С ростом степени эвтрофикации природных водоемов удаление азота из загрязненных водоемов становится все более актуальной проблемой. Водно-болотные угодья играют важную роль в предотвращении и контроле эвтрофикации природных водоемов. Естественные водно-болотные угодья, дополненные разумными искусственными мерами, могут значительно повысить эффективность удаления загрязняющих веществ и экологический эффект. Среди них удаление азота является важной функцией искусственных водно-болотных угодий. Краткое изложение механизма удаления азота на искусственных водно-болотных угодьях для очистки сточных вод может обеспечить хорошую теоретическую основу для проектирования, эксплуатации и исследования водно-болотных угодий.
Механизм денитрификации искусственных водно-болотных угодий
Системы искусственных водно-болотных угодий удаляют азот из сточных вод с помощью различных механизмов. Эти механизмы в основном включают биологические, физические и химические реакции.
В противофильтрационной системе искусственных водно-болотных угодий, если игнорировать обмен азота между искусственными водно-болотными угодьями и окружающими водоемами, пути циркуляции и трансформации азота в искусственных водно-болотных угодьях показаны на рисунке ниже, в основном включая аммиак органического азота, улетучивание аммиачного азота. , биологическая нитрификация и денитрификация, поглощение растительными микробными тканями, матричная адсорбция и анаэробное окисление аммиака, а также другие физические, химические и биологические процессы.
Среди них адсорбция и осаждение матрицы дает хороший эффект на специальных матричных водно-болотных угодьях или на ранней стадии использования водно-болотных угодий, но для зрелых искусственных водно-болотных угодий, которые эксплуатируются в течение длительного времени, трансформация и удаление азота под Действие микроорганизмов всегда считалось основным способом удаления азота. Другие пути удаления азота, такие как анаэробное окисление аммиака, теоретически могут внести больший вклад в очистку сточных вод с высоким содержанием аммиачного азота на искусственных водно-болотных угодьях.
Национальный экологический день
Нитрификация — это процесс, при котором аммиачный азот окисляется до нитритного азота и далее до нитратного азота под действием микроорганизмов. Нитрификация осуществляется в основном автотрофными бактериями в два этапа.
Первая стадия — нитритный процесс: то есть стадия, на которой аммиачный азот окисляется до нитритного азота.
На этой стадии участвуют пять основных родов нитритных бактерий: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosococcus, Nitrosospira и Nitrosogloea. Среди них роль Nitrobacter является особенно доминирующей.
Второй этап — это процесс нитрификации: то есть этап, на котором нитритный азот окисляется до нитратного азота.
На этой стадии участвуют три основных рода нитрифицирующих бактерий: Nitrobacter, Nitrospina и Nitrococcus. Среди них основным родом является Nitrobacter, а распространенными являются Nitrobacter winogradskyi и N.agilis.
Помимо упомянутых выше автотрофных микроорганизмов, в почве имеется большое количество гетеротрофных микроорганизмов, которые также способны окислять аммиак и органические соединения азота до N2O или N2, причем их нитрифицирующая способность может быть ниже, чем у автотрофных нитрифицирующих бактерий. однако исследования их конкретной роли в процессе нитрификации на искусственных водно-болотных угодьях пока недостаточны.
Эффект удаления аммиачного азота по нитрификации зависит от конструкции и структуры искусственных водно-болотных угодий. В искусственных водно-болотных угодьях с поверхностным стоком, в искусственных водно-болотных угодьях с вертикальным стоком и в комбинированных искусственных водно-болотных угодьях происходят сильные процессы нитрификации и удаляется большое количество аммиачного азота, но степень их различна.
Вообще говоря, поскольку эффект реоксигенации вертикального потока лучше, чем у искусственных водно-болотных угодий с горизонтальным подземным потоком, интенсивность нитрификации обычно выше, чем у водно-болотных угодий с горизонтальным подземным потоком. Кроме того, на интенсивность нитрификации влияют и различные условия эксплуатации. Например, режим приливной эксплуатации, используемый на водно-болотных угодьях с вертикальным потоком, и предварительная обработка аэрацией на ранней стадии водно-болотных угодий с горизонтальным подземным потоком увеличивают интенсивность нитрификации системы.
Процесс денитрификации
Процесс денитрификации относится к биохимическому процессу, в котором денитрифицирующие бактерии восстанавливают азот (N) в нитрате (NO3-) до молекул азота (N2) через ряд промежуточных продуктов (NO2-, NO, N2O). ).
Процесс денитрификации имеет большое значение в круговороте азота в природе и является ключевым звеном круговорота азота. Что касается искусственной очистки сточных вод водно-болотных угодий, это является основным способом биологической денитрификации вместе с реакцией нитрификации. Экологические ограничения на процесс денитрификации включают кислородную среду, окислительно-восстановительный потенциал, температуру, pH и источник органического углерода. Нитрификация требует среды реоксигенации, но денитрификация требует анаэробной среды, что делает теоретическую одновременную нитрификацию и денитрификацию в одной и той же среде водно-болотных угодий важным фактором, ограничивающим денитрификацию водно-болотных угодий.
Наиболее подходящим диапазоном pH для денитрификации является pH6-8. При значении рН ниже 5 интенсивность денитрификации можно осуществлять, но ее скорость существенно снижается. Когда значение pH ниже 4, денитрификация часто полностью подавляется. Подходящая температура для денитрификации составляет 30–35 градусов, а денитрификация значительно ослабляется, когда температура ниже 2–9 градусов.
Из приведенного выше уравнения процесса денитрификации видно, что продуктом полного процесса денитрификации является азот (N2), а N2O будет генерироваться в неполном состоянии. Поскольку N2O является парниковым газом, его потенциал глобального потепления в 310 раз выше, чем у CO2. Хотя выбросы неполной денитрификации в искусственных водно-болотных угодьях незначительны по сравнению с глобальным парниковым эффектом, в последние годы они постепенно привлекают внимание и обеспокоенность многих ученых.
Экстракция растений
Азот является важным питательным веществом для роста растений. Неорганический азот может усваиваться и синтезироваться растениями на искусственных водно-болотных угодьях в растительные вещества. Наконец, часть неорганического азота можно полностью удалить из системы искусственных водно-болотных угодий путем регулярного сбора надземных частей водно-болотных растений.
Поглощение и выведение неорганического азота растениями лимитируется урожайностью тканей растений и содержанием азота в тканях. Применение усиления денитрификационного эффекта водно-болотных угодий за счет поглощения растениями более подходит для тропических районов, поскольку сезонные изменения в тропических районах невелики и растения водно-болотных угодий могут расти круглый год. Поэтому уборку растений можно проводить многократно, чтобы улучшить усвоение и выведение неорганического азота тканями растений.
Аммонификация
Процесс аммонификации в основном относится к процессу, при котором азотсодержащие органические вещества, такие как белок, разлагаются микроорганизмами в слое водно-болотных угодий и превращаются в аммиак. Исследования аммиака в азотном цикле очистки сточных вод искусственных водно-болотных угодий не привлекли внимания и значения таких исследователей, как нитрификация и денитрификация.
Зарегистрированная интенсивность аммиака искусственных водно-болотных угодий составляет 0.004-0.530 г/(м2·сут).
Испарение аммиачного азота
Некоторое количество азота и азота в системах искусственных водно-болотных угодий может выйти из системы в результате улетучивания. На количество улетучивания аммиака влияют такие факторы, как климат, гидравлические условия и состояние роста растений.
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. Как правило, значение pH искусственных водно-болотных угодий составляет 6–7. Следовательно, потерями аммиачного азота в результате испарения почвы водно-болотных угодий можно пренебречь.
Однако когда искусственное водно-болотное угодье заполнено известняком и другими средами, значение pH в системе водно-болотного угодья будет очень высоким, и необходимо учитывать потерю аммиачного азота в результате улетучивания.
Анаэробное окисление аммиака
Анаэробный процесс окисления аммиака представляет собой процесс биологической реакции, в котором анаэробные бактерии, окисляющие аммиак, используют нитрит в качестве акцептора электронов и аммиачный азот в качестве донора электронов для прямого окисления аммиачного азота в газообразный азот в анаэробных условиях.
Эта реакция обычно предъявляет строгие требования к внешним условиям (значение pH, температура, растворенный кислород и т. д.), но ее преимущества заключаются в том, что, поскольку аммиачный азот непосредственно используется в качестве донора электронов для реакции денитрификации, добавление экзогенных органических веществ (таких как метанола) можно избежать, что может сэкономить эксплуатационные расходы и предотвратить вторичное загрязнение.
Поскольку большая часть аммиака не подвергается полному процессу нитрификации и непосредственно участвует в анаэробной реакции окисления аммиака, увеличивается эффективная степень использования кислорода, снижаются энергозатраты на подачу кислорода и снижается кислотообразование. Это позволяет сократить количество химических реагентов, необходимых для нейтрализации, снизить эксплуатационные расходы и уменьшить вторичное загрязнение.
В настоящее время данная технология постепенно применяется при промышленной очистке сточных вод коксования, свалочного фильтрата и других сточных вод. Хотя имеются сообщения об искусственной очистке сточных вод водно-болотных угодий, соответствующих исследований все еще недостаточно.
Выброс закиси азота
Принято считать, что основной механизм удаления азота на искусственных водно-болотных угодьях заключается в том, что азот в сточных водах со временем выходит в виде газов N2 и N2O под совместным действием нитрификации и денитрификации микроорганизмов. Поскольку N2O является сильным газом, вызывающим потепление, его парниковый эффект примерно в 298 раз превышает эффект CO2, а его воздействие на глобальную окружающую среду является долгосрочным и потенциальным, поэтому очень важно изучить закон выделения N2O в искусственных водно-болотных угодьях.
Исследования выбросов N2O в системах искусственных водно-болотных угодий начались в 1997 году, когда Фримен впервые предположил, что использование технологии искусственных водно-болотных угодий для очистки сточных вод приведет к выбросу определенного количества N_2O в атмосферу. С тех пор соответствующие исследовательские отчеты были опубликованы за рубежом. Исследования внутри страны начались поздно, и самый ранний отчет об исследовании был опубликован в 2009 году.