Με τον αυξανόμενο βαθμό ευτροφισμού των φυσικών υδάτινων σωμάτων, η απομάκρυνση του αζώτου στα μολυσμένα υδατικά συστήματα γίνεται όλο και πιο επείγον ζήτημα. Οι υγρότοποι διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην πρόληψη και τον έλεγχο του ευτροφισμού των φυσικών υδάτινων σωμάτων. Οι φυσικοί υγρότοποι, συμπληρωμένοι με εύλογα τεχνητά μέτρα, μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά την αποτελεσματικότητα της απομάκρυνσης των ρύπων και τις οικολογικές επιπτώσεις. Μεταξύ αυτών, η απομάκρυνση του αζώτου είναι μια σημαντική λειτουργία των τεχνητών υγροτόπων. Η περίληψη του μηχανισμού αφαίρεσης αζώτου σε τεχνητούς υγροτόπους για επεξεργασία λυμάτων μπορεί να προσφέρει μια καλή θεωρητική βάση για το σχεδιασμό, τη λειτουργία και την έρευνα των υγροτόπων.
Μηχανισμός απονιτροποίησης τεχνητών υγροτόπων
Τα συστήματα τεχνητών υγροτόπων αφαιρούν το άζωτο από τα λύματα μέσω ποικίλων μηχανισμών. Αυτοί οι μηχανισμοί περιλαμβάνουν κυρίως βιολογικές, φυσικές και χημικές αντιδράσεις.
Στο σύστημα τεχνητών υγροτόπων κατά της διήθησης, εάν αγνοηθεί η ανταλλαγή αζώτου μεταξύ τεχνητών υγροτόπων και γειτονικών υδάτινων σωμάτων, οι οδοί κυκλοφορίας και μετασχηματισμού του αζώτου σε τεχνητούς υγροτόπους φαίνονται στο παρακάτω σχήμα, συμπεριλαμβανομένης κυρίως της αμμωνίας οργανικού αζώτου, της πτητικής αζώτου αμμωνίας , βιολογική νιτροποίηση και απονιτροποίηση, πρόσληψη φυτικών μικροβιακών ιστών, προσρόφηση μήτρας και αναερόβια οξείδωση αμμωνίας και άλλες φυσικές, χημικές και βιολογικές διεργασίες.
Μεταξύ αυτών, η προσρόφηση και η καθίζηση της μήτρας έχει καλή επίδραση σε υγροτόπους ειδικής μήτρας ή στο πρώιμο στάδιο χρήσης υγροτόπων, αλλά για ώριμους τεχνητούς υγροτόπους που λειτουργούν για μεγάλο χρονικό διάστημα, ο μετασχηματισμός και η απομάκρυνση του αζώτου κάτω από Η δράση των μικροοργανισμών θεωρούνταν πάντα ο κύριος τρόπος απομάκρυνσης του αζώτου. Άλλες οδοί απομάκρυνσης αζώτου, όπως η αναερόβια οξείδωση της αμμωνίας, μπορεί θεωρητικά να συνεισφέρουν περισσότερο στην επεξεργασία τεχνητών υγροτόπων υγρών αποβλήτων με υψηλή περιεκτικότητα σε άζωτο.
Εθνική Ημέρα Οικολογίας
Η νιτροποίηση αναφέρεται στη διαδικασία κατά την οποία το αμμωνιακό άζωτο οξειδώνεται σε νιτρώδες άζωτο και περαιτέρω οξειδώνεται σε νιτρικό άζωτο υπό τη δράση μικροοργανισμών. Η νιτροποίηση ολοκληρώνεται κυρίως από αυτοτροφικά βακτήρια σε δύο στάδια.
Το πρώτο στάδιο είναι η διεργασία νιτρωδών: δηλαδή το στάδιο στο οποίο το αμμωνιακό άζωτο οξειδώνεται σε νιτρώδες άζωτο.
Υπάρχουν πέντε κύρια γένη νιτρωδών βακτηρίων που εμπλέκονται σε αυτό το στάδιο: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosococcus, Nitrosospira και Nitrosogloea. Μεταξύ αυτών, ο ρόλος του Nitrobacter είναι ιδιαίτερα κυρίαρχος.
Το δεύτερο στάδιο είναι η διαδικασία νιτροποίησης: δηλαδή το στάδιο όπου το νιτρώδες άζωτο οξειδώνεται σε νιτρικό άζωτο.
Υπάρχουν τρία κύρια γένη νιτροποιητικών βακτηρίων που εμπλέκονται σε αυτό το στάδιο: Nitrobacter, Nitrospina και Nitrococcus. Μεταξύ αυτών, το Nitrobacter είναι το κύριο γένος και τα κοινά είναι τα Nitrobacter winogradskyi και N.agilis.
Εκτός από τους προαναφερθέντες αυτότροφους μικροοργανισμούς, υπάρχει μεγάλος αριθμός ετερότροφων μικροοργανισμών στο έδαφος, οι οποίοι μπορούν επίσης να οξειδώσουν την αμμωνία και τις οργανικές ενώσεις του αζώτου σε N2O ή N2 και η ικανότητα νιτροποίησης τους μπορεί να είναι χαμηλότερη από αυτή των αυτοτροφικών νιτροποιητικών βακτηρίων. αλλά η έρευνα για τον συγκεκριμένο ρόλο τους στη διαδικασία νιτροποίησης σε τεχνητούς υγροτόπους εξακολουθεί να είναι ανεπαρκής.
Η επίδραση της απομάκρυνσης της νιτροποίησης του αμμωνιακού αζώτου ποικίλλει ανάλογα με το σχεδιασμό και τη δομή των τεχνητών υγροτόπων. Σε τεχνητούς υγροτόπους επιφανειακής ροής, τεχνητούς υγροτόπους κάθετης ροής και συνδυασμένους τεχνητούς υγροτόπους, συμβαίνουν ισχυρές διεργασίες νιτροποίησης και αφαιρείται μεγάλη ποσότητα αζώτου αμμωνίας, αλλά ο βαθμός είναι διαφορετικός.
Σε γενικές γραμμές, δεδομένου ότι η επίδραση επαναοξυγόνωσης της κάθετης ροής είναι καλύτερη από αυτή των τεχνητών υγροτόπων οριζόντιας υπόγειας ροής, η ένταση της νιτροποίησης είναι γενικά μεγαλύτερη από αυτή των υγροτόπων οριζόντιας υπόγειας ροής. Επιπλέον, διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας επηρεάζουν επίσης την ένταση της νιτροποίησης. Για παράδειγμα, η παλιρροιακή λειτουργία που χρησιμοποιείται σε υγροτόπους κάθετης ροής και η προεπεξεργασία αερισμού στο πρώιμο στάδιο των υγροτόπων οριζόντιας υπόγειας ροής αυξάνουν και τα δύο την ένταση νιτροποίησης του συστήματος.
Διαδικασία απονιτροποίησης
Η διαδικασία απονιτροποίησης αναφέρεται στη βιοχημική διαδικασία κατά την οποία τα απονιτροποιητικά βακτήρια μειώνουν το άζωτο (N) σε νιτρικά (NO3-) σε μόρια αζώτου (N2) μέσω μιας σειράς ενδιάμεσων προϊόντων (NO2-, NO, N2O ).
Η διαδικασία απονιτροποίησης έχει μεγάλη σημασία στον κύκλο του αζώτου στη φύση και αποτελεί βασικό κρίκο στον κύκλο του αζώτου. Από την άποψη της τεχνητής επεξεργασίας λυμάτων υγροτόπων, αποτελεί τον κύριο τρόπο βιολογικής απονιτροποίησης μαζί με την αντίδραση νιτροποίησης. Οι περιβαλλοντικοί περιορισμοί στη διαδικασία απονιτροποίησης περιλαμβάνουν το περιβάλλον οξυγόνου, το δυναμικό οξειδοαναγωγής, τη θερμοκρασία, το pH και την πηγή οργανικού άνθρακα. Η νιτροποίηση απαιτεί ένα περιβάλλον επαναοξυγόνωσης, αλλά η απονιτροποίηση απαιτεί ένα αναερόβιο περιβάλλον, το οποίο καθιστά τη θεωρητική ταυτόχρονη νιτροποίηση και απονιτροποίηση στο ίδιο περιβάλλον υγροτόπων σημαντικό παράγοντα που περιορίζει την απονιτροποίηση του υγροτόπου.
Το πιο κατάλληλο εύρος pH για απονιτροποίηση είναι το pH6-8. Όταν η τιμή του pH είναι χαμηλότερη από 5, η ένταση της απονιτροποίησης μπορεί να πραγματοποιηθεί, αλλά ο ρυθμός της μειώνεται σημαντικά. Όταν η τιμή του pH είναι χαμηλότερη από 4, η απονιτροποίηση συχνά αναστέλλεται πλήρως. Η κατάλληλη θερμοκρασία για απονιτροποίηση είναι 30~35 βαθμοί και η απονιτροποίηση εξασθενεί σημαντικά όταν η θερμοκρασία είναι χαμηλότερη από 2~9 βαθμούς.
Από την παραπάνω εξίσωση της διαδικασίας απονιτροποίησης, μπορεί να φανεί ότι το προϊόν της πλήρους διαδικασίας απονιτροποίησης είναι το άζωτο (N2) και το N2O θα παραχθεί σε ατελή κατάσταση. Δεδομένου ότι το N2O είναι αέριο θερμοκηπίου, το δυναμικό υπερθέρμανσης του πλανήτη είναι ισοδύναμο με 310 φορές το CO2. Αν και η εκπομπή ατελούς απονιτροποίησης σε τεχνητούς υγροτόπους είναι αμελητέα για το παγκόσμιο φαινόμενο του θερμοκηπίου, έχει σταδιακά προσελκύσει την προσοχή και την ανησυχία πολλών μελετητών τα τελευταία χρόνια.
Εκχύλιση φυτών
Το άζωτο είναι ένα απαραίτητο θρεπτικό συστατικό για την ανάπτυξη των φυτών. Το ανόργανο άζωτο μπορεί να απορροφηθεί και να συντεθεί από τα φυτά σε τεχνητούς υγροτόπους σε φυτικές ουσίες. Τέλος, μέρος του ανόργανου αζώτου μπορεί να αφαιρεθεί πλήρως από το τεχνητό σύστημα υγροτόπων με τακτική συγκομιδή των υπέργειων τμημάτων των φυτών του υγροτόπου.
Η απορρόφηση και η απομάκρυνση του ανόργανου αζώτου από τα φυτά περιορίζεται από την απόδοση των φυτικών ιστών και την περιεκτικότητα σε άζωτο στους ιστούς. Η εφαρμογή της ενίσχυσης της επίδρασης απονιτροποίησης των υγροτόπων με την απορρόφηση των φυτών είναι πιο κατάλληλη σε τροπικές περιοχές, επειδή οι εποχικές αλλαγές στις τροπικές περιοχές είναι μικρές και τα φυτά των υγροτόπων μπορούν να αναπτυχθούν όλο το χρόνο. Επομένως, η συγκομιδή των φυτών μπορεί να πραγματοποιηθεί πολλές φορές για να βελτιωθεί η απορρόφηση και η απομάκρυνση του ανόργανου αζώτου από τους φυτικούς ιστούς.
Αμμωνοποίηση
Η διαδικασία αμμωνοποίησης αναφέρεται κυρίως στη διαδικασία κατά την οποία οργανική ύλη που περιέχει άζωτο, όπως η πρωτεΐνη, αποσυντίθεται από μικροοργανισμούς στην κοίτη του υγροτόπου και μετατρέπεται σε αμμωνία. Η έρευνα για την αμμωνία στον κύκλο αζώτου της επεξεργασίας τεχνητών λυμάτων υγροτόπων δεν έχει προσελκύσει την προσοχή και τη σημασία των ερευνητών όπως η νιτροποίηση και η απονιτροποίηση.
Η αναφερόμενη ένταση πυρομαχικών τεχνητών υγροτόπων είναι 0.004-0.530 g/(m2·d).
Ατμοποίηση αζώτου αμμωνίας
Κάποιο άζωτο και άζωτο σε συστήματα τεχνητών υγροτόπων μπορεί να διαφύγει από το σύστημα με εξάτμιση. Η ποσότητα της εξάτμισης της αμμωνίας επηρεάζεται από παράγοντες όπως το κλίμα, οι υδραυλικές συνθήκες και η κατάσταση ανάπτυξης των φυτών.
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. Γενικά, η τιμή pH των τεχνητών υγροτόπων είναι 6~7. Επομένως, το άζωτο αμμωνίας που χάνεται μέσω της εξάτμισης του εδάφους του υγροτόπου μπορεί να αγνοηθεί.
Ωστόσο, όταν ο τεχνητός υγρότοπος γεμίσει με ασβεστόλιθο και άλλα μέσα, η τιμή pH στο σύστημα του υγροτόπου θα είναι πολύ υψηλή και πρέπει να ληφθεί υπόψη η απώλεια αζώτου αμμωνίας μέσω της εξάτμισης.
Αναερόβια οξείδωση αμμωνίας
Η διαδικασία αναερόβιας οξείδωσης αμμωνίας είναι μια διεργασία βιολογικής αντίδρασης στην οποία αναερόβια βακτήρια οξειδώσεως αμμωνίας χρησιμοποιούν νιτρώδη ως δέκτη ηλεκτρονίων και αμμωνιακό άζωτο ως δότη ηλεκτρονίων για να οξειδώσουν απευθείας το άζωτο αμμωνίας σε αέριο άζωτο υπό αναερόβιες συνθήκες.
Αυτή η αντίδραση συνήθως έχει αυστηρές απαιτήσεις σε εξωτερικές συνθήκες (τιμή pH, θερμοκρασία, διαλυμένο οξυγόνο κ.λπ.), αλλά τα πλεονεκτήματά της είναι: δεδομένου ότι το άζωτο αμμωνίας χρησιμοποιείται απευθείας ως δότης ηλεκτρονίων για την αντίδραση απονιτροποίησης, η προσθήκη εξωγενούς οργανικής ύλης (όπως π.χ. μεθανόλη) μπορεί να αποφευχθεί, γεγονός που μπορεί να εξοικονομήσει λειτουργικό κόστος και να αποτρέψει τη δευτερογενή ρύπανση.
Δεδομένου ότι το μεγαλύτερο μέρος της αμμωνίας δεν υποβάλλεται σε πλήρη διαδικασία νιτροποίησης και συμμετέχει άμεσα στην αναερόβια αντίδραση οξείδωσης αμμωνίας, ο αποτελεσματικός ρυθμός χρήσης του οξυγόνου αυξάνεται, η κατανάλωση ενέργειας της παροχής οξυγόνου μειώνεται και η παραγωγή οξέος μειώνεται. Αυτό μπορεί να μειώσει τα χημικά αντιδραστήρια που απαιτούνται για την εξουδετέρωση, να μειώσει το λειτουργικό κόστος και να μειώσει τη δευτερογενή ρύπανση.
Επί του παρόντος, αυτή η τεχνολογία εφαρμόζεται σταδιακά στη βιομηχανική επεξεργασία λυμάτων οπτανθρακοποίησης, στραγγισμάτων χωματερών και άλλων λυμάτων. Αν και υπάρχουν αναφορές για την επεξεργασία λυμάτων τεχνητού υγροτόπου, η σχετική έρευνα εξακολουθεί να είναι ανεπαρκής.
Απελευθέρωση υποξειδίου του αζώτου
Γενικά πιστεύεται ότι ο κύριος μηχανισμός απομάκρυνσης αζώτου σε τεχνητούς υγροτόπους είναι ότι το άζωτο στα λύματα τελικά διαφεύγει με τη μορφή αερίων N2 και N2O υπό τη συνδυασμένη δράση νιτροποίησης και απονιτροποίησης από μικροοργανισμούς. Δεδομένου ότι το N2O είναι ένα ισχυρό θερμαινόμενο αέριο, το φαινόμενο του θερμοκηπίου του είναι περίπου 298 φορές μεγαλύτερο από αυτό του CO2 και η επίδρασή του στο παγκόσμιο περιβάλλον είναι μακροπρόθεσμη και δυνητική, επομένως είναι πολύ σημαντικό να μελετηθεί ο νόμος της απελευθέρωσης N2O σε τεχνητούς υγροτόπους.
Η έρευνα για τις εκπομπές N2O σε συστήματα τεχνητών υγροτόπων ξεκίνησε το 1997, όταν ο Freeman πρότεινε για πρώτη φορά ότι η χρήση τεχνολογίας τεχνητών υγροτόπων για τον καθαρισμό των λυμάτων θα απελευθέρωνε μια ορισμένη ποσότητα N_2O στην ατμόσφαιρα. Έκτοτε, σχετικές ερευνητικές εκθέσεις έχουν δημοσιευθεί στο εξωτερικό. Η εγχώρια σχετική έρευνα ξεκίνησε αργά και η παλαιότερη έκθεση έρευνας εμφανίστηκε το 2009.
