Com o crescente grau de eutrofização das massas de água naturais, a remoção de azoto em massas de água poluídas tornou-se uma questão cada vez mais urgente. As zonas húmidas desempenham um papel importante na prevenção e controlo da eutrofização das massas de água naturais. As zonas húmidas naturais, complementadas por medidas artificiais razoáveis, podem melhorar significativamente a eficiência da remoção de poluentes e os efeitos ecológicos. Entre eles, a remoção de nitrogênio é uma função importante das zonas úmidas artificiais. O resumo do mecanismo de remoção de nitrogênio em zonas úmidas artificiais para tratamento de esgoto pode fornecer uma boa base teórica para o projeto, operação e pesquisa de zonas úmidas.
Mecanismo de desnitrificação de zonas húmidas artificiais
Os sistemas de zonas húmidas artificiais removem o azoto dos esgotos através de uma variedade de mecanismos. Esses mecanismos incluem principalmente reações biológicas, físicas e químicas.
No sistema de zonas úmidas artificiais anti-infiltração, se a troca de nitrogênio entre as zonas úmidas artificiais e os corpos d'água circundantes for ignorada, as vias de circulação e transformação do nitrogênio nas zonas úmidas artificiais são mostradas na figura abaixo, incluindo principalmente amônia de nitrogênio orgânico, volatilização de nitrogênio amoniacal , nitrificação e desnitrificação biológica, absorção de tecidos microbianos vegetais, adsorção de matriz e oxidação anaeróbica de amônia e outros processos físicos, químicos e biológicos.
Entre eles, a adsorção e precipitação da matriz tem um bom efeito em zonas húmidas de matriz especial ou na fase inicial de utilização de zonas húmidas, mas para zonas húmidas artificiais maduras que estão em funcionamento há muito tempo, a transformação e remoção de azoto sob a a ação dos microrganismos sempre foi considerada a principal forma de remoção do nitrogênio. Outras vias de remoção de nitrogênio, como a oxidação anaeróbica de amônia, podem, teoricamente, dar uma contribuição maior para o tratamento de zonas úmidas artificiais de águas residuais com alto teor de nitrogênio amoniacal.
Dia Ecológico Nacional
A nitrificação refere-se ao processo no qual o nitrogênio amoniacal é oxidado em nitrogênio nitrito e posteriormente oxidado em nitrogênio nitrato sob a ação de microrganismos. A nitrificação é completada principalmente por bactérias autotróficas em dois estágios.
A primeira etapa é o processo de nitrito: isto é, a etapa em que o nitrogênio amoniacal é oxidado em nitrogênio nitrito.
Existem cinco gêneros principais de bactérias nitríticas envolvidas nesta fase: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosococcus, Nitrosospira e Nitrosogloea. Entre eles, o papel da Nitrobacter é particularmente dominante.
A segunda etapa é o processo de nitrificação: ou seja, a etapa em que o nitrogênio nitrito é oxidado em nitrogênio nitrato.
Existem três gêneros principais de bactérias nitrificantes envolvidas nesta fase: Nitrobacter, Nitrospina e Nitrococcus. Entre eles, Nitrobacter é o gênero principal, e os mais comuns são Nitrobacter winogradskyi e N.agilis.
Além dos microrganismos autotróficos acima mencionados, há um grande número de microrganismos heterotróficos no solo, que também podem oxidar amônia e compostos orgânicos de nitrogênio em N2O ou N2, e sua capacidade de nitrificação pode ser inferior à das bactérias nitrificantes autotróficas, mas a investigação sobre o seu papel específico no processo de nitrificação em zonas húmidas artificiais ainda é insuficiente.
O efeito de remoção da nitrificação do nitrogênio amoniacal varia de acordo com o projeto e a estrutura dos pântanos artificiais. Em zonas húmidas artificiais de fluxo superficial, zonas húmidas artificiais de fluxo vertical e zonas húmidas artificiais combinadas, ocorrem fortes processos de nitrificação e uma grande quantidade de azoto amoniacal é removida, mas o grau é diferente.
De um modo geral, uma vez que o efeito de reoxigenação do fluxo vertical é melhor do que o das zonas húmidas artificiais de fluxo subterrâneo horizontal, a intensidade da nitrificação é geralmente maior do que a das zonas húmidas de fluxo subterrâneo horizontal. Além disso, diferentes condições operacionais também afetam a intensidade da nitrificação. Por exemplo, o modo de operação das marés utilizado em zonas húmidas de fluxo vertical e o pré-tratamento de arejamento na fase inicial de zonas húmidas de fluxo subterrâneo horizontal aumentam a intensidade de nitrificação do sistema.
Processo de desnitrificação
O processo de desnitrificação refere-se ao processo bioquímico no qual bactérias desnitrificantes reduzem o nitrogênio (N) em nitrato (NO3-) em moléculas de nitrogênio (N2) por meio de uma série de produtos intermediários (NO2-, NO, N2O ).
O processo de desnitrificação é de grande importância no ciclo do nitrogênio na natureza e é um elo fundamental no ciclo do nitrogênio. Em termos de tratamento artificial de esgotos de zonas húmidas, constitui o principal modo de desnitrificação biológica juntamente com a reação de nitrificação. As restrições ambientais no processo de desnitrificação incluem ambiente de oxigênio, potencial redox, temperatura, pH e fonte de carbono orgânico. A nitrificação requer um ambiente de reoxigenação, mas a desnitrificação requer um ambiente anaeróbico, o que torna a nitrificação e desnitrificação teóricas simultâneas no mesmo ambiente de zonas húmidas um factor importante que restringe a desnitrificação de zonas húmidas.
A faixa de pH mais adequada para desnitrificação é pH6-8. Quando o valor do pH é inferior a 5, a intensidade da desnitrificação pode ser realizada, mas sua taxa diminui significativamente. Quando o valor do pH é inferior a 4, a desnitrificação é muitas vezes completamente inibida. A temperatura adequada para desnitrificação é de 30 a 35 graus, e a desnitrificação é significativamente enfraquecida quando a temperatura é inferior a 2 a 9 graus.
A partir da equação do processo de desnitrificação acima, pode-se observar que o produto do processo de desnitrificação completo é o nitrogênio (N2), e o N2O será gerado em um estado incompleto. Dado que o N2O é um gás com efeito de estufa, o seu potencial de aquecimento global é equivalente a 310 vezes o do CO2. Embora a emissão de desnitrificação incompleta em zonas húmidas artificiais seja insignificante para o efeito estufa global, tem gradualmente atraído a atenção e preocupação de muitos estudiosos nos últimos anos.
Extração de plantas
O nitrogênio é um nutriente essencial para o crescimento das plantas. O nitrogênio inorgânico pode ser absorvido e sintetizado pelas plantas em pântanos artificiais em substâncias vegetais. Finalmente, parte do azoto inorgânico pode ser completamente removida do sistema de zonas húmidas artificiais através da colheita regular das partes aéreas das plantas das zonas húmidas.
A absorção e remoção de nitrogênio inorgânico pelas plantas é limitada pelo rendimento dos tecidos vegetais e pelo conteúdo de nitrogênio nos tecidos. A aplicação para aumentar o efeito de desnitrificação das zonas húmidas através da absorção de plantas é mais adequada em áreas tropicais, porque as mudanças sazonais nas áreas tropicais são pequenas e as plantas das zonas húmidas podem crescer durante todo o ano. Portanto, a colheita das plantas pode ser realizada múltiplas vezes para melhorar a absorção e remoção do nitrogênio inorgânico pelos tecidos vegetais.
Amonificação
O processo de amonificação refere-se principalmente ao processo no qual a matéria orgânica contendo nitrogênio, como as proteínas, é decomposta por microrganismos no leito do pântano e convertida em amônia. A pesquisa sobre amonização no ciclo do nitrogênio no tratamento artificial de esgoto de áreas úmidas não tem atraído a atenção e a importância de pesquisadores como a nitrificação e a desnitrificação.
A intensidade de amonização relatada de zonas úmidas artificiais é 0,004-0,530 g/(m2·d).
Volatilização de nitrogênio amoniacal
Algum nitrogênio e nitrogênio em sistemas de zonas úmidas artificiais podem escapar do sistema por volatilização. A quantidade de volatilização de amônia é afetada por fatores como clima, condições hidráulicas e estado de crescimento das 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. Geralmente, o valor do pH das zonas úmidas artificiais é de 6 a 7. Portanto, o nitrogênio amoniacal perdido através da volatilização do solo pantanoso pode ser ignorado.
No entanto, quando a zona húmida artificial é preenchida com calcário e outros meios, o valor do pH no sistema da zona húmida será muito elevado e a perda de azoto amoniacal através da volatilização precisa de ser considerada.
Oxidação anaeróbica de amônia
O processo de oxidação anaeróbica de amônia é um processo de reação biológica no qual bactérias anaeróbicas oxidantes de amônia usam nitrito como aceptor de elétrons e nitrogênio amoniacal como doador de elétrons para oxidar diretamente o nitrogênio amoniacal em gás nitrogênio sob condições anaeróbicas.
Esta reação geralmente tem requisitos rigorosos em condições externas (valor de pH, temperatura, oxigênio dissolvido, etc.), mas suas vantagens são: como o nitrogênio amoniacal é usado diretamente como um doador de elétrons para a reação de desnitrificação, a adição de matéria orgânica exógena (como como metanol) pode ser evitado, o que pode economizar custos operacionais e prevenir a poluição secundária.
Como a maior parte da amônia não passa por um processo completo de nitrificação e participa diretamente da reação anaeróbica de oxidação da amônia, a taxa efetiva de utilização do oxigênio é aumentada, o consumo de energia do suprimento de oxigênio é reduzido e a produção de ácido é reduzida. Isto pode reduzir os reagentes químicos necessários para a neutralização, reduzir os custos operacionais e reduzir a poluição secundária.
Atualmente, esta tecnologia está sendo gradualmente aplicada no tratamento industrial de águas residuais de coque, lixiviados de aterros e outras águas residuais. Embora existam relatórios sobre o tratamento artificial de esgotos em zonas húmidas, a investigação relacionada ainda é insuficiente.
Liberação de óxido nitroso
Acredita-se geralmente que o principal mecanismo de remoção de nitrogênio em zonas úmidas artificiais é que o nitrogênio no esgoto eventualmente escapa na forma de gases N2 e N2O sob a ação combinada de nitrificação e desnitrificação por microrganismos. Dado que o N2O é um gás de forte aquecimento, o seu efeito de estufa é cerca de 298 vezes superior ao do CO2, e o seu impacto no ambiente global é de longo prazo e potencial, por isso é muito importante estudar a lei da libertação de N2O em zonas húmidas artificiais.
A investigação sobre as emissões de N2O em sistemas de zonas húmidas artificiais começou em 1997, quando Freeman propôs pela primeira vez que a utilização de tecnologia de zonas húmidas artificiais para purificar o esgoto libertaria uma certa quantidade de N_2O na atmosfera. Desde então, relatórios de pesquisas relacionadas foram publicados no exterior. A investigação nacional começou tarde e o primeiro relatório de investigação foi visto em 2009.