Con il crescente grado di eutrofizzazione dei corpi idrici naturali, la rimozione dell’azoto dai corpi idrici inquinati è diventata una questione sempre più urgente. Le zone umide svolgono un ruolo importante nella prevenzione e nel controllo dell'eutrofizzazione dei corpi idrici naturali. Le zone umide naturali, integrate da ragionevoli misure artificiali, possono migliorare notevolmente l’efficienza della rimozione degli inquinanti e degli effetti ecologici. Tra questi, la rimozione dell'azoto è una funzione importante delle zone umide artificiali. La sintesi del meccanismo di rimozione dell'azoto nelle zone umide artificiali per il trattamento delle acque reflue può fornire una buona base teorica per la progettazione, il funzionamento e la ricerca delle zone umide.
Meccanismo di denitrificazione delle zone umide artificiali
I sistemi di zone umide artificiali rimuovono l'azoto dalle acque reflue attraverso una varietà di meccanismi. Questi meccanismi includono principalmente reazioni biologiche, fisiche e chimiche.
Nel sistema di zone umide artificiali anti-infiltrazioni, se si ignora lo scambio di azoto tra zone umide artificiali e corpi idrici circostanti, i percorsi di circolazione e trasformazione dell'azoto nelle zone umide artificiali sono mostrati nella figura seguente, comprendendo principalmente l'ammoniaca dell'azoto organico, la volatilizzazione dell'azoto ammoniacale , nitrificazione e denitrificazione biologica, assorbimento dei tessuti microbici delle piante, adsorbimento della matrice e ossidazione anaerobica dell'ammoniaca e altri processi fisici, chimici e biologici.
Tra questi, l'adsorbimento e la precipitazione della matrice ha un buon effetto nelle zone umide a matrice speciale o nella fase iniziale di utilizzo delle zone umide, ma per le zone umide artificiali mature che sono in funzione da molto tempo, la trasformazione e la rimozione dell'azoto sotto il L'azione dei microrganismi è sempre stata considerata la via principale per rimuovere l'azoto. Altri percorsi di rimozione dell'azoto, come l'ossidazione anaerobica dell'ammoniaca, potrebbero teoricamente dare un contributo maggiore al trattamento delle zone umide artificiali delle acque reflue ad alto contenuto di azoto ammoniacale.
Giornata ecologica nazionale
La nitrificazione si riferisce al processo in cui l'azoto ammoniacale viene ossidato in azoto nitrito e ulteriormente ossidato in azoto nitrato sotto l'azione di microrganismi. La nitrificazione è completata principalmente da batteri autotrofi in due fasi.
La prima fase è il processo dei nitriti: cioè la fase in cui l'azoto ammoniacale viene ossidato ad azoto nitrito.
Ci sono cinque generi principali di batteri nitriti coinvolti in questa fase: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosococcus, Nitrosospira e Nitrosogloea. Tra questi il ruolo del Nitrobacter è particolarmente dominante.
La seconda fase è il processo di nitrificazione: cioè la fase in cui l'azoto nitrito viene ossidato in azoto nitrato.
Ci sono tre generi principali di batteri nitrificanti coinvolti in questa fase: Nitrobacter, Nitrospina e Nitrococcus. Tra questi, Nitrobacter è il genere principale, e quelli comuni sono Nitrobacter winogradskyi e N.agilis.
Oltre ai microrganismi autotrofi sopra menzionati, nel suolo è presente un gran numero di microrganismi eterotrofi, che possono anche ossidare l'ammoniaca e i composti organici dell'azoto in N2O o N2, e la loro capacità di nitrificazione può essere inferiore a quella dei batteri nitrificanti autotrofi, ma la ricerca sul loro ruolo specifico nel processo di nitrificazione nelle zone umide artificiali è ancora insufficiente.
L'effetto di rimozione della nitrificazione dell'azoto ammoniacale varia con la progettazione e la struttura delle zone umide artificiali. Nelle zone umide artificiali a flusso superficiale, nelle zone umide artificiali a flusso verticale e nelle zone umide artificiali combinate, si verificano forti processi di nitrificazione e una grande quantità di azoto ammoniacale viene rimossa, ma il grado è diverso.
In generale, poiché l’effetto di riossigenazione del flusso verticale è migliore di quello delle zone umide artificiali a flusso sotterraneo orizzontale, l’intensità della nitrificazione è generalmente maggiore di quella delle zone umide a flusso sotterraneo orizzontale. Inoltre, anche le diverse condizioni operative influiscono sull’intensità della nitrificazione. Ad esempio, la modalità operativa della marea utilizzata nelle zone umide a flusso verticale e il pretrattamento di aerazione nella fase iniziale delle zone umide a flusso sotterraneo orizzontale aumentano entrambi l’intensità di nitrificazione del sistema.
Processo di denitrificazione
Il processo di denitrificazione si riferisce al processo biochimico in cui i batteri denitrificanti riducono l'azoto (N) in nitrato (NO3-) in molecole di azoto (N2) attraverso una serie di prodotti intermedi (NO2-, NO, N2O ).
Il processo di denitrificazione è di grande importanza nel ciclo dell'azoto in natura ed è un collegamento chiave nel ciclo dell'azoto. In termini di trattamento delle acque reflue delle zone umide artificiali, costituisce la principale modalità di denitrificazione biologica insieme alla reazione di nitrificazione. I vincoli ambientali sul processo di denitrificazione includono l'ambiente di ossigeno, il potenziale redox, la temperatura, il pH e la fonte di carbonio organico. La nitrificazione richiede un ambiente di riossigenazione, ma la denitrificazione richiede un ambiente anaerobico, il che rende la nitrificazione e la denitrificazione simultanee teoriche nello stesso ambiente delle zone umide un fattore importante che limita la denitrificazione delle zone umide.
L'intervallo di pH più adatto per la denitrificazione è pH6-8. Quando il valore del pH è inferiore a 5, è possibile effettuare l'intensità della denitrificazione, ma la sua velocità diminuisce notevolmente. Quando il valore del pH è inferiore a 4 la denitrificazione è spesso completamente inibita. La temperatura adatta per la denitrificazione è di 30~35 gradi e la denitrificazione viene notevolmente indebolita quando la temperatura è inferiore a 2~9 gradi.
Dall'equazione del processo di denitrificazione di cui sopra, si può vedere che il prodotto del processo di denitrificazione completo è l'azoto (N2) e l'N2O sarà generato in uno stato incompleto. Poiché l’N2O è un gas serra, il suo potenziale di riscaldamento globale è pari a 310 volte quello della CO2. Sebbene le emissioni derivanti dalla denitrificazione incompleta nelle zone umide artificiali siano trascurabili per l’effetto serra globale, negli ultimi anni hanno gradualmente attirato l’attenzione e la preoccupazione di molti studiosi.
Estrazione delle piante
L’azoto è un nutriente essenziale per la crescita delle piante. L'azoto inorganico può essere assorbito e sintetizzato dalle piante nelle zone umide artificiali in sostanze vegetali. Infine, parte dell'azoto inorganico può essere completamente rimosso dal sistema delle zone umide artificiali mediante la raccolta regolare delle parti fuori terra delle piante delle zone umide.
L'assorbimento e la rimozione dell'azoto inorganico da parte delle piante è limitato dalla resa dei tessuti vegetali e dal contenuto di azoto nei tessuti. L'applicazione per potenziare l'effetto di denitrificazione delle zone umide mediante l'assorbimento delle piante è più adatta nelle aree tropicali, poiché i cambiamenti stagionali nelle aree tropicali sono piccoli e le piante delle zone umide possono crescere tutto l'anno. Pertanto, la raccolta delle piante può essere effettuata più volte per migliorare l'assorbimento e la rimozione dell'azoto inorganico da parte dei tessuti vegetali.
Ammonificazione
Il processo di ammonificazione si riferisce principalmente al processo in cui la materia organica contenente azoto, come le proteine, viene decomposta dai microrganismi nel letto della zona umida e convertita in ammoniaca. La ricerca sull'ammoniaca nel ciclo dell'azoto nel trattamento delle acque reflue artificiali delle zone umide non ha attirato l'attenzione e l'importanza di ricercatori come la nitrificazione e la denitrificazione.
L'intensità di ammoniaca segnalata delle zone umide artificiali è 0.004-0,530 g/(m2·d).
Volatilazione dell'azoto ammoniacale
Parte dell'azoto e dell'azoto nei sistemi di zone umide artificiali possono fuoriuscire dal sistema mediante volatilizzazione. La quantità di volatilizzazione dell'ammoniaca è influenzata da fattori quali il clima, le condizioni idrauliche e lo stato di crescita delle piante.
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, il valore del pH delle zone umide artificiali è 6~7. Pertanto, l’azoto ammoniacale perso attraverso la volatilizzazione del terreno delle zone umide può essere ignorato.
Tuttavia, quando la zona umida artificiale è piena di calcare e altri materiali, il valore del pH nel sistema della zona umida sarà molto elevato e occorre considerare la perdita di azoto ammoniacale attraverso la volatilizzazione.
Ossidazione anaerobica dell'ammoniaca
Il processo di ossidazione anaerobica dell'ammoniaca è un processo di reazione biologica in cui i batteri anaerobici ossidanti l'ammoniaca utilizzano il nitrito come accettore di elettroni e l'azoto ammoniacale come donatore di elettroni per ossidare direttamente l'azoto ammoniacale in azoto gassoso in condizioni anaerobiche.
Questa reazione di solito ha requisiti severi sulle condizioni esterne (valore del pH, temperatura, ossigeno disciolto, ecc.), ma i suoi vantaggi sono: poiché l'azoto ammoniacale viene utilizzato direttamente come donatore di elettroni per la reazione di denitrificazione, l'aggiunta di materia organica esogena (come metanolo) può essere evitato, il che può far risparmiare sui costi operativi e prevenire l’inquinamento secondario.
Poiché la maggior parte dell'ammoniaca non subisce un processo di nitrificazione completo e partecipa direttamente alla reazione di ossidazione anaerobica dell'ammoniaca, il tasso di utilizzo effettivo dell'ossigeno aumenta, il consumo energetico della fornitura di ossigeno viene ridotto e la produzione di acido viene ridotta. Ciò può ridurre i reagenti chimici necessari per la neutralizzazione, ridurre i costi operativi e ridurre l'inquinamento secondario.
Attualmente, questa tecnologia viene gradualmente applicata nel trattamento industriale delle acque reflue di coke, del percolato di discarica e di altre acque reflue. Sebbene esistano rapporti sul trattamento artificiale delle acque reflue, la ricerca correlata è ancora insufficiente.
Rilascio di protossido di azoto
Si ritiene generalmente che il principale meccanismo di rimozione dell'azoto nelle zone umide artificiali sia che l'azoto nei liquami alla fine fuoriesce sotto forma di gas N2 e N2O sotto l'azione combinata di nitrificazione e denitrificazione da parte di microrganismi. Poiché l’N2O è un gas fortemente riscaldante, il suo effetto serra è circa 298 volte quello della CO2 e il suo impatto sull’ambiente globale è potenziale e a lungo termine, quindi è molto importante studiare la legge del rilascio di N2O nelle zone umide artificiali.
La ricerca sulle emissioni di N2O nei sistemi di zone umide artificiali è iniziata nel 1997, quando Freeman propose per la prima volta che l'uso della tecnologia delle zone umide artificiali per purificare le acque reflue avrebbe rilasciato una certa quantità di N_2O nell'atmosfera. Da allora, i relativi rapporti di ricerca sono stati pubblicati all’estero. La ricerca relativa al contesto domestico è iniziata tardi e il primo rapporto di ricerca è stato visto nel 2009.