Зі збільшенням ступеня евтрофікації природних водойм питання видалення азоту із забруднених водойм стає все більш актуальним. Водно-болотні угіддя відіграють важливу роль у запобіганні та контролі евтрофікації природних водойм. Природні водно-болотні угіддя, доповнені розумними штучними заходами, можуть значно підвищити ефективність видалення забруднюючих речовин та екологічні наслідки. Серед них видалення азоту є важливою функцією штучних водно-болотних угідь. Короткий опис механізму видалення азоту в штучних водно-болотних угіддях для очищення стічних вод може забезпечити хорошу теоретичну основу для проектування, експлуатації та дослідження водно-болотних угідь.
Механізм денітрифікації штучних водно-болотних угідь
Системи штучних водно-болотних угідь видаляють азот із стічних вод за допомогою різноманітних механізмів. Ці механізми в основному включають біологічні, фізичні та хімічні реакції.
У системі штучних водно-болотних угідь проти просочування, якщо обмін азотом між штучними водно-болотними угіддями та навколишніми водоймами ігнорується, шляхи циркуляції та трансформації азоту в штучних водно-болотних угіддях показані на малюнку нижче, головним чином включаючи аміак органічного азоту, випаровування аміачного азоту біологічна нітрифікація та денітрифікація, поглинання рослинною мікробною тканиною, матрична адсорбція та анаеробне окислення аміаку та інші фізичні, хімічні та біологічні процеси.
Серед них адсорбція та осадження матриці має хороший ефект у спеціальних матричних водно-болотних угіддях або на ранній стадії використання водно-болотних угідь, але для зрілих штучних водно-болотних угідь, які експлуатуються протягом тривалого часу, перетворення та видалення азоту під час Дія мікроорганізмів завжди вважалося основним способом видалення азоту. Інші шляхи видалення азоту, такі як анаеробне окислення аміаку, теоретично можуть зробити більший внесок у очищення штучних водно-болотних угідь стічних вод з високим вмістом аміаку.
Національний екологічний день
Нітрифікація відноситься до процесу, в якому аміачний азот окислюється до нітритного азоту і далі окислюється до нітратного азоту під дією мікроорганізмів. Нітрифікація в основному завершується автотрофними бактеріями в два етапи.
Першою стадією є нітритний процес, тобто стадія, на якій аміачний азот окислюється до нітритного азоту.
Існує п'ять основних родів нітритних бактерій, залучених до цієї стадії: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosococcus, Nitrosospira та Nitrosogloea. Серед них особливо домінуючою є роль Nitrobacter.
Друга стадія — це процес нітрифікації, тобто стадія, на якій нітритний азот окислюється до нітратного азоту.
На цій стадії беруть участь три основні роди нітрифікуючих бактерій: Nitrobacter, Nitrospina та Nitrococcus. Серед них основним є Nitrobacter, а поширеними є Nitrobacter winogradskyi та N.agilis.
Крім перерахованих вище автотрофних мікроорганізмів, в ґрунті є велика кількість гетеротрофних мікроорганізмів, які також можуть окислювати аміак і органічні сполуки азоту до N2O або N2, і їх нітрифікаційна здатність може бути нижчою, ніж у автотрофних нітрифікуючих бактерій, але дослідження їх специфічної ролі в процесі нітрифікації на штучних водно-болотних угіддях ще недостатні.
Ефект видалення нітрифікації аміачним азотом змінюється в залежності від конструкції та структури штучних водно-болотних угідь. У штучних водно-болотних угіддях з поверхневим потоком, штучних водно-болотних угіддях з вертикальним потоком і комбінованих штучних водно-болотних угіддях відбуваються сильні процеси нітрифікації та видаляється велика кількість аміачного азоту, але ступінь різний.
Загалом кажучи, оскільки ефект реоксигенації вертикального потоку кращий, ніж ефект горизонтального підповерхневого потоку штучних водно-болотних угідь, інтенсивність нітрифікації, як правило, більша, ніж у водно-болотних угідь горизонтального підповерхневого потоку. Крім того, різні умови експлуатації також впливають на інтенсивність нітрифікації. Наприклад, припливний режим роботи, який використовується у водно-болотних угіддях з вертикальним потоком, і попередня обробка аерацією на ранній стадії водно-болотних угідь з горизонтальним підземним потоком підвищують інтенсивність нітрифікації системи.
Процес денітрифікації
Процес денітрифікації відноситься до біохімічного процесу, під час якого бактерії-денітрифікатори відновлюють азот (N) у нітратах (NO3-) до молекул азоту (N2) через низку проміжних продуктів (NO2-, NO, N2O ).
Процес денітрифікації має велике значення в циклі азоту в природі і є ключовою ланкою в циклі азоту. З точки зору штучного очищення стічних вод водно-болотних угідь, це є основним способом біологічної денітрифікації разом з реакцією нітрифікації. Екологічні обмеження процесу денітрифікації включають кисневе середовище, окислювально-відновний потенціал, температуру, pH і джерело органічного вуглецю. Нітрифікація потребує середовища реоксигенації, але денітрифікація вимагає анаеробного середовища, що робить теоретичну одночасну нітрифікацію та денітрифікацію в тому самому водно-болотному середовищі важливим фактором, що обмежує денітрифікацію водно-болотних угідь.
Найбільш відповідним діапазоном pH для денітрифікації є pH6-8. При значенні рН нижче 5 інтенсивність денітрифікації може проводитися, але її швидкість значно знижується. Коли значення pH нижче 4, денітрифікація часто повністю пригнічується. Відповідна температура для денітрифікації становить 30~35 градусів, і денітрифікація значно послаблюється, коли температура нижче 2~9 градусів.
З наведеного вище рівняння процесу денітрифікації видно, що продуктом повного процесу денітрифікації є азот (N2), а N2O утворюватиметься в неповному стані. Оскільки N2O є парниковим газом, його потенціал глобального потепління в 310 разів перевищує потенціал CO2. Хоча викиди в результаті неповної денітрифікації на штучних водно-болотних угіддях є незначними для глобального парникового ефекту, останніми роками вони поступово привернули увагу та занепокоєння багатьох вчених.
Екстракція рослин
Азот є важливою поживною речовиною для росту рослин. Неорганічний азот може поглинатися і синтезуватися рослинами в штучних заболочених угіддях в рослинні речовини. Нарешті, частина неорганічного азоту може бути повністю видалена з штучної водно-болотної системи шляхом регулярного збирання надземних частин болотних рослин.
Поглинання і видалення неорганічного азоту рослинами обмежено врожаєм рослинних тканин і вмістом азоту в тканинах. Застосування посилення ефекту денітрифікації водно-болотних угідь шляхом поглинання рослинами більше підходить у тропічних зонах, оскільки сезонні зміни в тропічних зонах незначні, а водно-болотні рослини можуть рости цілий рік. Тому збирання рослин можна проводити багаторазово, щоб покращити поглинання та видалення неорганічного азоту тканинами рослин.
Амоніфікація
Процес амоніфікації в основному відноситься до процесу, під час якого азотовмісна органічна речовина, така як білок, розкладається мікроорганізмами у водно-болотному руслі та перетворюється на аміак. Дослідження аміаку в азотному циклі штучного очищення стічних вод водно-болотних угідь не привернуло уваги та значення дослідників, як нітрифікація та денітрифікація.
Повідомлена інтенсивність аміаку штучних водно-болотних угідь становить 0.004-0,530 г/(м2·д).
Випаровування аміачного азоту
Деякий азот і азот у штучних водно-болотних угіддях можуть виходити з системи шляхом випаровування. На кількість випаровування аміаку впливають такі фактори, як клімат, гідравлічні умови та стан росту рослин.
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. Як правило, значення рН штучних водно-болотних угідь становить 6-7. Таким чином, втрату аміачного азоту через випаровування болотистої землі можна знехтувати.
Однак, коли штучне водно-болотне угіддя заповнене вапняком та іншими середовищами, значення рН у водно-болотній системі буде дуже високим, і необхідно враховувати втрату аміачного азоту через випаровування.
Анаеробне окислення аміаку
Процес анаеробного окислення аміаку — це процес біологічної реакції, в якому анаеробні бактерії, що окислюють аміак, використовують нітрит як акцептор електронів, а аміачний азот як донор електронів для безпосереднього окислення аміачного азоту в газоподібний азот в анаеробних умовах.
Ця реакція зазвичай має суворі вимоги до зовнішніх умов (значення рН, температура, розчинений кисень тощо), але її переваги: оскільки аміачний азот безпосередньо використовується як донор електронів для реакції денітрифікації, додавання екзогенної органічної речовини (наприклад, метанолу) можна уникнути, що може заощадити експлуатаційні витрати та запобігти вторинному забрудненню.
Оскільки більша частина аміаку не проходить процес повної нітрифікації і безпосередньо бере участь в реакції анаеробного окислення аміаку, ефективний коефіцієнт використання кисню збільшується, енерговитрати на подачу кисню знижуються, а кислотоутворення знижується. Це може зменшити кількість хімічних реагентів, необхідних для нейтралізації, знизити експлуатаційні витрати та зменшити вторинне забруднення.
В даний час ця технологія поступово застосовується при промисловому очищенні стічних вод коксування, фільтрату звалищ та інших стічних вод. Хоча є повідомлення про штучну очистку водно-болотних стічних вод, відповідних досліджень все ще недостатньо.
Виділення закису азоту
Загальноприйнято вважати, що основним механізмом видалення азоту на штучних заболочених угіддях є те, що азот зі стічних вод зрештою виходить у вигляді газів N2 і N2O під дією нітрифікації та денітрифікації мікроорганізмами. Оскільки N2O є сильним нагріваючим газом, його парниковий ефект приблизно в 298 разів перевищує парниковий ефект CO2, а його вплив на глобальне навколишнє середовище є довгостроковим і потенційним, тому дуже важливо вивчити закон виділення N2O в штучних заболочених угіддях.
Дослідження викидів N2O в системах штучних водно-болотних угідь розпочалося в 1997 році, коли Фріман вперше запропонував, що використання технології штучних водно-болотних угідь для очищення стічних вод призведе до вивільнення певної кількості N_2O в атмосферу. Відтоді відповідні звіти про дослідження були опубліковані за кордоном. Вітчизняні дослідження почалися із запізненням, і перший звіт про дослідження було опубліковано в 2009 році.
