Med økende grad av eutrofiering av naturlige vannforekomster, har fjerning av nitrogen i forurensede vannforekomster blitt et stadig mer presserende spørsmål. Våtmarker spiller en viktig rolle i forebygging og kontroll av eutrofiering av naturlige vannforekomster. Naturlige våtmarker, supplert med rimelige kunstige tiltak, kan i stor grad forbedre effektiviteten av forurensningsfjerning og økologiske effekter. Blant dem er nitrogenfjerning en viktig funksjon av kunstige våtmarker. Oppsummeringen av nitrogenfjerningsmekanismen i kunstig våtmark for avløpsrensing kan gi et godt teoretisk grunnlag for utforming, drift og forskning av våtmarker.
Denitrifikasjonsmekanisme for kunstige våtmarker
Kunstige våtmarkssystemer fjerner nitrogen fra kloakk gjennom en rekke mekanismer. Disse mekanismene inkluderer hovedsakelig biologiske, fysiske og kjemiske reaksjoner.
Hvis nitrogenutvekslingen mellom kunstige våtmarker og omkringliggende vannforekomster ignoreres i det kunstige våtmarkssystemet mot siver, er sirkulasjons- og transformasjonsveiene for nitrogen i kunstige våtmarker vist i figuren nedenfor, hovedsakelig inkludert ammoniakk av organisk nitrogen, ammoniakknitrogenfordampning. , biologisk nitrifikasjon og denitrifikasjon, opptak av plantemikrobielt vev, matriseadsorpsjon og anaerob ammoniakkoksidasjon og andre fysiske, kjemiske og biologiske prosesser.
Blant dem har adsorpsjonen og utfellingen av matrisen god effekt i spesielle matrisevåtmarker eller i det tidlige stadiet av våtmarksbruk, men for modne kunstige våtmarker som har vært i drift i lang tid, vil transformasjon og fjerning av nitrogen under virkning av mikroorganismer har alltid vært ansett som den viktigste måten å fjerne nitrogen på. Andre nitrogenfjerningsveier som anaerob ammoniakkoksidasjon kan teoretisk gi et større bidrag til behandlingen av kunstige våtmarker med høyt ammoniakknitrogen avløpsvann.
Nasjonal økologisk dag
Nitrifikasjon refererer til prosessen der ammoniakknitrogen oksideres til nitrittnitrogen og videre oksideres til nitratnitrogen under påvirkning av mikroorganismer. Nitrifikasjon fullføres hovedsakelig av autotrofe bakterier i to trinn.
Det første trinnet er nitrittprosessen: det vil si trinnet der ammoniakknitrogen oksideres til nitrittnitrogen.
Det er fem hovedslekter av nitrittbakterier involvert i dette stadiet: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosococcus, Nitrosospira og Nitrosogloea. Blant dem er rollen til Nitrobacter spesielt dominerende.
Det andre trinnet er nitrifikasjonsprosessen: det vil si trinnet der nitrittnitrogen oksideres til nitratnitrogen.
Det er tre hovedslekter av nitrifiserende bakterier involvert i dette stadiet: Nitrobacter, Nitrospina og Nitrococcus. Blant dem er Nitrobacter hovedslekten, og de vanlige er Nitrobacter winogradskyi og N.agilis.
I tillegg til de ovennevnte autotrofe mikroorganismene er det et stort antall heterotrofe mikroorganismer i jorda, som også kan oksidere ammoniakk og organiske nitrogenforbindelser til N2O eller N2, og deres nitrifikasjonsevne kan være lavere enn autotrofe nitrifiserende bakterier, men forskningen på deres spesifikke rolle i nitrifikasjonsprosessen i kunstige våtmarker er fortsatt utilstrekkelig.
Nitrifikasjonsfjerningseffekten av ammoniakknitrogen varierer med utformingen og strukturen til kunstige våtmarker. I overflateflytende kunstige våtmarker, vertikalflytende kunstige våtmarker og kombinerte kunstige våtmarker skjer det sterke nitrifikasjonsprosesser og en stor mengde ammoniakknitrogen fjernes, men graden er forskjellig.
Generelt sett, siden reoksygeneringseffekten av vertikal strømning er bedre enn den for horisontale kunstige våtmarker under overflaten, er intensiteten av nitrifikasjon generelt større enn for horisontale våtmarker med strømning under overflaten. I tillegg påvirker ulike driftsforhold også intensiteten av nitrifikasjon. For eksempel øker tidevannsdriftsmodusen som brukes i vertikalstrømningsvåtmarker og luftingsforbehandlingen i det tidlige stadiet av horisontale strømningsvåtmarker under overflaten nitrifikasjonsintensiteten til systemet.
Denitrifiseringsprosess
Denitrifikasjonsprosessen refererer til den biokjemiske prosessen der denitrifiserende bakterier reduserer nitrogen (N) i nitrat (NO3-) til nitrogenmolekyler (N2) gjennom en rekke mellomprodukter (NO2-, NO, N2O ).
Denitrifikasjonsprosessen har stor betydning i nitrogenkretsløpet i naturen og er et sentralt ledd i nitrogenkretsløpet. Når det gjelder kunstig rensing av våtmarkskloakk, utgjør den hovedmetoden for biologisk denitrifikasjon sammen med nitrifikasjonsreaksjon. Miljømessige begrensninger på denitrifikasjonsprosessen inkluderer oksygenmiljø, redokspotensial, temperatur, pH og organisk karbonkilde. Nitrifikasjon krever et reoksygeneringsmiljø, men denitrifikasjon krever et anaerobt miljø, noe som gjør den teoretiske samtidige nitrifikasjonen og denitrifikasjonen i samme våtmarksmiljø til en viktig faktor som begrenser våtmarksdenitrifiseringen.
Det mest passende pH-området for denitrifisering er pH6-8. Når pH-verdien er lavere enn 5, kan denitrifikasjonsintensiteten utføres, men hastigheten reduseres betydelig. Når pH-verdien er lavere enn 4, er denitrifikasjon ofte fullstendig hemmet. Den passende temperaturen for denitrifisering er 30~35 grader, og denitrifikasjonen svekkes betydelig når temperaturen er lavere enn 2~9 grader.
Fra ovennevnte denitrifikasjonsprosessligning, kan det sees at produktet av den komplette denitrifikasjonsprosessen er nitrogen (N2), og N2O vil bli generert i en ufullstendig tilstand. Siden N2O er en klimagass, tilsvarer dens globale oppvarmingspotensial 310 ganger det for CO2. Selv om utslippet av ufullstendig denitrifikasjon i kunstige våtmarker er ubetydelig for den globale drivhuseffekten, har det gradvis tiltrukket seg oppmerksomhet og bekymring fra mange forskere de siste årene.
Planteutvinning
Nitrogen er et viktig næringsstoff for plantevekst. Uorganisk nitrogen kan absorberes og syntetiseres av planter i kunstige våtmarker til plantestoffer. Til slutt kan en del av det uorganiske nitrogenet fjernes fullstendig fra det kunstige våtmarkssystemet ved regelmessig høsting av de overjordiske delene av våtmarksplanter.
Absorpsjon og fjerning av uorganisk nitrogen av planter er begrenset av utbyttet av plantevev og nitrogeninnholdet i vevene. Anvendelsen av å forsterke denitrifiseringseffekten av våtmarker ved planteabsorpsjon er mer egnet i tropiske områder, fordi sesongendringene i tropiske områder er små og våtmarksplanter kan vokse hele året. Derfor kan høsting av planter utføres flere ganger for å forbedre absorpsjon og fjerning av uorganisk nitrogen av plantevev.
Ammonifikasjon
Ammonifiseringsprosessen refererer hovedsakelig til prosessen der nitrogenholdig organisk materiale som protein spaltes av mikroorganismer i våtmarksleiet og omdannes til ammoniakk. Forskningen på ammoniasjon i nitrogenkretsløpet til kunstig våtmarkskloakkbehandling har ikke tiltrukket seg oppmerksomheten og viktigheten av forskere som nitrifikasjon og denitrifikasjon.
Den rapporterte ammoniasjonsintensiteten til kunstige våtmarker er 0.004-0.530 g/(m2·d).
Ammoniakk nitrogen fordampning
Noe nitrogen og nitrogen i kunstige våtmarkssystemer kan unnslippe systemet ved fordampning. Mengden av fordampning av ammoniakk påvirkes av faktorer som klima, hydrauliske forhold og plantevekststatus.
When the pH value is lower than 7.5, the ammonia volatilization effect can be ignored. Only when the pH value is greater than 9.3, the ammonia volatilization effect is more significant. Wetland ammonia volatilization includes wetland ground ammonia volatilization and plant leaf ammonia volatilization. Among them, wetland ground ammonia volatilization needs to occur when the water pH>8. Generelt er pH-verdien til kunstige våtmarker 6~7. Derfor kan ammoniakknitrogenet som går tapt gjennom fordampning av våtmarksgrunn ignoreres.
Men når det kunstige våtmarken er fylt med kalkstein og andre medier, vil pH-verdien i våtmarkssystemet være svært høy, og tap av ammoniakknitrogen gjennom fordampning må vurderes.
Anaerob ammoniakkoksidasjon
Den anaerobe ammoniakkoksidasjonsprosessen er en biologisk reaksjonsprosess der anaerobe ammoniakkoksiderende bakterier bruker nitritt som elektronakseptor og ammoniakknitrogen som elektrondonor for å direkte oksidere ammoniakknitrogen til nitrogengass under anaerobe forhold.
Denne reaksjonen har vanligvis strenge krav til ytre forhold (pH-verdi, temperatur, oppløst oksygen osv.), men dens fordeler er: siden ammoniakknitrogen brukes direkte som elektrondonor for denitrifikasjonsreaksjon, tilsetning av eksogent organisk materiale (som f.eks. metanol) kan unngås, noe som kan spare driftskostnader og forhindre sekundær forurensning.
Siden det meste av ammoniakken ikke gjennomgår en fullstendig nitrifikasjonsprosess og direkte deltar i den anaerobe ammoniakkoksidasjonsreaksjonen, økes den effektive utnyttelsesgraden av oksygen, energiforbruket til oksygentilførselen reduseres, og syreproduksjonen reduseres. Dette kan redusere de kjemiske reagensene som kreves for nøytralisering, redusere driftskostnadene og redusere sekundær forurensning.
For tiden blir denne teknologien gradvis brukt i industriell behandling av koksavløpsvann, søppelvann og annet avløpsvann. Selv om det er rapporter om kunstig rensing av våtmarkskloakk, er relatert forskning fortsatt utilstrekkelig.
Frigjøring av lystgass
Det antas generelt at hovedmekanismen for nitrogenfjerning i kunstige våtmarker er at nitrogen i kloakk til slutt slipper ut i form av N2- og N2O-gasser under den kombinerte virkningen av nitrifikasjon og denitrifikasjon av mikroorganismer. Siden N2O er en sterk oppvarmende gass, er drivhuseffekten omtrent 298 ganger så stor som CO2, og dens innvirkning på det globale miljøet er langsiktig og potensiell, så det er veldig viktig å studere loven om N2O-utslipp i kunstige våtmarker.
Forskning på N2O-utslipp i kunstige våtmarkssystemer begynte i 1997, da Freeman først foreslo at bruk av kunstig våtmarksteknologi for å rense kloakk ville frigjøre en viss mengde N_2O i atmosfæren. Siden den gang har relaterte forskningsrapporter blitt publisert i utlandet. Innenriksrelatert forskning startet sent, og den tidligste forskningsrapporten ble sett i 2009.
