Con el creciente grado de eutrofización de las masas de agua naturales, la eliminación de nitrógeno en masas de agua contaminadas se ha convertido en una cuestión cada vez más urgente. Los humedales desempeñan un papel importante en la prevención y el control de la eutrofización de las masas de agua naturales. Los humedales naturales, complementados con medidas artificiales razonables, pueden mejorar en gran medida la eficiencia de la eliminación de contaminantes y los efectos ecológicos. Entre ellas, la eliminación de nitrógeno es una función importante de los humedales artificiales. El resumen del mecanismo de eliminación de nitrógeno en humedales artificiales para el tratamiento de aguas residuales puede proporcionar una buena base teórica para el diseño, operación e investigación de humedales.
Mecanismo de desnitrificación de humedales artificiales.
Los sistemas de humedales artificiales eliminan el nitrógeno de las aguas residuales mediante diversos mecanismos. Estos mecanismos incluyen principalmente reacciones biológicas, físicas y químicas.
En el sistema de humedales artificiales anti-filtración, si se ignora el intercambio de nitrógeno entre los humedales artificiales y los cuerpos de agua circundantes, las vías de circulación y transformación del nitrógeno en los humedales artificiales se muestran en la siguiente figura, incluyendo principalmente el amoníaco del nitrógeno orgánico y la volatilización del nitrógeno amoniacal. , nitrificación y desnitrificación biológica, absorción de tejido microbiano vegetal, adsorción de matriz y oxidación anaeróbica de amoníaco y otros procesos físicos, químicos y biológicos.
Entre ellos, la adsorción y precipitación de la matriz tiene un buen efecto en humedales de matriz especial o en la etapa inicial de uso de humedales, pero para humedales artificiales maduros que han estado en funcionamiento durante mucho tiempo, la transformación y eliminación de nitrógeno bajo la La acción de los microorganismos siempre se ha considerado la principal forma de eliminar el nitrógeno. En teoría, otras vías de eliminación de nitrógeno, como la oxidación anaeróbica de amoníaco, pueden hacer una mayor contribución al tratamiento de humedales artificiales de aguas residuales con alto contenido de nitrógeno de amoníaco.
Día Nacional Ecológico
La nitrificación se refiere al proceso en el que el nitrógeno amoniacal se oxida a nitrógeno nitrito y luego se oxida a nitrógeno nitrato bajo la acción de microorganismos. La nitrificación la completan principalmente bacterias autótrofas en dos etapas.
La primera etapa es el proceso de nitrito: es decir, la etapa en la que el nitrógeno amoniacal se oxida a nitrógeno nitrito.
Hay cinco géneros principales de bacterias nitritas involucradas en esta etapa: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosococcus, Nitrosospira y Nitrosogloea. Entre ellos destaca especialmente el papel de Nitrobacter.
La segunda etapa es el proceso de nitrificación: es decir, la etapa en la que el nitrógeno nitrito se oxida a nitrógeno nitrato.
Hay tres géneros principales de bacterias nitrificantes implicadas en esta etapa: Nitrobacter, Nitrospina y Nitrococcus. Entre ellos, Nitrobacter es el género principal y los más comunes son Nitrobacter winogradskyi y N.agilis.
Además de los microorganismos autótrofos mencionados anteriormente, hay una gran cantidad de microorganismos heterótrofos en el suelo, que también pueden oxidar el amoníaco y los compuestos orgánicos de nitrógeno a N2O o N2, y su capacidad de nitrificación puede ser menor que la de las bacterias nitrificantes autótrofas. pero la investigación sobre su papel específico en el proceso de nitrificación en humedales artificiales aún es insuficiente.
El efecto de eliminación de la nitrificación del nitrógeno amoniacal varía según el diseño y la estructura de los humedales artificiales. En los humedales artificiales de flujo superficial, los humedales artificiales de flujo vertical y los humedales artificiales combinados, se producen fuertes procesos de nitrificación y se elimina una gran cantidad de nitrógeno amoniacal, pero en diferentes grados.
En términos generales, dado que el efecto de reoxigenación del flujo vertical es mejor que el de los humedales artificiales de flujo subterráneo horizontal, la intensidad de la nitrificación es generalmente mayor que la de los humedales de flujo subterráneo horizontal. Además, las diferentes condiciones operativas también afectan la intensidad de la nitrificación. Por ejemplo, el modo de operación de marea utilizado en humedales de flujo vertical y el pretratamiento de aireación en la etapa inicial de humedales de flujo subterráneo horizontal aumentan la intensidad de nitrificación del sistema.
Proceso de desnitrificación
El proceso de desnitrificación se refiere al proceso bioquímico en el que las bacterias desnitrificantes reducen el nitrógeno (N) en nitrato (NO3-) a moléculas de nitrógeno (N2) a través de una serie de productos intermedios (NO2-, NO, N2O ).
El proceso de desnitrificación es de gran importancia en el ciclo del nitrógeno en la naturaleza y es un eslabón clave en el ciclo del nitrógeno. En términos de tratamiento de aguas residuales de humedales artificiales, constituye el principal modo de desnitrificación biológica junto con la reacción de nitrificación. Las limitaciones ambientales en el proceso de desnitrificación incluyen el ambiente de oxígeno, el potencial redox, la temperatura, el pH y la fuente de carbono orgánico. La nitrificación requiere un ambiente de reoxigenación, pero la desnitrificación requiere un ambiente anaeróbico, lo que hace que la nitrificación y desnitrificación simultáneas teóricas en el mismo ambiente de humedal sea un factor importante que restringe la desnitrificación de los humedales.
El rango de pH más adecuado para la desnitrificación es el pH6-8. Cuando el valor del pH es inferior a 5, se puede realizar la intensidad de la desnitrificación, pero su velocidad disminuye significativamente. Cuando el valor del pH es inferior a 4, la desnitrificación suele quedar completamente inhibida. La temperatura adecuada para la desnitrificación es de 30 a 35 grados, y la desnitrificación se debilita significativamente cuando la temperatura es inferior a 2 a 9 grados.
De la ecuación del proceso de desnitrificación anterior, se puede ver que el producto del proceso de desnitrificación completo es nitrógeno (N2), y el N2O se generará en un estado incompleto. Dado que el N2O es un gas de efecto invernadero, su potencial de calentamiento global equivale a 310 veces el del CO2. Aunque la emisión de desnitrificación incompleta en los humedales artificiales es insignificante para el efecto invernadero global, ha atraído gradualmente la atención y la preocupación de muchos estudiosos en los últimos años.
Extracción de plantas
El nitrógeno es un nutriente esencial para el crecimiento de las plantas. El nitrógeno inorgánico puede ser absorbido y sintetizado por las plantas en humedales artificiales en sustancias vegetales. Finalmente, parte del nitrógeno inorgánico se puede eliminar completamente del sistema de humedal artificial mediante la recolección regular de las partes aéreas de las plantas del humedal.
La absorción y eliminación de nitrógeno inorgánico por las plantas está limitada por el rendimiento de los tejidos vegetales y el contenido de nitrógeno en los tejidos. La aplicación de mejorar el efecto de desnitrificación de los humedales mediante la absorción de plantas es más adecuada en áreas tropicales, porque los cambios estacionales en las áreas tropicales son pequeños y las plantas de los humedales pueden crecer durante todo el año. Por lo tanto, la recolección de plantas se puede realizar varias veces para mejorar la absorción y eliminación de nitrógeno inorgánico por los tejidos vegetales.
Amonificación
El proceso de amonificación se refiere principalmente al proceso en el que la materia orgánica que contiene nitrógeno, como las proteínas, es descompuesta por microorganismos en el lecho del humedal y convertida en amoníaco. La investigación sobre el amoníaco en el ciclo del nitrógeno del tratamiento de aguas residuales de humedales artificiales no ha atraído la atención y la importancia de investigadores como la nitrificación y la desnitrificación.
La intensidad de amoníaco informada de los humedales artificiales es 0.004-0.530 g/(m2·d).
Volatilización del nitrógeno amoniacal
Parte del nitrógeno y el nitrógeno de los sistemas de humedales artificiales pueden escapar del sistema por volatilización. La cantidad de volatilización de amoníaco se ve afectada por factores como el clima, las condiciones hidráulicas y el estado de crecimiento de las plantas.
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. Generalmente, el valor del pH de los humedales artificiales es de 6 a 7. Por lo tanto, se puede ignorar el nitrógeno amoniacal perdido por la volatilización del suelo de los humedales.
Sin embargo, cuando el humedal artificial se llena con piedra caliza y otros medios, el valor del pH en el sistema del humedal será muy alto y es necesario considerar la pérdida de nitrógeno amoniacal por volatilización.
Oxidación anaeróbica de amoníaco.
El proceso anaeróbico de oxidación de amoníaco es un proceso de reacción biológica en el que las bacterias anaeróbicas oxidantes de amoníaco utilizan nitrito como aceptor de electrones y nitrógeno amoniacal como donante de electrones para oxidar directamente el nitrógeno amoniacal en gas nitrógeno en condiciones anaeróbicas.
Esta reacción suele tener requisitos estrictos en cuanto a las condiciones externas (valor de pH, temperatura, oxígeno disuelto, etc.), pero sus ventajas son: dado que el nitrógeno amoniacal se utiliza directamente como donador de electrones para la reacción de desnitrificación, la adición de materia orgánica exógena (como metanol), lo que puede ahorrar costos operativos y prevenir la contaminación secundaria.
Dado que la mayor parte del amoníaco no pasa por un proceso de nitrificación completo y participa directamente en la reacción anaeróbica de oxidación del amoníaco, aumenta la tasa de utilización efectiva del oxígeno, se reduce el consumo de energía del suministro de oxígeno y se reduce la producción de ácido. Esto puede reducir los reactivos químicos necesarios para la neutralización, reducir los costos operativos y reducir la contaminación secundaria.
En la actualidad, esta tecnología se está aplicando progresivamente en el tratamiento industrial de aguas residuales de coquización, lixiviados de vertederos y otras aguas residuales. Aunque existen informes sobre el tratamiento de aguas residuales de humedales artificiales, la investigación al respecto aún es insuficiente.
Liberación de óxido nitroso
En general, se cree que el principal mecanismo de eliminación de nitrógeno en los humedales artificiales es que el nitrógeno de las aguas residuales finalmente se escapa en forma de gases N2 y N2O bajo la acción combinada de nitrificación y desnitrificación por parte de microorganismos. Dado que el N2O es un gas que calienta fuertemente, su efecto invernadero es aproximadamente 298 veces mayor que el del CO2, y su impacto en el medio ambiente global es potencial y a largo plazo, por lo que es muy importante estudiar la ley de liberación de N2O en los humedales artificiales.
La investigación sobre las emisiones de N2O en los sistemas de humedales artificiales comenzó en 1997, cuando Freeman propuso por primera vez que el uso de tecnología de humedales artificiales para purificar las aguas residuales liberaría una cierta cantidad de N_2O a la atmósfera. Desde entonces, se han publicado informes de investigación relacionados en el extranjero. La investigación nacional comenzó tarde y el primer informe de investigación se publicó en 2009.