Doğal su kütlelerinin ötrofikasyon derecesinin artmasıyla birlikte, kirlenmiş su kütlelerindeki nitrojenin uzaklaştırılması giderek daha acil bir konu haline geldi. Sulak alanlar, doğal su kütlelerinin ötrofikasyonunun önlenmesinde ve kontrolünde önemli bir rol oynamaktadır. Makul yapay önlemlerle desteklenen doğal sulak alanlar, kirleticilerin uzaklaştırılmasının etkinliğini ve ekolojik etkilerini büyük ölçüde artırabilir. Bunlar arasında nitrojenin uzaklaştırılması yapay sulak alanların önemli bir işlevidir. Kanalizasyon arıtımı için yapay sulak alanlardaki nitrojen giderme mekanizmasının özeti, sulak alanların tasarımı, işletilmesi ve araştırılması için iyi bir teorik temel sağlayabilir.
Yapay sulak alanların denitrifikasyon mekanizması
Yapay sulak alan sistemleri çeşitli mekanizmalar yoluyla nitrojeni kanalizasyondan uzaklaştırır. Bu mekanizmalar temel olarak biyolojik, fiziksel ve kimyasal reaksiyonları içerir.
Sızıntı önleyici yapay sulak alan sisteminde, yapay sulak alanlar ve çevredeki su kütleleri arasındaki nitrojen değişimi göz ardı edilirse, yapay sulak alanlardaki nitrojenin dolaşımı ve dönüşüm yolları, esas olarak organik nitrojenin amonyağı, amonyak nitrojeninin buharlaşması dahil olmak üzere aşağıdaki şekilde gösterilmektedir. , biyolojik nitrifikasyon ve denitrifikasyon, bitki mikrobiyal doku alımı, matris adsorpsiyonu ve anaerobik amonyak oksidasyonu ve diğer fiziksel, kimyasal ve biyolojik işlemler.
Bunlar arasında, matrisin adsorpsiyonu ve çökeltilmesi, özel matrisli sulak alanlarda veya sulak alan kullanımının erken aşamasında iyi bir etkiye sahiptir, ancak uzun süredir faaliyette olan olgun yapay sulak alanlar için, nitrojenin dönüşüm ve uzaklaştırılması. Mikroorganizmaların etkisi her zaman nitrojeni uzaklaştırmanın ana yolu olarak düşünülmüştür. Anaerobik amonyak oksidasyonu gibi diğer nitrojen giderme yolları, teorik olarak yüksek amonyak nitrojenli atık su yapay sulak alanların arıtılmasına daha büyük katkı sağlayabilir.
Ulusal Ekoloji Günü
Nitrifikasyon, mikroorganizmaların etkisi altında amonyak nitrojeninin nitrit nitrojene oksitlendiği ve daha sonra nitrat nitrojene oksitlendiği prosesi ifade eder. Nitrifikasyon esas olarak ototrofik bakteriler tarafından iki aşamada tamamlanır.
İlk aşama nitrit işlemidir: yani amonyak nitrojeninin nitrit nitrojene oksitlendiği aşamadır.
Bu aşamada yer alan beş ana nitrit bakteri türü vardır: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosococcus, Nitrosospira ve Nitrosogloea. Bunlar arasında Nitrobacter'in rolü özellikle baskındır.
İkinci aşama nitrifikasyon sürecidir; yani nitrit nitrojenin nitrat nitrojene oksitlendiği aşamadır.
Bu aşamada yer alan üç ana nitrifikasyon bakteri türü vardır: Nitrobacter, Nitrospina ve Nitrococcus. Bunlar arasında ana cins Nitrobacter olup, yaygın olanları ise Nitrobacter winogradskyi ve N.agilis'tir.
Yukarıda belirtilen ototrofik mikroorganizmalara ek olarak, toprakta amonyak ve organik nitrojen bileşiklerini N2O veya N2'ye oksitleyebilen çok sayıda heterotrofik mikroorganizma vardır ve bunların nitrifikasyon yetenekleri ototrofik nitrifikasyon bakterilerininkinden daha düşük olabilir, ancak yapay sulak alanlardaki nitrifikasyon sürecindeki spesifik rollerine ilişkin araştırmalar hala yetersizdir.
Amonyak nitrojeninin nitrifikasyon giderme etkisi yapay sulak alanların tasarımına ve yapısına göre değişir. Yüzey akışlı yapay sulak alanlar, dikey akışlı yapay sulak alanlar ve birleşik yapay sulak alanlarda güçlü nitrifikasyon süreçleri meydana gelir ve büyük miktarda amonyak azotu giderilir ancak derecesi farklıdır.
Genel olarak konuşursak, dikey akışın reoksijenasyon etkisi, yatay yeraltı akışlı yapay sulak alanlardan daha iyi olduğundan, nitrifikasyonun yoğunluğu genellikle yatay yeraltı akışlı sulak alanlardan daha yüksektir. Ayrıca farklı çalışma koşulları da nitrifikasyonun yoğunluğunu etkiler. Örneğin, dikey akışlı sulak alanlarda kullanılan gel-git çalışma modu ve yatay yeraltı akışlı sulak alanların erken aşamasındaki havalandırma ön arıtması, sistemin nitrifikasyon yoğunluğunu artırır.
Denitrifikasyon süreci
Denitrifikasyon süreci, denitrifikasyon bakterilerinin nitrattaki (NO3-) nitrojeni (N), bir dizi ara ürün (NO2-, NO, N2O) aracılığıyla nitrojen moleküllerine (N2) indirgediği biyokimyasal prosesi ifade eder. ).
Denitrifikasyon prosesi doğadaki nitrojen döngüsünde büyük öneme sahiptir ve nitrojen döngüsünün önemli bir halkasıdır. Yapay sulak alan kanalizasyon arıtımı açısından nitrifikasyon reaksiyonuyla birlikte biyolojik denitrifikasyonun ana modunu oluşturur. Denitrifikasyon prosesindeki çevresel kısıtlamalar arasında oksijen ortamı, redoks potansiyeli, sıcaklık, pH ve organik karbon kaynağı yer alır. Nitrifikasyon bir reoksijenasyon ortamı gerektirir, ancak denitrifikasyon anaerobik bir ortam gerektirir; bu da aynı sulak alan ortamında teorik eşzamanlı nitrifikasyon ve denitrifikasyonu sulak alan denitrifikasyonunu kısıtlayan önemli bir faktör haline getirir.
Denitrifikasyon için en uygun pH aralığı pH6-8'dır. PH değeri 5'in altına düştüğünde denitrifikasyonun yoğunluğu gerçekleştirilebilir ancak hızı önemli ölçüde azalır. PH değeri 4'ün altında olduğunda denitrifikasyon genellikle tamamen engellenir. Denitrifikasyon için uygun sıcaklık 30~35 derecedir ve sıcaklık 2~9 dereceden düşük olduğunda denitrifikasyon önemli ölçüde zayıflar.
Yukarıdaki denitrifikasyon prosesi denkleminden, tam denitrifikasyon prosesinin ürününün nitrojen (N2) olduğu ve N2O'nun tamamlanmamış bir durumda üretileceği görülebilir. N2O bir sera gazı olduğundan küresel ısınma potansiyeli CO2'nin 310 katına eşdeğerdir. Yapay sulak alanlardaki eksik denitrifikasyon emisyonu, küresel sera etkisi açısından ihmal edilebilir düzeyde olmasına rağmen, son yıllarda giderek birçok bilim insanının dikkatini ve endişesini çekmektedir.
Bitki ekstraksiyonu
Azot bitki büyümesi için gerekli bir besindir. İnorganik azot, yapay sulak alanlardaki bitkiler tarafından emilebilir ve bitki maddelerine sentezlenebilir. Son olarak, inorganik nitrojenin bir kısmı, sulak alan bitkilerinin yer üstü kısımlarının düzenli olarak toplanmasıyla yapay sulak alan sisteminden tamamen uzaklaştırılabilir.
İnorganik azotun bitkiler tarafından emilimi ve uzaklaştırılması, bitki dokularının verimi ve dokulardaki azot içeriği ile sınırlıdır. Sulak alanların denitrifikasyon etkisinin bitki emilimi ile arttırılması uygulaması tropik bölgelerde daha uygundur çünkü tropik bölgelerde mevsimsel değişiklikler azdır ve sulak alan bitkileri tüm yıl boyunca büyüyebilir. Bu nedenle, inorganik nitrojenin bitki dokuları tarafından emilimini ve uzaklaştırılmasını geliştirmek için bitkilerin hasadı birçok kez gerçekleştirilebilir.
Amonifikasyon
Amonifikasyon prosesi temel olarak protein gibi nitrojen içeren organik maddelerin sulak alan yatağındaki mikroorganizmalar tarafından ayrıştırılarak amonyağa dönüştürüldüğü prosesi ifade eder. Yapay sulak alan kanalizasyon arıtımında nitrojen döngüsündeki amonyak üzerine yapılan araştırmalar, nitrifikasyon ve denitrifikasyon gibi araştırmacıların ilgisini ve önemini çekmemiştir.
Yapay sulak alanların rapor edilen amonyak yoğunluğu 0.004-0.530 g/(m2·d)'dir.
Amonyak nitrojenin buharlaşması
Yapay sulak alan sistemlerinde bir miktar nitrojen ve nitrojen, buharlaşma yoluyla sistemden kaçabilmektedir. Amonyak buharlaşma miktarı iklim, hidrolik koşullar ve bitki büyüme durumu gibi faktörlerden etkilenir.
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. Yapay sulak alanların pH değeri genellikle 6~7'dir. Bu nedenle, sulak alan buharlaşması nedeniyle kaybedilen amonyak nitrojeni göz ardı edilebilir.
Ancak yapay sulak alan kireçtaşı ve diğer ortamlarla doldurulduğunda sulak alan sistemindeki pH değeri çok yüksek olacaktır ve buharlaşma yoluyla amonyak nitrojeninin kaybının dikkate alınması gerekir.
Anaerobik amonyak oksidasyonu
Anaerobik amonyak oksidasyon işlemi, anaerobik amonyak oksitleyen bakterilerin, anaerobik koşullar altında amonyak nitrojenini doğrudan nitrojen gazına oksitlemek için elektron alıcısı olarak nitriti ve elektron donörü olarak amonyak nitrojenini kullandığı biyolojik bir reaksiyon prosesidir.
Bu reaksiyonun genellikle dış koşullar (pH değeri, sıcaklık, çözünmüş oksijen vb.) açısından katı gereksinimleri vardır, ancak avantajları şunlardır: amonyak nitrojeni, denitrifikasyon reaksiyonu için doğrudan bir elektron donörü olarak kullanıldığından, eksojen organik maddenin eklenmesi (örneğin, metanol) önlenebilir, bu da işletme maliyetlerinden tasarruf sağlayabilir ve ikincil kirliliği önleyebilir.
Amonyağın çoğu tam bir nitrifikasyon sürecine girmediğinden ve anaerobik amonyak oksidasyon reaksiyonuna doğrudan katıldığından, oksijenin etkin kullanım oranı artar, oksijen kaynağının enerji tüketimi azalır ve asit üretimi azalır. Bu, nötrleştirme için gereken kimyasal reaktifleri azaltabilir, işletme maliyetlerini azaltabilir ve ikincil kirliliği azaltabilir.
Şu anda bu teknoloji, kok atıksularının, çöp sızıntı sularının ve diğer atık suların endüstriyel arıtımında yavaş yavaş uygulanmaktadır. Yapay sulak alan kanalizasyon arıtımına ilişkin raporlar bulunmasına rağmen konuyla ilgili araştırmalar halen yetersizdir.
Azot oksit salınımı
Yapay sulak alanlarda nitrojen gideriminin ana mekanizmasının, mikroorganizmalar tarafından nitrifikasyon ve denitrifikasyonun birleşik etkisi altında kanalizasyondaki nitrojenin sonunda N2 ve N2O gazları şeklinde kaçması olduğuna inanılmaktadır. N2O güçlü bir ısıtıcı gaz olduğundan, sera etkisi CO2'nin yaklaşık 298 katı olduğundan ve küresel çevre üzerindeki etkisi uzun vadeli ve potansiyel olduğundan, yapay sulak alanlarda N2O salınımı yasasını incelemek çok önemlidir.
Yapay sulak alan sistemlerinde N2O emisyonları üzerine araştırmalar, Freeman'ın kanalizasyonu arıtmak için yapay sulak alan teknolojisinin kullanılmasının atmosfere belirli bir miktarda N_2O salacağını ilk kez önerdiği 1997 yılında başladı. O zamandan beri yurt dışında ilgili araştırma raporları yayınlandı. Yurt içi araştırmalar geç başladı ve en erken araştırma raporu 2009'da görüldü.