Dengan peningkatan tahap eutrofikasi badan air semula jadi, penyingkiran nitrogen dalam badan air tercemar telah menjadi isu yang semakin mendesak. Tanah lembap memainkan peranan penting dalam pencegahan dan kawalan eutrofikasi badan air semula jadi. Tanah lembap semula jadi, ditambah dengan langkah buatan yang munasabah, boleh meningkatkan kecekapan penyingkiran bahan pencemar dan kesan ekologi. Antaranya, penyingkiran nitrogen adalah fungsi penting tanah lembap buatan. Ringkasan mekanisme penyingkiran nitrogen dalam tanah lembap buatan untuk rawatan kumbahan boleh memberikan asas teori yang baik untuk reka bentuk, operasi dan penyelidikan tanah lembap.
Mekanisme denitrifikasi tanah lembap buatan
Sistem tanah lembap buatan mengeluarkan nitrogen daripada kumbahan melalui pelbagai mekanisme. Mekanisme ini terutamanya termasuk tindak balas biologi, fizikal dan kimia.
Dalam sistem tanah lembap buatan anti-resapan, jika pertukaran nitrogen antara tanah lembap buatan dan badan air di sekeliling diabaikan, laluan peredaran dan transformasi nitrogen dalam tanah lembap buatan ditunjukkan dalam rajah di bawah, terutamanya termasuk ammonia nitrogen organik, pemeruapan nitrogen ammonia. , nitrifikasi dan denitrifikasi biologi, pengambilan tisu mikrob tumbuhan, penjerapan matriks dan pengoksidaan ammonia anaerobik dan fizikal lain, proses kimia dan biologi.
Antaranya, penjerapan dan pemendakan matriks mempunyai kesan yang baik di tanah lembap matriks khas atau di peringkat awal penggunaan tanah lembap, tetapi untuk tanah lembap buatan matang yang telah beroperasi untuk masa yang lama, transformasi dan penyingkiran nitrogen di bawah tindakan mikroorganisma sentiasa dianggap sebagai cara utama untuk mengeluarkan nitrogen. Laluan penyingkiran nitrogen lain seperti pengoksidaan ammonia anaerobik secara teorinya boleh memberi sumbangan yang lebih besar kepada rawatan tanah lembap buatan air sisa nitrogen tinggi ammonia.
Hari Ekologi Kebangsaan
Nitrifikasi merujuk kepada proses di mana nitrogen ammonia dioksidakan kepada nitrogen nitrit dan seterusnya dioksidakan kepada nitrogen nitrat di bawah tindakan mikroorganisma. Nitrifikasi terutamanya diselesaikan oleh bakteria autotrof dalam dua peringkat.
Peringkat pertama ialah proses nitrit: iaitu peringkat di mana nitrogen ammonia dioksidakan kepada nitrogen nitrit.
Terdapat lima genera utama bakteria nitrit yang terlibat dalam peringkat ini: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosococcus, Nitrosospira dan Nitrosogloea. Antaranya, peranan Nitrobacter sangat dominan.
Peringkat kedua ialah proses nitrifikasi: iaitu peringkat di mana nitrogen nitrit dioksidakan kepada nitrogen nitrat.
Terdapat tiga genera utama bakteria nitrifikasi yang terlibat dalam peringkat ini: Nitrobacter, Nitrospina dan Nitrococcus. Antaranya, Nitrobacter ialah genus utama, dan yang biasa ialah Nitrobacter winogradskyi dan N.agilis.
Sebagai tambahan kepada mikroorganisma autotrof yang disebutkan di atas, terdapat sejumlah besar mikroorganisma heterotropik di dalam tanah, yang juga boleh mengoksidakan ammonia dan sebatian nitrogen organik kepada N2O atau N2, dan keupayaan nitrifikasinya mungkin lebih rendah daripada bakteria nitrifikasi autotrof, tetapi penyelidikan mengenai peranan khusus mereka dalam proses nitrifikasi di tanah lembap buatan masih tidak mencukupi.
Kesan penyingkiran nitrifikasi nitrogen ammonia berbeza dengan reka bentuk dan struktur tanah lembap buatan. Dalam aliran permukaan tanah lembap buatan, tanah lembap tiruan aliran menegak dan tanah lembap tiruan gabungan, proses nitrifikasi yang kuat berlaku dan sejumlah besar nitrogen ammonia dikeluarkan, tetapi tahapnya berbeza.
Secara umumnya, oleh kerana kesan reoksigenasi aliran menegak adalah lebih baik daripada tanah lembap buatan aliran bawah permukaan mendatar, keamatan nitrifikasi secara amnya lebih besar daripada tanah lembap aliran bawah permukaan mendatar. Di samping itu, keadaan operasi yang berbeza juga mempengaruhi keamatan nitrifikasi. Sebagai contoh, mod operasi pasang surut yang digunakan dalam tanah lembap aliran menegak dan prarawatan pengudaraan pada peringkat awal tanah lembap aliran bawah permukaan mendatar kedua-duanya meningkatkan intensiti nitrifikasi sistem.
Proses denitrifikasi
Proses denitrifikasi merujuk kepada proses biokimia di mana bakteria denitrifikasi mengurangkan nitrogen (N) dalam nitrat (NO3-) kepada molekul nitrogen (N2) melalui satu siri produk perantaraan (NO2-, NO, N2O ).
Proses denitrifikasi adalah sangat penting dalam kitaran nitrogen secara semula jadi dan merupakan pautan utama dalam kitaran nitrogen. Dari segi rawatan kumbahan tanah lembap buatan, ia membentuk mod utama penyahtindahan biologi bersama-sama dengan tindak balas nitrifikasi. Kekangan alam sekitar pada proses denitrifikasi termasuk persekitaran oksigen, potensi redoks, suhu, pH dan sumber karbon organik. Nitrifikasi memerlukan persekitaran reoksigenasi, tetapi denitrifikasi memerlukan persekitaran anaerobik, yang menjadikan nitrifikasi dan denitrifikasi serentak teori dalam persekitaran tanah lembap yang sama sebagai faktor penting yang menyekat denitrifikasi tanah lembap.
Julat pH yang paling sesuai untuk denitrifikasi ialah pH6-8. Apabila nilai pH lebih rendah daripada 5, keamatan denitrifikasi boleh dijalankan, tetapi kadarnya menurun dengan ketara. Apabila nilai pH lebih rendah daripada 4, denitrifikasi selalunya dihalang sepenuhnya. Suhu yang sesuai untuk denitrifikasi ialah 30~35 darjah, dan denitrifikasi menjadi lemah dengan ketara apabila suhu lebih rendah daripada 2~9 darjah.
Daripada persamaan proses denitrifikasi di atas, dapat dilihat bahawa hasil darab proses denitrifikasi lengkap ialah nitrogen (N2), dan N2O akan dijana dalam keadaan tidak lengkap. Oleh kerana N2O ialah gas rumah hijau, potensi pemanasan globalnya adalah bersamaan dengan 310 kali ganda CO2. Walaupun pelepasan denitrifikasi yang tidak lengkap dalam tanah lembap buatan diabaikan untuk kesan rumah hijau global, ia secara beransur-ansur menarik perhatian dan kebimbangan ramai sarjana sejak beberapa tahun kebelakangan ini.
Pengekstrakan tumbuhan
Nitrogen adalah nutrien penting untuk pertumbuhan tumbuhan. Nitrogen tak organik boleh diserap dan disintesis oleh tumbuhan di tanah lembap buatan menjadi bahan tumbuhan. Akhir sekali, sebahagian daripada nitrogen tak organik boleh dikeluarkan sepenuhnya daripada sistem tanah lembap buatan dengan penuaian tetap bahagian atas tanah tumbuhan tanah lembap.
Penyerapan dan penyingkiran nitrogen tak organik oleh tumbuhan dihadkan oleh hasil tisu tumbuhan dan kandungan nitrogen dalam tisu. Aplikasi meningkatkan kesan denitrifikasi tanah lembap melalui penyerapan tumbuhan adalah lebih sesuai di kawasan tropika, kerana perubahan musim di kawasan tropika adalah kecil dan tumbuhan tanah lembap boleh tumbuh sepanjang tahun. Oleh itu, penuaian tumbuhan boleh dilakukan beberapa kali untuk meningkatkan penyerapan dan penyingkiran nitrogen bukan organik oleh tisu tumbuhan.
Ammonifikasi
Proses ammonifikasi terutamanya merujuk kepada proses di mana bahan organik yang mengandungi nitrogen seperti protein diuraikan oleh mikroorganisma di dasar tanah lembap dan ditukar kepada ammonia. Penyelidikan mengenai ammoniasi dalam kitaran nitrogen rawatan kumbahan tanah lembap tiruan tidak menarik perhatian dan kepentingan penyelidik seperti nitrifikasi dan denitrifikasi.
Keamatan ammoniasi yang dilaporkan bagi tanah lembap buatan ialah 0.004-0.530 g/(m2·d).
Penguapan nitrogen ammonia
Sesetengah nitrogen dan nitrogen dalam sistem tanah lembap buatan boleh melarikan diri daripada sistem dengan meruapkan. Jumlah volatilisasi ammonia dipengaruhi oleh faktor seperti iklim, keadaan hidraulik dan status pertumbuhan tumbuhan.
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. Secara amnya, nilai pH tanah lembap buatan ialah 6~7. Oleh itu, nitrogen ammonia yang hilang melalui pemeruapan tanah tanah lembap boleh diabaikan.
Walau bagaimanapun, apabila tanah lembap buatan dipenuhi dengan batu kapur dan media lain, nilai pH dalam sistem tanah lembap akan menjadi sangat tinggi, dan kehilangan nitrogen ammonia melalui volatilisasi perlu dipertimbangkan.
Pengoksidaan ammonia anaerobik
Proses pengoksidaan ammonia anaerobik ialah proses tindak balas biologi di mana bakteria pengoksida ammonia anaerobik menggunakan nitrit sebagai penerima elektron dan nitrogen ammonia sebagai penderma elektron untuk terus mengoksidakan nitrogen ammonia kepada gas nitrogen dalam keadaan anaerobik.
Tindak balas ini biasanya mempunyai keperluan yang ketat pada keadaan luaran (nilai pH, suhu, oksigen terlarut, dll.), tetapi kelebihannya ialah: kerana nitrogen ammonia digunakan secara langsung sebagai penderma elektron untuk tindak balas denitrifikasi, penambahan bahan organik eksogen (seperti metanol) boleh dielakkan, yang boleh menjimatkan kos operasi dan mencegah pencemaran sekunder.
Oleh kerana kebanyakan ammonia tidak menjalani proses nitrifikasi lengkap dan secara langsung mengambil bahagian dalam tindak balas pengoksidaan ammonia anaerobik, kadar penggunaan oksigen yang berkesan meningkat, penggunaan tenaga bekalan oksigen dikurangkan, dan pengeluaran asid berkurangan. Ini boleh mengurangkan reagen kimia yang diperlukan untuk peneutralan, mengurangkan kos operasi, dan mengurangkan pencemaran sekunder.
Pada masa ini, teknologi ini digunakan secara beransur-ansur dalam rawatan perindustrian air kumbahan kokas, resapan tapak pelupusan dan air sisa lain. Walaupun terdapat laporan mengenai rawatan kumbahan tanah lembap buatan, penyelidikan berkaitan masih tidak mencukupi.
Pembebasan nitrous oksida
Secara amnya dipercayai bahawa mekanisme utama penyingkiran nitrogen di tanah lembap buatan ialah nitrogen dalam kumbahan akhirnya terlepas dalam bentuk gas N2 dan N2O di bawah tindakan gabungan nitrifikasi dan denitrifikasi oleh mikroorganisma. Memandangkan N2O ialah gas pemanasan yang kuat, kesan rumah hijaunya adalah kira-kira 298 kali ganda daripada CO2, dan kesannya terhadap alam sekitar global adalah jangka panjang dan berpotensi, jadi adalah sangat penting untuk mengkaji undang-undang pelepasan N2O di tanah lembap buatan.
Penyelidikan tentang pelepasan N2O dalam sistem tanah lembap buatan bermula pada tahun 1997, apabila Freeman mula-mula mencadangkan bahawa penggunaan teknologi tanah lembap buatan untuk membersihkan kumbahan akan membebaskan sejumlah N_2O ke atmosfera. Sejak itu, laporan penyelidikan berkaitan telah diterbitkan di luar negara. Penyelidikan berkaitan domestik bermula lewat, dan laporan penyelidikan terawal dilihat pada tahun 2009.