace ideales para tratar aguas residuales orgánicas de alta concentración. Por ejemplo, después del tratamiento anaeróbico, el estiércol de una granja ganadera no solo convierte el nitrógeno orgánico en nitrógeno amoniacal, sino que también recolecta biogás para cocinar y generar energía, matando dos pájaros de un tiro.
3. Proceso de hidrólisis y acidificación: Primero, "descomponer" la materia orgánica y luego convertir el nitrógeno amoniacal. A veces, la estructura de la materia orgánica en las aguas residuales es muy compleja y es difícil para los microorganismos "comerla". En este momento, es necesario primero "simplificarlos". El proceso de hidrólisis y acidificación es para este propósito. Los microorganismos en el tanque de acidificación por hidrólisis primero "triturarán" la materia orgánica compleja (como proteínas y celulosa) en materia orgánica de moléculas pequeñas simples (como aminoácidos y glucosa). En este proceso de "trituración", el nitrógeno orgánico también se descompondrá, con una parte convertida directamente en nitrógeno amoniacal, y los elementos de nitrógeno restantes en la materia orgánica de moléculas pequeñas se convertirán aún más en nitrógeno amoniacal por otros microorganismos. Este proceso generalmente se usa como un paso de "pretratamiento" en el tratamiento de aguas residuales, lo que permite que el nitrógeno orgánico difícil de tratar "afloje sus músculos y huesos" primero, lo que facilita que los procesos aeróbicos o anaeróbicos posteriores traten de manera más eficiente. Es particularmente adecuado para tratar aguas residuales industriales que contienen una gran cantidad de materia orgánica compleja, como aguas residuales de impresión y teñido y aguas residuales de fabricación de papel.
4. Compostaje e ingeniería de biogás: Los "pequeños maestros" de la amonificación en la agricultura no solo necesitan convertir el nitrógeno orgánico en el tratamiento de aguas residuales, sino que también utilizan con frecuencia este principio en la agricultura. Por ejemplo, al compostar, apilamos paja y heces juntas, agregamos un poco de agua para mantenerlas húmedas y luego las cubrimos con una lona de plástico. Los microorganismos en el interior proliferarán en un ambiente aeróbico y ligeramente húmedo, descomponiendo la materia orgánica y convirtiendo el nitrógeno orgánico en nitrógeno amoniacal, que permanecerá en el compost. El fertilizante apilado de esta manera es rico en nitrógeno amoniacal, que puede ser absorbido por las plantas en el campo y utilizado como fertilizante nitrogenado. La ingeniería de biogás es similar al compostaje, pero implica el tratamiento anaeróbico en un digestor de biogás cerrado. Las heces y la paja son descompuestas por microorganismos anaeróbicos en el estanque, produciendo biogás. Al mismo tiempo, el nitrógeno orgánico se convierte en nitrógeno amoniacal, y el lodo y los residuos de biogás restantes también son buenos fertilizantes. El nitrógeno amoniacal en el interior puede ser utilizado por los cultivos, lo que es a la vez respetuoso con el medio ambiente y ahorra energía.
¿Por qué convertir el nitrógeno orgánico en nitrógeno amoniacal? ¿Es importante esta conversión? Algunas personas pueden preguntar, ¿cuál es el propósito de poner tanto esfuerzo en convertir el nitrógeno orgánico en nitrógeno amoniacal? De hecho, este proceso de conversión es particularmente importante tanto en la protección ambiental como en la agricultura. Desde una perspectiva ambiental, si el nitrógeno orgánico se descarga directamente en el agua, será descompuesto lentamente por microorganismos en el agua, lo que consumirá oxígeno en el agua y causará la muerte de peces y camarones debido a la hipoxia. Además, el nitrógeno orgánico puede descomponerse en nitrato al final, y el exceso de nitrato que ingresa al agua subterránea puede causar enfermedades si se consume. Y al convertir primero el nitrógeno orgánico en nitrógeno amoniacal, podemos utilizar procesos posteriores (como la nitrificación y la desnitrificación) para procesar aún más el nitrógeno amoniacal en nitrógeno y descargarlo al aire, reduciendo la contaminación ambiental. Desde una perspectiva agrícola, las plantas no pueden absorber directamente el nitrógeno orgánico y deben esperar a que se convierta en nitrógeno amoniacal u otro nitrógeno inorgánico antes de que puedan "comerlo". Por lo tanto, el proceso de amonificación en el compostaje y la ingeniería de biogás es en realidad convertir el "nitrógeno ineficaz" en "nitrógeno eficaz", haciendo que los fertilizantes sean más nutritivos y que los cultivos crezcan mejor. Finalmente, para resumir: la conversión de nitrógeno orgánico a nitrógeno amoniacal se basa en microorganismos. En última instancia, el núcleo de la conversión de nitrógeno orgánico a nitrógeno amoniacal es el trabajo de los microorganismos. Ya sea la descomposición de las hojas caídas en la naturaleza o los tanques de aireación en las plantas de tratamiento de aguas residuales, los microorganismos liberan elementos de nitrógeno del nitrógeno orgánico al descomponer la materia orgánica, convirtiéndolos en amoníaco o iones amonio. Y los diversos procesos inventados por los humanos son esencialmente la creación de un "entorno de trabajo" más cómodo para que los microorganismos completen este proceso de transformación de manera más eficiente. Después de comprender este proceso, ¿cree que el ciclo del nitrógeno a su alrededor es bastante maravilloso? Desde microorganismos invisibles hasta plantas de tratamiento de aguas residuales masivas, resulta que el objetivo es convertir el nitrógeno en un recurso valioso, protegiendo el medio ambiente y sirviendo a nuestra vida diaria. La próxima vez que escuche las palabras 'nitrógeno amoniacal' y 'nitrógeno orgánico', ¡podrá explicar fácilmente su relación!
