So zvyšujúcim sa stupňom eutrofizácie prírodných vodných útvarov sa odstraňovanie dusíka v znečistených vodných útvaroch stáva čoraz naliehavejším problémom. Mokrade zohrávajú dôležitú úlohu v prevencii a kontrole eutrofizácie prírodných vodných útvarov. Prirodzené mokrade, doplnené rozumnými umelými opatreniami, môžu výrazne zlepšiť účinnosť odstraňovania znečisťujúcich látok a ekologické účinky. Medzi nimi je odstraňovanie dusíka dôležitou funkciou umelých mokradí. Zhrnutie mechanizmu odstraňovania dusíka v umelých mokradiach na čistenie odpadových vôd môže poskytnúť dobrý teoretický základ pre návrh, prevádzku a výskum mokradí.
Mechanizmus denitrifikácie umelých mokradí
Umelé mokraďové systémy odstraňujú dusík z odpadových vôd prostredníctvom rôznych mechanizmov. Medzi tieto mechanizmy patria najmä biologické, fyzikálne a chemické reakcie.
V systéme umelých mokradí proti priesakom, ak sa ignoruje výmena dusíka medzi umelými mokraďami a okolitými vodnými útvarmi, cesty cirkulácie a transformácie dusíka v umelých mokradiach sú znázornené na obrázku nižšie, najmä vrátane amoniaku organického dusíka, odparovania amoniakového dusíka biologická nitrifikácia a denitrifikácia, príjem rastlinnými mikrobiálnymi tkanivami, adsorpcia matrice a anaeróbna oxidácia amoniaku a ďalšie fyzikálne, chemické a biologické procesy.
Spomedzi nich má adsorpcia a precipitácia matrice dobrý účinok v špeciálnych matricových mokradiach alebo v ranom štádiu využívania mokradí, ale pre zrelé umelé mokrade, ktoré sú v prevádzke dlhší čas, je transformácia a odstraňovanie dusíka pod pôsobenie mikroorganizmov bolo vždy považované za hlavný spôsob odstraňovania dusíka. Iné cesty odstraňovania dusíka, ako je anaeróbna oxidácia amoniaku, môžu teoreticky viac prispieť k čisteniu umelých mokradí odpadových vôd s vysokým obsahom amoniaku.
Národný ekologický deň
Nitrifikáciou sa rozumie proces, pri ktorom sa amoniakálny dusík oxiduje na dusitanový dusík a ďalej sa oxiduje na dusičnanový dusík pôsobením mikroorganizmov. Nitrifikáciu dokončujú najmä autotrofné baktérie v dvoch stupňoch.
Prvým stupňom je dusitanový proces: to znamená štádium, v ktorom sa amoniakálny dusík oxiduje na dusitanový dusík.
V tomto štádiu je zapojených päť hlavných rodov dusitanových baktérií: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosococcus, Nitrosospira a Nitrosogloea. Medzi nimi je obzvlášť dominantná úloha Nitrobacter.
Druhým stupňom je proces nitrifikácie: to znamená štádium, v ktorom sa dusitanový dusík oxiduje na dusičnanový dusík.
V tejto fáze sa podieľajú tri hlavné rody nitrifikačných baktérií: Nitrobacter, Nitrospina a Nitrococcus. Medzi nimi je hlavným rodom Nitrobacter a bežné sú Nitrobacter winogradskyi a N.agilis.
Okrem vyššie uvedených autotrofných mikroorganizmov sa v pôde nachádza veľké množstvo heterotrofných mikroorganizmov, ktoré dokážu oxidovať aj amoniak a organické zlúčeniny dusíka na N2O alebo N2 a ich nitrifikačná schopnosť môže byť nižšia ako u autotrofných nitrifikačných baktérií. ale výskum ich špecifickej úlohy v procese nitrifikácie v umelých mokradiach je stále nedostatočný.
Účinok odstraňovania nitrifikácie amoniakovým dusíkom sa mení v závislosti od konštrukcie a štruktúry umelých mokradí. V povrchových umelých mokradiach, umelých mokradiach s vertikálnym prúdením a kombinovaných umelých mokradiach dochádza k silným nitrifikačným procesom a odvádza sa veľké množstvo amoniakálneho dusíka, ale stupeň je rôzny.
Vo všeobecnosti, keďže reoxygenačný efekt vertikálneho prúdenia je lepší ako u umelých mokradí s horizontálnym podpovrchovým tokom, intenzita nitrifikácie je vo všeobecnosti väčšia ako u mokradí s horizontálnym podpovrchovým tokom. Okrem toho rôzne prevádzkové podmienky ovplyvňujú aj intenzitu nitrifikácie. Napríklad režim prílivovej prevádzky používaný v mokradiach s vertikálnym prúdením a predčistenie prevzdušňovaním v ranom štádiu mokradí s horizontálnym podpovrchovým prúdením zvyšujú intenzitu nitrifikácie systému.
Proces denitrifikácie
Denitrifikačný proces je biochemický proces, pri ktorom denitrifikačné baktérie redukujú dusík (N) v dusičnanoch (NO3-) na molekuly dusíka (N2) prostredníctvom série medziproduktov (NO2-, NO, N2O ).
Proces denitrifikácie má veľký význam v cykle dusíka v prírode a je kľúčovým článkom v cykle dusíka. Z hľadiska umelého čistenia mokradí predstavuje spolu s nitrifikačnou reakciou hlavný spôsob biologickej denitrifikácie. Environmentálne obmedzenia v procese denitrifikácie zahŕňajú kyslíkové prostredie, redoxný potenciál, teplotu, pH a zdroj organického uhlíka. Nitrifikácia si vyžaduje reoxygenačné prostredie, ale denitrifikácia si vyžaduje anaeróbne prostredie, čo robí teoretickú súčasnú nitrifikáciu a denitrifikáciu v rovnakom prostredí mokradí dôležitým faktorom obmedzujúcim denitrifikáciu mokradí.
Najvhodnejším rozsahom pH na denitrifikáciu je pH 6-8. Keď je hodnota pH nižšia ako 5, intenzita denitrifikácie sa môže uskutočniť, ale jej rýchlosť výrazne klesá. Keď je hodnota pH nižšia ako 4, denitrifikácia je často úplne inhibovaná. Vhodná teplota na denitrifikáciu je 30 ~ 35 stupňov a denitrifikácia je výrazne oslabená, keď je teplota nižšia ako 2 ~ 9 stupňov.
Z vyššie uvedenej rovnice procesu denitrifikácie je možné vidieť, že produktom úplného procesu denitrifikácie je dusík (N2) a N2O bude generovaný v neúplnom stave. Keďže N2O je skleníkový plyn, jeho potenciál globálneho otepľovania je ekvivalentný 310-násobku CO2. Hoci emisia neúplnej denitrifikácie v umelých mokradiach je pre globálny skleníkový efekt zanedbateľná, v posledných rokoch postupne priťahuje pozornosť a obavy mnohých vedcov.
Extrakcia rastlín
Dusík je nevyhnutnou živinou pre rast rastlín. Anorganický dusík môžu rastliny v umelých mokradiach absorbovať a syntetizovať na rastlinné látky. Pravidelným zberom nadzemných častí mokraďových rastlín je napokon možné z umelého mokraďového systému úplne odstrániť časť anorganického dusíka.
Absorpcia a odstraňovanie anorganického dusíka rastlinami je limitovaná výťažnosťou rastlinných pletív a obsahom dusíka v pletivách. Aplikácia zosilnenia denitrifikačného efektu mokradí absorpciou rastlín je vhodnejšia v tropických oblastiach, pretože sezónne zmeny v tropických oblastiach sú malé a mokraďové rastliny môžu rásť po celý rok. Preto sa zber rastlín môže vykonávať viackrát, aby sa zlepšila absorpcia a odstránenie anorganického dusíka rastlinnými tkanivami.
Amonifikácia
Amonifikačný proces sa týka hlavne procesu, v ktorom je organická hmota obsahujúca dusík, ako je bielkovina, rozložená mikroorganizmami v mokraďovej vrstve a premenená na amoniak. Výskum amoniaku v cykle dusíka umelého čistenia mokradí nepritiahol pozornosť a dôležitosť výskumníkov, ako je nitrifikácia a denitrifikácia.
Hlásená intenzita amonizácie umelých mokradí je 0.004-0,530 g/(m2·d).
Prchanie amoniakového dusíka
Časť dusíka a dusíka v umelých mokraďových systémoch môže uniknúť zo systému odparovaním. Množstvo prchavosti amoniaku je ovplyvnené faktormi, ako sú klíma, hydraulické podmienky a stav rastu rastlín.
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. Vo všeobecnosti je hodnota pH umelých mokradí 6~7. Preto je možné ignorovať stratu amoniakálneho dusíka v dôsledku odparovania pôdy mokradí.
Keď sa však umelá mokraď naplní vápencom a inými médiami, hodnota pH v systéme mokradí bude veľmi vysoká a je potrebné zvážiť stratu amoniakálneho dusíka odparovaním.
Anaeróbna oxidácia amoniaku
Proces anaeróbnej oxidácie amoniaku je biologický reakčný proces, v ktorom anaeróbne baktérie oxidujúce amoniak využívajú dusitany ako akceptor elektrónov a amoniakálny dusík ako donor elektrónov na priamu oxidáciu amoniakálneho dusíka na plynný dusík za anaeróbnych podmienok.
Táto reakcia má zvyčajne prísne požiadavky na vonkajšie podmienky (hodnota pH, teplota, rozpustený kyslík atď.), ale jej výhody sú: keďže sa amoniakový dusík priamo používa ako donor elektrónov pre denitrifikačnú reakciu, pridávanie exogénnych organických látok (ako napr. metanol) sa dá vyhnúť, čo môže ušetriť prevádzkové náklady a zabrániť sekundárnemu znečisteniu.
Pretože väčšina amoniaku neprechádza úplným nitrifikačným procesom a priamo sa zúčastňuje anaeróbnej oxidačnej reakcie amoniaku, zvyšuje sa efektívna miera využitia kyslíka, znižuje sa spotreba energie na dodávku kyslíka a znižuje sa produkcia kyseliny. To môže znížiť množstvo chemických činidiel potrebných na neutralizáciu, znížiť prevádzkové náklady a znížiť sekundárne znečistenie.
V súčasnosti sa táto technológia postupne uplatňuje pri priemyselnom čistení odpadových vôd z koksovania, skládkových výluhov a iných odpadových vôd. Hoci existujú správy o umelom čistení odpadových vôd z mokradí, súvisiaci výskum je stále nedostatočný.
Uvoľňovanie oxidu dusného
Všeobecne sa predpokladá, že hlavným mechanizmom odstraňovania dusíka v umelých mokradiach je, že dusík z odpadových vôd nakoniec uniká vo forme plynov N2 a N2O pri kombinovanom pôsobení nitrifikácie a denitrifikácie mikroorganizmami. Keďže N2O je silný otepľujúci plyn, jeho skleníkový efekt je asi 298-krát väčší ako CO2 a jeho vplyv na globálne prostredie je dlhodobý a potenciálny, preto je veľmi dôležité študovať zákon o uvoľňovaní N2O v umelých mokradiach.
Výskum emisií N2O v systémoch umelých mokradí sa začal v roku 1997, keď Freeman prvýkrát navrhol, že použitie technológie umelých mokradí na čistenie odpadových vôd by uvoľnilo určité množstvo N_2O do atmosféry. Odvtedy boli v zahraničí publikované súvisiace výskumné správy. Domáce výskumy sa začali neskoro a najskoršia výskumná správa bola zverejnená v roku 2009.