Met de toenemende mate van eutrofiëring van natuurlijke waterlichamen is de verwijdering van stikstof uit vervuilde waterlichamen een steeds urgenter probleem geworden. Wetlands spelen een belangrijke rol bij de preventie en beheersing van eutrofiëring van natuurlijke waterlichamen. Natuurlijke wetlands, aangevuld met redelijke kunstmatige maatregelen, kunnen de efficiëntie van de verwijdering van verontreinigende stoffen en de ecologische effecten aanzienlijk verbeteren. Onder hen is stikstofverwijdering een belangrijke functie van kunstmatige wetlands. De samenvatting van het stikstofverwijderingsmechanisme in kunstmatige wetlands voor rioolwaterzuivering kan een goede theoretische basis bieden voor het ontwerp, de werking en het onderzoek van wetlands.
Denitrificatiemechanisme van kunstmatige wetlands
Kunstmatige wetlandsystemen verwijderen stikstof uit rioolwater via verschillende mechanismen. Deze mechanismen omvatten voornamelijk biologische, fysische en chemische reacties.
In het kunstmatige wetlandsysteem tegen kwel worden, als de stikstofuitwisseling tussen kunstmatige wetlands en omliggende waterlichamen wordt genegeerd, de circulatie- en transformatieroutes van stikstof in kunstmatige wetlands weergegeven in de onderstaande figuur, voornamelijk inclusief ammoniak van organische stikstof, ammoniak-stikstofvervluchtiging biologische nitrificatie en denitrificatie, opname door plantenmicrobieel weefsel, matrixadsorptie en anaërobe ammoniakoxidatie en andere fysische, chemische en biologische processen.
Onder hen heeft de adsorptie en precipitatie van de matrix een goed effect in speciale matrixmoeraslanden of in de vroege fase van het gebruik van wetlands, maar voor volgroeide kunstmatige wetlands die al lange tijd in bedrijf zijn, kan de transformatie en verwijdering van stikstof onder de De werking van micro-organismen is altijd beschouwd als de belangrijkste manier om stikstof te verwijderen. Andere routes voor het verwijderen van stikstof, zoals anaërobe ammoniakoxidatie, kunnen theoretisch een grotere bijdrage leveren aan de behandeling van kunstmatige wetlands in afvalwater met een hoog ammoniakgehalte.
Nationale Ecologische Dag
Nitrificatie verwijst naar het proces waarbij ammoniakstikstof wordt geoxideerd tot nitrietstikstof en verder geoxideerd tot nitraatstikstof onder invloed van micro-organismen. Nitrificatie wordt voornamelijk door autotrofe bacteriën in twee fasen voltooid.
De eerste fase is het nitrietproces: dat wil zeggen de fase waarin ammoniakstikstof wordt geoxideerd tot nitrietstikstof.
Er zijn vijf belangrijke geslachten van nitrietbacteriën die bij deze fase betrokken zijn: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosococcus, Nitrosospira en Nitrosogloea. Onder hen is de rol van Nitrobacter bijzonder dominant.
De tweede fase is het nitrificatieproces: dat wil zeggen de fase waarin nitrietstikstof wordt geoxideerd tot nitraatstikstof.
Er zijn drie belangrijke geslachten van nitrificerende bacteriën die bij deze fase betrokken zijn: Nitrobacter, Nitrospina en Nitrococcus. Onder hen is Nitrobacter het belangrijkste geslacht, en de meest voorkomende zijn Nitrobacter winogradskyi en N.agilis.
Naast de bovengenoemde autotrofe micro-organismen zijn er in de bodem een groot aantal heterotrofe micro-organismen, die ook ammoniak en organische stikstofverbindingen kunnen oxideren tot N2O of N2, en hun nitrificatievermogen kan lager zijn dan dat van autotrofe nitrificerende bacteriën. maar het onderzoek naar hun specifieke rol in het nitrificatieproces in kunstmatige wetlands is nog steeds onvoldoende.
Het nitrificatie-verwijderingseffect van ammoniakstikstof varieert afhankelijk van het ontwerp en de structuur van kunstmatige wetlands. In kunstmatige wetlands met oppervlaktestroming, kunstmatige wetlands met verticale stroming en gecombineerde kunstmatige wetlands treden sterke nitrificatieprocessen op en wordt een grote hoeveelheid ammoniakstikstof verwijderd, maar de mate is verschillend.
Omdat het reoxygenatie-effect van verticale stroming beter is dan dat van kunstmatige wetlands met horizontale ondergrondse stroming, is de intensiteit van de nitrificatie over het algemeen groter dan die van wetlands met horizontale ondergrondse stroming. Bovendien beïnvloeden verschillende bedrijfsomstandigheden ook de intensiteit van nitrificatie. De getijdenwerking die wordt gebruikt in wetlands met verticale stroming en de voorbehandeling van de beluchting in de vroege fase van wetlands met horizontale ondergrondse stroming verhogen bijvoorbeeld beide de nitrificatie-intensiteit van het systeem.
Denitrificatie proces
Het denitrificatieproces verwijst naar het biochemische proces waarbij denitrificerende bacteriën stikstof (N) in nitraat (NO3-) reduceren tot stikstofmoleculen (N2) via een reeks tussenproducten (NO2-, NO, N2O ).
Het denitrificatieproces is van groot belang in de stikstofcyclus in de natuur en is een belangrijke schakel in de stikstofcyclus. In termen van kunstmatige rioolwaterzuivering in wetlands vormt dit samen met de nitrificatiereactie de belangrijkste vorm van biologische denitrificatie. Omgevingsbeperkingen voor het denitrificatieproces omvatten zuurstofomgeving, redoxpotentieel, temperatuur, pH en organische koolstofbron. Nitrificatie vereist een reoxygenatieomgeving, maar denitrificatie vereist een anaërobe omgeving, wat de theoretische gelijktijdige nitrificatie en denitrificatie in dezelfde waterrijke omgeving een belangrijke factor maakt die de denitrificatie van wetlands beperkt.
Het meest geschikte pH-bereik voor denitrificatie is pH6-8. Wanneer de pH-waarde lager is dan 5, kan de intensiteit van denitrificatie worden uitgevoerd, maar de snelheid ervan neemt aanzienlijk af. Wanneer de pH-waarde lager is dan 4 wordt denitrificatie vaak volledig geremd. De geschikte temperatuur voor denitrificatie is 30 ~ 35 graden, en de denitrificatie wordt aanzienlijk verzwakt wanneer de temperatuur lager is dan 2 ~ 9 graden.
Uit de bovenstaande vergelijking van het denitrificatieproces blijkt dat het product van het volledige denitrificatieproces stikstof (N2) is, en dat N2O in een onvolledige staat zal worden gegenereerd. Omdat N2O een broeikasgas is, is het aardopwarmingspotentieel gelijk aan 310 maal dat van CO2. Hoewel de uitstoot van onvolledige denitrificatie in kunstmatige wetlands verwaarloosbaar is voor het mondiale broeikaseffect, heeft dit de afgelopen jaren geleidelijk de aandacht en bezorgdheid van veel wetenschappers getrokken.
Extractie van planten
Stikstof is een essentiële voedingsstof voor de plantengroei. Anorganische stikstof kan door planten in kunstmatige wetlands worden geabsorbeerd en gesynthetiseerd tot plantaardige stoffen. Ten slotte kan een deel van de anorganische stikstof volledig uit het kunstmatige wetlandsysteem worden verwijderd door regelmatig bovengrondse delen van wetlandplanten te oogsten.
De opname en verwijdering van anorganische stikstof door planten wordt beperkt door de opbrengst aan plantenweefsels en het stikstofgehalte in de weefsels. De toepassing van het versterken van het denitrificatie-effect van wetlands door plantenabsorptie is geschikter in tropische gebieden, omdat de seizoensveranderingen in tropische gebieden klein zijn en wetlandplanten het hele jaar door kunnen groeien. Daarom kan het oogsten van planten meerdere keren worden uitgevoerd om de opname en verwijdering van anorganische stikstof door plantenweefsels te verbeteren.
Ammonificatie
Het ammonificatieproces heeft vooral betrekking op het proces waarbij stikstofhoudend organisch materiaal, zoals eiwitten, door micro-organismen in de wetlandbodem wordt afgebroken en omgezet in ammoniak. Het onderzoek naar ammoniak in de stikstofcyclus van kunstmatige rioolwaterzuivering in wetlands heeft niet de aandacht en het belang getrokken van onderzoekers als nitrificatie en denitrificatie.
De gerapporteerde ammoniakintensiteit van kunstmatige wetlands is 0.004-0,530 g/(m2·d).
Vervluchtiging van ammoniakstikstof
Een deel van de stikstof en stikstof in kunstmatige wetlandsystemen kan door vervluchtiging uit het systeem ontsnappen. De hoeveelheid ammoniakvervluchtiging wordt beïnvloed door factoren zoals het klimaat, de hydraulische omstandigheden en de status van de plantengroei.
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. Over het algemeen is de pH-waarde van kunstmatige wetlands 6~7. Daarom kan de ammoniak-stikstof die verloren gaat door de vervluchtiging van de bodem van wetlands worden genegeerd.
Wanneer het kunstmatige wetland echter gevuld is met kalksteen en andere media, zal de pH-waarde in het wetlandsysteem zeer hoog zijn en moet rekening worden gehouden met het verlies van ammoniakstikstof door vervluchtiging.
Anaërobe ammoniakoxidatie
Het anaerobe ammoniakoxidatieproces is een biologisch reactieproces waarbij anaerobe ammoniakoxiderende bacteriën nitriet als elektronenacceptor en ammoniakstikstof als elektronendonor gebruiken om onder anaerobe omstandigheden ammoniakstikstof direct in stikstofgas te oxideren.
Deze reactie stelt doorgaans strenge eisen aan externe omstandigheden (pH-waarde, temperatuur, opgeloste zuurstof, enz.), maar de voordelen zijn: aangezien ammoniakstikstof direct wordt gebruikt als elektronendonor voor denitrificatiereactie, kan de toevoeging van exogeen organisch materiaal (zoals methanol) kan worden vermeden, wat bedrijfskosten kan besparen en secundaire vervuiling kan voorkomen.
Omdat het grootste deel van de ammoniak geen volledig nitrificatieproces ondergaat en direct deelneemt aan de anaërobe ammoniakoxidatiereactie, wordt de effectieve benuttingsgraad van zuurstof verhoogd, wordt het energieverbruik van de zuurstoftoevoer verminderd en wordt de zuurproductie verminderd. Dit kan de hoeveelheid chemische reagentia die nodig zijn voor neutralisatie verminderen, de bedrijfskosten verlagen en secundaire vervuiling verminderen.
Momenteel wordt deze technologie geleidelijk toegepast bij de industriële behandeling van verkooksingsafvalwater, percolaatwater van stortplaatsen en ander afvalwater. Hoewel er rapporten zijn over kunstmatige rioolwaterzuivering in wetlands, is het daaraan gerelateerde onderzoek nog steeds onvoldoende.
Vrijgave van lachgas
Algemeen wordt aangenomen dat het belangrijkste mechanisme voor de verwijdering van stikstof in kunstmatige wetlands is dat stikstof uit het rioolwater uiteindelijk ontsnapt in de vorm van N2- en N2O-gassen onder de gecombineerde werking van nitrificatie en denitrificatie door micro-organismen. Omdat N2O een sterk opwarmend gas is, is het broeikaseffect ongeveer 298 keer groter dan dat van CO2, en is de impact ervan op het mondiale milieu langdurig en potentieel. Het is dus erg belangrijk om de wet van de uitstoot van N2O in kunstmatige wetlands te bestuderen.
Onderzoek naar N2O-emissies in kunstmatige wetlandsystemen begon in 1997, toen Freeman voor het eerst voorstelde dat het gebruik van kunstmatige wetlandtechnologie om rioolwater te zuiveren een bepaalde hoeveelheid N_2O in de atmosfeer zou vrijgeven. Sindsdien zijn gerelateerde onderzoeksrapporten in het buitenland gepubliceerd. Binnenlands gerelateerd onderzoek begon laat en het eerste onderzoeksrapport werd in 2009 gezien.