하수 처리, 농업 비료, 또는 환경 보호 주제에 대해 이야기할 때 우리는 종종 "유기 질소"와 "암모니아성 질소"라는 단어를 듣습니다. 많은 사람들이 이 둘의 관계가 무엇인지 궁금해할 수 있습니다. 유기 질소는 어떻게 암모니아성 질소로 점차 전환될까요? 오늘은 평이한 언어로 전환 과정을 설명하고, 실제에서 흔히 사용되는 전환 기술에 대해 이야기하여 여러분이 명확하게 이해할 수 있도록 하겠습니다. 먼저, 명확히 합시다: 유기 질소란 무엇인가요? 암모니아성 질소란 무엇인가요? 전환에 대해 이야기하기 전에, 우리는 먼저 이 두 '주인공'을 명확하게 식별해야 합니다. 우리 주변의 질소 원소는 매우 장난스러워서 항상 다양한 "겉옷"으로 나타납니다. 유기 질소는 그 "겉옷" 중 하나로, 일반적으로 우리가 먹는 단백질, 식물 짚에 함유된 질소 함유 화합물, 그리고 하수의 다양한 유기 화합물과 같이 유기물 속에 숨어 있습니다. 이 모든 것에는 많은 유기 질소가 포함되어 있습니다. 암모니아성 질소란 무엇인가요? 암모니아성 질소는 실제로 질소 교환의 또 다른 "겉옷"으로, 주로 암모니아 가스(NH3) 또는 암모늄 이온(NH₄⁺) 형태로 존재합니다. 물에서 매우 흔하게 발견됩니다. 예를 들어, 우리 집 수족관의 물은 오랫동안 냄새가 날 것이고, 그 안에 암모니아성 질소가 있을 수 있습니다. 농경지에 시비된 질소 비료가 물에 씻겨 강으로 흘러 들어가면 물 속의 암모니아성 질소의 양도 증가합니다. 유기 질소를 암모니아성 질소로 전환하는 과정은 간단히 말해 질소 원소가 "유기 질소 겉옷"에서 "암모니아성 질소 겉옷"으로 바뀌는 과정입니다. 이 과정은 자연과 우리의 산업 공정에서 자주 발생하며, 우리는 이를 "암모니아화"라고 부릅니다. 자연의 '마법': 유기 질소는 어떻게 스스로 암모니아성 질소로 변할까요? 여러분은 자연에서 유기 질소가 암모니아성 질소로 전환되는 것에 대해 우리가 걱정할 필요가 없다는 것을 모를 수도 있습니다. 그들은 미생물입니다. 미생물은 우리 주변 어디에나 있으며, 박테리아, 곰팡이 및 유기물을 "먹는" 것을 좋아하는 다른 보이지 않는 생물과 같습니다. 그들이 유기 질소를 함유한 유기물을 '소화'할 때, 우리가 단백질을 아미노산으로 분해하는 것처럼, 미생물은 유기 질소의 복잡한 구조를 분해합니다. 예를 들어, 단백질은 먼저 아미노산으로 분해된 다음, 더 "분해"되어 내부의 질소 원소가 천천히 암모니아(NH3)로 변합니다. 물 속에 있으면 암모니아는 물과 쉽게 반응하여 암모늄 이온(NH₄⁺)을 형성하여 유기 질소를 암모니아성 질소로 바꿉니다. 이 과정은 자연 어디에서나 볼 수 있습니다. 가을에 낙엽이 땅에 떨어져 미생물에 의해 분해되면, 그 안의 유기 질소는 암모니아성 질소로 변하여 토양으로 돌아갑니다. 동물의 배설물은 퇴비화 과정에서 악취를 풍기는데, 이는 실제로 배설물 속의 유기 질소를 암모니아성 질소로 전환하는 미생물의 작용으로 인해 암모니아 냄새가 나는 것입니다. 그리고 이 과정은 산소 없이도 수행될 수 있습니다. 호기성 토양이든 혐기성 하수 슬러지든, 미생물은 작용할 수 있습니다. 정말 강력하지 않나요? 산업과 일상 생활에서 이 전환 과정을 어떻게 '가속화'할 수 있을까요? 일상 생활과 산업에서 우리는 종종 도시 생활 하수, 가축 폐수, 식품 가공 공장의 폐수와 같이 유기 질소를 함유한 폐수를 처리해야 합니다. 이러한 물 속의 유기 질소를 처리하지 않고 직접 배출하면 환경을 오염시킵니다. 따라서 우리는 유기 질소를 신속하게 암모니아성 질소로 전환하여 후속 처리를 할 방법을 찾아야 합니다.
1. 호기성 생물학적 처리 공정: 미생물이 "숨을 크게 쉬며" 작업하도록 허용합니다. 호기성 생물학적 처리는 미생물이 산소가 함유된 환경에서 "자유롭게 숨을 쉬도록" 하여 유기물을 빠르게 분해하고 유기 질소를 암모니아성 질소로 전환하는 것입니다. 일반적으로 사용되는 활성 슬러지 공정은 전형적인 호기성 공정입니다. 하수 처리장의 폭기조에서 작업자는 파이프라인을 통해 물에 많은 양의 공기를 불어넣어 물을 산소로 채웁니다. 이 시점에서 산소를 좋아하는 미생물(예: 호기성 박테리아)은 "활성화"되어 하수 속의 유기물을 미친 듯이 "먹어" 유기 질소를 점차 암모니아성 질소로 분해합니다. 이 과정은 산소가 충분하면 미생물이 빠르게 증식하고 효율적으로 작동하기 때문에 매우 빠릅니다. 또한, 폭기조의 슬러지는 "미생물 창고"와 같아서 폐수 속의 유기 질소를 지속적으로 처리할 수 있는 많은 수의 미생물을 포함하고 있습니다. 그러나 이 과정에는 산소 소비와 특수 폭기 장비가 필요하며, 유기 질소 농도가 낮은 가정 또는 산업 폐수 처리에 적합합니다.
2. 혐기성 생물학적 처리 공정: "혐기성 작업장"에서 특히 유기물 농도가 높은 폐수, 예를 들어 사육 농장의 분뇨와 양조장의 폐수가 조용히 변환됩니다. 이 시점에서는 너무 많은 산소가 필요하기 때문에 호기성 공정을 사용하는 것이 비용 효율적이지 않습니다. 이 시점에서 우리는 혐기성 생물학적 처리 기술을 사용하여 미생물이 산소가 없는 환경에서 작동하도록 합니다. 혐기성 공정은 일반적으로 일반적인 UASB 반응기(상향류 혐기성 슬러지 베드) 및 혐기성 소화조와 같은 밀폐된 반응기에서 수행됩니다. 이러한 반응기에서는 산소가 없으면 특수 "혐기성" 미생물이 작용합니다. 유기물을 분해하는 과정은 호기성 미생물보다 약간 더 복잡하며, 유기물을 "분해"하기 위해 여러 단계를 거칩니다. 이 과정에서 유기 질소는 천천히 암모니아성 질소로 전환됩니다. 여러분은 혐기성 처리가 메탄을 생성하지 않느냐고 물을 수 있습니다. 맞습니다. 그러나 메탄을 생성하는 동안 암모니아화도 조용히 진행됩니다. 또한, 혐기성 공정은 폭기가 필요 없고 에너지원으로 메탄을 생성할 수 있으므로 에너지 효율이 매우 높으며, 고농도 유기 폐수 처리에 이상적입니다. 예를 들어, 혐기성 처리 후 축산 농장의 분뇨는 유기 질소를 암모니아성 질소로 전환할 뿐만 아니라 취사와 발전용 바이오 가스를 수집하여 일석이조의 효과를 얻습니다.
3. 가수분해 및 산성화 공정: 먼저 유기물을 "분해"한 다음 암모니아성 질소를 전환합니다. 때로는 하수 속의 유기물의 구조가 매우 복잡하여 미생물이 이를 "먹기" 어렵습니다. 이 시점에서는 먼저 이를 "단순화"해야 합니다. 가수분해 및 산성화 공정이 바로 이 목적을 위해 사용됩니다. 가수분해 산성화 탱크의 미생물은 먼저 복잡한 유기물(예: 단백질 및 셀룰로오스)을 단순한 소분자 유기물(예: 아미노산 및 포도당)로 "분쇄"합니다. 이 "분쇄" 과정에서 유기 질소도 분해되어 일부는 직접 암모니아성 질소로 전환되고, 나머지 소분자 유기물 속의 질소 원소는 다른 미생물에 의해 추가로 암모니아성 질소로 전환됩니다. 이 과정은 일반적으로 폐수 처리의 "전처리" 단계로 사용되어 처리하기 어려운 유기 질소가 먼저 "근육과 뼈를 풀도록" 하여 후속 호기성 또는 혐기성 공정이 보다 효율적으로 처리할 수 있도록 합니다. 인쇄 및 염색 폐수 및 제지 폐수와 같이 복잡한 유기물이 많이 함유된 산업 폐수 처리에 특히 적합합니다.
4. 퇴비화 및 바이오가스 엔지니어링: 농업에서 암모니아화의 "작은 마스터"는 폐수 처리에서 유기 질소를 전환해야 할 뿐만 아니라 농업에서도 이 원리를 자주 사용합니다. 예를 들어, 퇴비화할 때 우리는 짚과 배설물을 함께 쌓고, 수분을 유지하기 위해 약간의 물을 추가한 다음 비닐 시트로 덮습니다. 내부의 미생물은 호기성 및 약간 습한 환경에서 증식하여 유기물을 분해하고 유기 질소를 암모니아성 질소로 전환하여 퇴비에 남게 됩니다. 이렇게 쌓인 비료는 암모니아성 질소가 풍부하여 밭의 식물에 흡수되어 질소 비료로 사용될 수 있습니다. 바이오가스 엔지니어링은 퇴비화와 유사하지만, 밀폐된 바이오가스 소화조에서 혐기성 처리를 포함합니다. 배설물과 짚은 연못에서 혐기성 미생물에 의해 분해되어 바이오가스를 생성합니다. 동시에 유기 질소는 암모니아성 질소로 전환되고, 남은 바이오가스 슬러리와 잔류물도 좋은 비료입니다. 내부의 암모니아성 질소는 작물에 의해 사용될 수 있으며, 이는 환경 친화적이고 에너지 절약적입니다.
유기 질소를 암모니아성 질소로 전환하는 이유는 무엇인가요? 이 전환이 중요한가요? 어떤 사람들은 유기 질소를 암모니아성 질소로 전환하는 데 그렇게 많은 노력을 기울이는 목적이 무엇인지 물을 수 있습니다. 사실, 이 전환 과정은 환경 보호와 농업 모두에서 특히 중요합니다. 환경적 관점에서 볼 때, 유기 질소를 직접 물에 배출하면 물 속의 미생물에 의해 천천히 분해되어 물 속의 산소를 소비하여 물고기와 새우가 저산소증으로 죽게 됩니다. 또한, 유기 질소는 결국 질산염으로 분해될 수 있으며, 과도한 질산염이 지하수로 유입되면 섭취 시 질병을 유발할 수 있습니다. 그리고 먼저 유기 질소를 암모니아성 질소로 전환함으로써, 우리는 후속 공정(예: 질화 및 탈질)을 사용하여 암모니아성 질소를 질소로 추가 처리하여 공기 중으로 배출하여 환경 오염을 줄일 수 있습니다. 농업적 관점에서 볼 때, 식물은 유기 질소를 직접 흡수할 수 없으며, 암모니아성 질소 또는 기타 무기 질소로 변환될 때까지 기다려야 "먹을" 수 있습니다. 따라서 퇴비화 및 바이오가스 엔지니어링의 암모니아화 과정은 실제로 "비효율적인 질소"를 "효율적인 질소"로 전환하여 비료를 더욱 영양가 있게 만들고 작물이 더 잘 자라도록 하는 것입니다. 마지막으로 요약하면: 유기 질소의 암모니아성 질소로의 전환은 미생물에 의존합니다. 궁극적으로 유기 질소의 암모니아성 질소로의 전환의 핵심은 미생물의 작용입니다. 자연에서 낙엽의 분해이든 하수 처리장의 폭기조이든, 미생물은 유기물을 분해할 때 유기 질소에서 질소 원소를 방출하여 암모니아 또는 암모늄 이온으로 변환합니다. 그리고 인간이 발명한 다양한 과정은 본질적으로 미생물이 이 전환 과정을 보다 효율적으로 완료할 수 있도록 더 편안한 "작업 환경"을 만드는 것입니다. 이 과정을 이해한 후, 여러분 주변의 질소 순환이 꽤 멋지다고 생각하시나요? 보이지 않는 미생물에서 대규모 하수 처리장에 이르기까지, 질소를 귀중한 자원으로 전환하여 환경을 보호하고 우리의 일상 생활에 봉사하는 것이 목표임이 밝혀졌습니다. 다음에 '암모니아성 질소'와 '유기 질소'라는 단어를 들으면, 그들의 관계를 쉽게 설명할 수 있을 것입니다!
