Luonnonvesistöjen lisääntyvän rehevöitymisen myötä typen poistamisesta saastuneista vesistöistä on tullut yhä kiireellisempi kysymys. Kosteikoilla on tärkeä rooli luonnollisten vesistöjen rehevöitymisen ehkäisyssä ja hallinnassa. Luonnolliset kosteikot, joita täydennetään kohtuullisilla keinotekoisilla toimenpiteillä, voivat parantaa huomattavasti saasteiden poiston tehokkuutta ja ekologisia vaikutuksia. Niistä typenpoisto on tärkeä keinotekoisten kosteikkojen tehtävä. Yhteenveto typenpoistomekanismista keinokosteikoilla jäteveden käsittelyyn voi tarjota hyvän teoreettisen pohjan kosteikkojen suunnittelulle, toiminnalle ja tutkimukselle.
Keinotekoisten kosteikkojen denitrifikaatiomekanismi
Keinotekoiset kosteikkojärjestelmät poistavat typpeä jätevedestä useiden eri mekanismien avulla. Nämä mekanismit sisältävät pääasiassa biologisia, fysikaalisia ja kemiallisia reaktioita.
Jos tihkumista estävässä tekokosteikkojärjestelmässä jätetään huomioimatta typenvaihto tekokosteikkojen ja ympäröivien vesistöjen välillä, typen kierto- ja muuntumisreitit tekokosteikoilla on esitetty alla olevassa kuvassa, sisältäen pääasiassa orgaanisen typen ammoniakin, ammoniakkitypen haihtumisen. , biologinen nitrifikaatio ja denitrifikaatio, kasvien mikrobien kudosten otto, matriisin adsorptio ja anaerobinen ammoniakin hapettuminen ja muut fysikaaliset, kemialliset ja biologiset prosessit.
Niistä matriisin adsorptio ja saostuminen vaikuttavat hyvin erikoismatriisikosteikoilla tai kosteikon käytön alkuvaiheessa, mutta kypsillä keinokosteikoilla, jotka ovat olleet pitkään toiminnassa, typen muuntuminen ja poisto. mikro-organismien toimintaa on aina pidetty tärkeimpänä tapana poistaa typpeä. Muut typenpoistoreitit, kuten anaerobinen ammoniakin hapetus, voivat teoriassa antaa suuremman panoksen runsaasti ammoniakkia sisältävien typpipitoisten jätevesien tekokosteikkojen käsittelyyn.
Kansallinen ekologinen päivä
Nitrifikaatiolla tarkoitetaan prosessia, jossa ammoniakkityppi hapetetaan nitriittitypeksi ja hapetetaan edelleen nitraattitypeksi mikro-organismien vaikutuksesta. Nitrifikaation suorittavat pääasiassa autotrofiset bakteerit kahdessa vaiheessa.
Ensimmäinen vaihe on nitriittiprosessi, eli vaihe, jossa ammoniakkityppi hapetetaan nitriittitypeksi.
Tässä vaiheessa on mukana viisi nitriittibakteerien pääsukua: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosococcus, Nitrosospira ja Nitrosogloea. Niistä Nitrobakteerin rooli on erityisen hallitseva.
Toinen vaihe on nitrifikaatioprosessi: eli vaihe, jossa nitriittityppi hapetetaan nitraattitypeksi.
Tässä vaiheessa on mukana kolme pääsukua nitrifioivia bakteereja: Nitrobacter, Nitrospina ja Nitrococcus. Niistä pääsuku on Nitrobacter ja yleisimmät ovat Nitrobacter winogradskyi ja N.agilis.
Edellä mainittujen autotrofisten mikro-organismien lisäksi maaperässä on suuri määrä heterotrofisia mikro-organismeja, jotka voivat myös hapettaa ammoniakkia ja orgaanisia typpiyhdisteitä N2O:ksi tai N2:ksi, ja niiden nitrifikaatiokyky voi olla pienempi kuin autotrofisilla nitrifioivilla bakteereilla, mutta tutkimus niiden erityisestä roolista keinotekoisten kosteikkojen nitrifikaatioprosessissa on edelleen riittämätön.
Ammoniakkitypen nitrifikaatiota poistava vaikutus vaihtelee keinotekoisten kosteikkojen rakenteen ja rakenteen mukaan. Pintavirtaustekoisissa tekokosteikoissa, pystyvirtaustekoisissa tekokosteikoissa ja yhdistetyissä tekokosteikoissa tapahtuu voimakkaita nitrifikaatioprosesseja ja suuri määrä ammoniakkityppeä poistuu, mutta aste on erilainen.
Yleisesti ottaen, koska pystysuoran virtauksen hapetusvaikutus on parempi kuin vaakasuoran maanalaisen virtauksen keinotekoisten kosteikkojen, nitrifikaation intensiteetti on yleensä suurempi kuin vaakasuuntaisten maanalaisten virtausten kosteikkojen. Lisäksi erilaiset käyttöolosuhteet vaikuttavat myös nitrifikaation voimakkuuteen. Esimerkiksi pystyvirtauskosteikoilla käytettävä vuorovesitoimintatapa ja ilmastuksen esikäsittely vaakasuuntaisten maanalaisten virtauskosteikkojen alkuvaiheessa lisäävät molemmat järjestelmän nitrifikaatiointensiteettiä.
Denitrifikaatioprosessi
Denitrifikaatioprosessi viittaa biokemialliseen prosessiin, jossa denitrifioivat bakteerit pelkistävät typen (N) nitraatissa (NO3-) typpimolekyyleiksi (N2) välituotteiden (NO2-, NO, N2O) kautta. ).
Denitrifikaatioprosessilla on suuri merkitys typen kierrossa luonnossa ja se on keskeinen linkki typen kierrossa. Keinotekoisen kosteikon jäteveden käsittelyssä se muodostaa pääasiallisen biologisen denitrifikaation tavan yhdessä nitrifikaatioreaktion kanssa. Denitrifikaatioprosessin ympäristörajoituksia ovat happiympäristö, redox-potentiaali, lämpötila, pH ja orgaanisen hiilen lähde. Nitrifikaatio vaatii uudelleenhapetusympäristön, mutta denitrifikaatio vaatii anaerobista ympäristöä, mikä tekee teoreettisesta samanaikaisesta nitrifikaatiosta ja denitrifikaatiosta samassa kosteikkoympäristössä tärkeän kosteikon denitrifikaatiota rajoittavan tekijän.
Sopivin pH-alue denitrifikaatiolle on pH6-8. Kun pH-arvo on alle 5, denitrifikaation intensiteetti voidaan suorittaa, mutta sen nopeus laskee merkittävästi. Kun pH-arvo on alle 4, denitrifikaatio estyy usein kokonaan. Sopiva lämpötila denitrifikaatiolle on 30-35 astetta, ja denitrifikaatio heikkenee merkittävästi, kun lämpötila on alle 2-9 astetta.
Yllä olevasta denitrifikaatioprosessin yhtälöstä voidaan nähdä, että täydellisen denitrifikaatioprosessin tuote on typpi (N2), ja N2O muodostuu epätäydellisenä. Koska N2O on kasvihuonekaasu, sen ilmaston lämpenemispotentiaali on 310 kertaa suurempi kuin CO2. Vaikka epätäydellisen denitrifikaation päästöt keinotekoisissa kosteikoissa ovat merkityksettömiä maailmanlaajuisen kasvihuoneilmiön kannalta, se on vähitellen herättänyt monien tutkijoiden huomion ja huolen viime vuosina.
Kasvien louhinta
Typpi on välttämätön ravintoaine kasvien kasvulle. Keinotekoisten kosteikkojen kasvit voivat absorboida ja syntetisoida epäorgaanista typpeä kasviaineiksi. Lopuksi osa epäorgaanisesta typestä voidaan poistaa kokonaan keinotekoisesta kosteikkojärjestelmästä korjaamalla säännöllisesti kosteikkokasvien maanpäälliset osat.
Kasvien epäorgaanisen typen imeytymistä ja poistumista rajoittavat kasvikudosten saanto ja kudosten typpipitoisuus. Kosteikkojen denitrifikaatiovaikutuksen tehostaminen kasvien imeytymisellä on sopivampi trooppisilla alueilla, koska trooppisilla alueilla vuodenaikojen vaihtelut ovat pieniä ja kosteikot voivat kasvaa ympäri vuoden. Siksi kasvien sadonkorjuu voidaan suorittaa useita kertoja epäorgaanisen typen imeytymisen ja poiston parantamiseksi kasvikudoksissa.
Ammonifikaatio
Ammonifikaatioprosessilla tarkoitetaan pääasiassa prosessia, jossa typpeä sisältävä orgaaninen aine, kuten proteiini, hajotetaan kosteikkopetiin mikro-organismien toimesta ja muunnetaan ammoniakiksi. Keinotekoisen kosteikon jätevedenkäsittelyn typen kiertokulkuun liittyvä ammoniakkitutkimus ei ole herättänyt nitrifikaation ja denitrifikaation kaltaisten tutkijoiden huomiota ja merkitystä.
Keinotekoisten kosteikkojen raportoitu ammoniakin intensiteetti on 0.004-0,530 g/(m2·d).
Ammoniakkitypen haihtuminen
Osa typestä ja typestä keinotekoisissa kosteikkojärjestelmissä voi karata järjestelmästä haihtumalla. Ammoniakin haihtumisen määrään vaikuttavat sellaiset tekijät kuin ilmasto, hydrauliset olosuhteet ja kasvien kasvutila.
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. Yleensä keinotekoisten kosteikkojen pH-arvo on 6-7. Siksi kosteikkojen maaperän haihtumisen kautta menetetty ammoniakkityppi voidaan jättää huomiotta.
Kuitenkin, kun tekokosteikko on täytetty kalkkikivellä ja muilla väliaineilla, kosteikkojärjestelmän pH-arvo on erittäin korkea ja haihtumisen aiheuttama ammoniakkitypen menetys on otettava huomioon.
Anaerobinen ammoniakin hapetus
Anaerobinen ammoniakin hapetusprosessi on biologinen reaktioprosessi, jossa anaerobiset ammoniakkia hapettavat bakteerit käyttävät nitriittiä elektronien vastaanottajana ja ammoniakkityppeä elektronien luovuttajana hapettamaan ammoniakkitypen suoraan typpikaasuksi anaerobisissa olosuhteissa.
Tällä reaktiolla on tavallisesti tiukat vaatimukset ulkoisille olosuhteille (pH-arvo, lämpötila, liuennut happi jne.), mutta sen etuja ovat: koska ammoniakkityppeä käytetään suoraan elektronin luovuttajana denitrifikaatioreaktiossa, eksogeenisen orgaanisen aineen (esim. metanoli) voidaan välttää, mikä voi säästää käyttökustannuksia ja ehkäistä toissijaista saastumista.
Koska suurin osa ammoniakista ei käy läpi täydellistä nitrifikaatioprosessia ja osallistuu suoraan anaerobiseen ammoniakin hapetusreaktioon, hapen tehokas käyttöaste kasvaa, hapensyötön energiankulutus vähenee ja hapon tuotanto vähenee. Tämä voi vähentää neutralointiin tarvittavia kemiallisia reagensseja, alentaa käyttökustannuksia ja vähentää toissijaista saastumista.
Tällä hetkellä tätä teknologiaa aletaan vähitellen soveltaa koksausjätevesien, kaatopaikkojen suotoveden ja muiden jätevesien teolliseen käsittelyyn. Vaikka keinokosteikkojen jäteveden käsittelystä on raportoitu, siihen liittyvä tutkimus on edelleen riittämätöntä.
Dityppioksidin vapautuminen
Yleisesti uskotaan, että pääasiallinen typenpoistomekanismi keinotekoisilla kosteikoilla on, että jäteveden typpi poistuu lopulta N2- ja N2O-kaasujen muodossa mikro-organismien nitrifikaation ja denitrifikaation yhteisvaikutuksessa. Koska N2O on voimakas lämmittävä kaasu, sen kasvihuoneilmiö on noin 298-kertainen CO2:een verrattuna ja sen vaikutus globaaliin ympäristöön on pitkäaikainen ja potentiaalinen, joten on erittäin tärkeää tutkia N2O:n vapautumislakia tekokosteikoilla.
Keinotekoisten kosteikkojen N2O-päästöjen tutkimus alkoi vuonna 1997, jolloin Freeman ehdotti ensimmäisen kerran, että keinotekoisen kosteikkoteknologian käyttö jäteveden puhdistamiseen vapauttaisi tietyn määrän N_2O:ta ilmakehään. Siitä lähtien aiheeseen liittyviä tutkimusraportteja on julkaistu ulkomailla. Kotimainen tutkimus alkoi myöhään, ja aikaisin tutkimusraportti nähtiin vuonna 2009.