بحث در مورد مکانیسم نیترات زدایی تالاب های مصنوعی

با افزایش درجه اکستروفیزاسیون اجسام آب طبیعی ، حذف نیتروژن در آب های آلوده به یک مسئله فزاینده فزاینده تبدیل شده است. تالابها نقش مهمی در پیشگیری و کنترل اتروفیک شدن اجسام آب طبیعی دارند. تالابهای طبیعی ، که با اقدامات مصنوعی معقول تکمیل می شوند ، می توانند تا حد زیادی کارایی حذف آلاینده ها و اثرات زیست محیطی را بهبود بخشند. در میان آنها ، حذف نیتروژن عملکرد مهمی از تالابهای مصنوعی است. خلاصه مکانیسم حذف نیتروژن در تالابهای مصنوعی برای تصفیه فاضلاب می تواند مبنای نظری خوبی برای طراحی ، بهره برداری و تحقیقات تالاب ها فراهم کند.

مکانیسم انسداد تالابهای مصنوعی

سیستم های تالاب مصنوعی از طریق مکانیسم های مختلف ، نیتروژن را از فاضلاب خارج می کنند. این مکانیسم ها عمدتاً شامل واکنشهای بیولوژیکی ، فیزیکی و شیمیایی هستند.

در سیستم تالاب مصنوعی ضد نشت، اگر تبادل نیتروژن بین تالاب های مصنوعی و آب های اطراف نادیده گرفته شود، مسیرهای گردش و تبدیل نیتروژن در تالاب های مصنوعی در شکل زیر نشان داده شده است که عمدتاً شامل آمونیاک نیتروژن آلی، تبخیر نیتروژن آمونیاکی است. نیتریفیکاسیون بیولوژیکی و نیتریفیکاسیون، جذب بافت میکروبی گیاهی، جذب ماتریکس و بی هوازی اکسیداسیون آمونیاک و سایر فرآیندهای فیزیکی، شیمیایی و بیولوژیکی.

در این میان جذب و رسوب ماتریکس در تالاب‌های ماتریکس ویژه یا در مراحل اولیه استفاده از تالاب تأثیر خوبی دارد، اما برای تالاب‌های مصنوعی بالغی که برای مدت طولانی در حال بهره‌برداری بوده‌اند، تبدیل و حذف نیتروژن تحت عمل میکروارگانیسم ها همیشه راه اصلی حذف نیتروژن در نظر گرفته شده است. سایر مسیرهای حذف نیتروژن مانند اکسیداسیون بی هوازی آمونیاک از نظر تئوری ممکن است سهم بیشتری در تصفیه تالاب های مصنوعی فاضلاب با نیتروژن بالا داشته باشد.

روز ملی اکولوژیکی

نیتریفیکاسیون به فرآیندی اطلاق می شود که در آن نیتروژن آمونیاکی به نیتروژن نیتریت اکسید می شود و بیشتر تحت تأثیر میکروارگانیسم ها به نیتروژن نیترات اکسید می شود. نیتریفیکاسیون عمدتا توسط باکتری های اتوتروف در دو مرحله کامل می شود.

مرحله اول فرآیند نیتریت است: یعنی مرحله ای که در آن نیتروژن آمونیاکی به نیتروژن نیتریت اکسید می شود.

پنج جنس اصلی از باکتری های نیتریت در این مرحله وجود دارد: Nitrosomonas، Nitrosocystis، Nitrosococcus، Nitrosospira و Nitrosogloea. در میان آنها، نقش نیتروباکتر به ویژه غالب است.

مرحله دوم فرآیند نیتریفیکاسیون است: یعنی مرحله ای که نیتروژن نیتریت به نیتروژن نیترات اکسید می شود.

سه جنس اصلی از باکتری های نیتروف کننده در این مرحله وجود دارد: Nitrobacter، Nitrospina و Nitrococcus. در این میان، Nitrobacter سرده اصلی و رایج‌ترین آنها Nitrobacter winogradskyi و N.agilis هستند.

علاوه بر میکروارگانیسم‌های اتوتروف فوق، تعداد زیادی میکروارگانیسم هتروتروف در خاک وجود دارد که می‌توانند آمونیاک و ترکیبات نیتروژن آلی را به N2O یا N2 اکسید کنند و توانایی نیتریفیکاسیون آنها ممکن است کمتر از باکتری‌های نیتروف کننده اتوتروف باشد. اما تحقیقات در مورد نقش ویژه آنها در فرآیند نیتریفیکاسیون در تالاب های مصنوعی هنوز کافی نیست.

اثر حذف نیتریفیکاسیون نیتروژن آمونیاک با طراحی و ساختار تالابهای مصنوعی متفاوت است. در تالابهای مصنوعی جریان سطح ، تالابهای مصنوعی جریان عمودی و تالابهای مصنوعی ترکیبی ، فرآیندهای نیتریفیکاسیون قوی رخ می دهد و مقدار زیادی از نیتروژن آمونیاک برداشته می شود ، اما درجه متفاوت است.

به طور کلی ، از آنجا که اثر اکسیژن زدایی جریان عمودی بهتر از تالابهای مصنوعی جریان زیرسطحی افقی است ، شدت نیتریفیکاسیون به طور کلی بیشتر از تالاب های جریان زیرسطحی افقی است. علاوه بر این ، شرایط عملیاتی مختلف نیز بر شدت نیتریفیکاسیون تأثیر می گذارد. به عنوان مثال ، حالت عملکرد جزر و مد مورد استفاده در تالابهای جریان عمودی و پیش درمانی هوادهی در مرحله اولیه تالابهای جریان زیرسطحی افقی هر دو شدت نیتریفیکاسیون سیستم را افزایش می دهد.

فرآیند انسداد

فرآیند دنیتراسیون به فرآیند بیوشیمیایی اشاره دارد که در آن باکتریها دنیتریژ کننده نیتروژن (N) را در نیترات (NO 3-) به مولکول های نیتروژن (N2) از طریق یک سری محصولات میانی کاهش می دهند (بدون {2}} ، NO ، N2O ).

فرآیند دفعیت در چرخه نیتروژن از نظر ماهیت از اهمیت زیادی برخوردار است و یک پیوند کلیدی در چرخه نیتروژن است. از نظر تصفیه فاضلاب تالاب مصنوعی ، این روش اصلی دنیتراسیون بیولوژیکی به همراه واکنش نیتریفیکاسیون را تشکیل می دهد. محدودیت های زیست محیطی در فرآیند دنیتراسیون شامل محیط اکسیژن ، پتانسیل ردوکس ، دما ، pH و منبع کربن آلی است. نیتریفیکاسیون نیاز به یک محیط اکسیژن رسانی دارد ، اما دفع نیتروژنک نیاز به یک محیط بی هوازی دارد ، که باعث می شود نیتریفیکاسیون همزمان نظری و نیتریفیکاسیون در همان محیط تالاب یک عامل مهمی باشد که محدود کننده نیتراسیون تالاب است.

مناسب ترین محدوده pH برای دنیتریویک کردن ph {{0} است. هنگامی که مقدار pH پایین تر از 5 باشد ، می توان شدت دنیتراسیون را انجام داد ، اما میزان آن به میزان قابل توجهی کاهش می یابد. هنگامی که مقدار pH پایین تر از 4 باشد ، غالباً دنیتراسیون کاملاً مهار می شود. دمای مناسب برای انسداد 35 درجه 30 درجه است و وقتی درجه حرارت پایین تر از 9 درجه 2 باشد ، دفع آنتراسیون به طور قابل توجهی تضعیف می شود.

از معادله فرآیند دنیتراسیون فوق ، می توان دریافت که محصول فرآیند کامل دفع نیتروژن (N2) است و N2O در حالت ناقص تولید می شود. از آنجا که N2O یک گاز گلخانه ای است ، پتانسیل گرم شدن کره زمین آن معادل 310 برابر CO2 است. اگرچه انتشار دنییتیکاسیون ناقص در تالابهای مصنوعی برای تأثیر جهانی گلخانه ناچیز است ، اما به تدریج توجه و نگرانی بسیاری از محققان را در سالهای اخیر به خود جلب کرده است.

استخراج گیاه

نیتروژن یک ماده مغذی اساسی برای رشد گیاه است. نیتروژن معدنی را می توان توسط گیاهان در تالابهای مصنوعی به مواد گیاهی جذب و سنتز کرد. سرانجام ، بخشی از نیتروژن معدنی را می توان با برداشت منظم قسمتهای زیرزمینی گیاهان تالاب از سیستم تالاب مصنوعی خارج کرد.

جذب و حذف نیتروژن معدنی توسط گیاهان با عملکرد بافت های گیاهی و محتوای نیتروژن در بافت ها محدود می شود. استفاده از افزایش اثر نیترات زدایی تالاب ها با جذب گیاهان در مناطق گرمسیری مناسب تر است، زیرا تغییرات فصلی در مناطق گرمسیری کم است و گیاهان تالابی می توانند در تمام طول سال رشد کنند. بنابراین، برداشت گیاهان را می توان چندین بار برای بهبود جذب و حذف نیتروژن معدنی توسط بافت های گیاهی انجام داد.

امونیزه کردن

فرآیند آمونیفیکاسیون عمدتاً به فرآیندی اطلاق می شود که در آن مواد آلی حاوی نیتروژن مانند پروتئین توسط میکروارگانیسم های موجود در بستر تالاب تجزیه شده و به آمونیاک تبدیل می شود. تحقیقات در مورد آمونیاک در چرخه نیتروژن تصفیه فاضلاب مصنوعی تالاب توجه و اهمیت محققینی مانند نیتریفیکاسیون و نیترات زدایی را به خود جلب نکرده است.

شدت آمونیت گزارش شده از تالابهای مصنوعی 0. 004-0. 530 گرم/(m2 · d).

فرار نیتروژن آمونیاک

مقداری نیتروژن و نیتروژن در سیستم های تالاب مصنوعی می تواند با تبخیر شدن از سیستم فرار کند. میزان تبخیر آمونیاک تحت تأثیر عواملی مانند آب و هوا، شرایط هیدرولیکی و وضعیت رشد گیاه است.

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. به طور کلی، مقدار pH تالاب های مصنوعی 6~7 است. بنابراین، نیتروژن آمونیاک از دست رفته از طریق تبخیر زمین تالاب را می توان نادیده گرفت.

با این حال، زمانی که تالاب مصنوعی با سنگ آهک و سایر رسانه ها پر شود، مقدار pH در سیستم تالاب بسیار بالا خواهد بود و از دست دادن نیتروژن آمونیاکی از طریق تبخیر باید در نظر گرفته شود.

اکسیداسیون آمونیاک بی هوازی

فرآیند اکسیداسیون آمونیاک بی هوازی یک فرآیند واکنش بیولوژیکی است که در آن باکتری های اکسید کننده بی هوازی از نیتریت به عنوان یک گیرنده الکترون و نیتروژن آمونیاک به عنوان یک اهدا کننده الکترونی برای اکسیداسیون نیتروژن آمونیاک به گاز نیتروژن تحت شرایط بی هوازی استفاده می کنند.

این واکنش معمولاً دارای الزامات سختگیرانه ای در شرایط خارجی (مقدار pH، دما، اکسیژن محلول و غیره) است، اما مزایای آن عبارتند از: از آنجایی که نیتروژن آمونیاکی به طور مستقیم به عنوان یک الکترون دهنده برای واکنش نیترات زدایی استفاده می شود، افزودن مواد آلی برون زا (مانند متانول) را می توان اجتناب کرد، که می تواند در هزینه های عملیاتی صرفه جویی کند و از آلودگی ثانویه جلوگیری کند.

از آنجایی که بیشتر آمونیاک تحت یک فرآیند نیتریفیکاسیون کامل قرار نمی‌گیرد و مستقیماً در واکنش اکسیداسیون بی‌هوازی آمونیاک شرکت می‌کند، نرخ بهره‌برداری مؤثر از اکسیژن افزایش می‌یابد، مصرف انرژی تامین اکسیژن کاهش می‌یابد و تولید اسید کاهش می‌یابد. این می تواند معرف های شیمیایی مورد نیاز برای خنثی سازی را کاهش دهد، هزینه های عملیاتی را کاهش دهد و آلودگی ثانویه را کاهش دهد.

در حال حاضر ، این فناوری به تدریج در تصفیه صنعتی فاضلاب ککنگ ، لیچ محل دفن زباله و سایر فاضلاب ها به کار می رود. اگرچه گزارش هایی در مورد تصفیه فاضلاب تالاب مصنوعی وجود دارد ، اما تحقیقات مرتبط هنوز هم کافی نیست.

انتشار اکسید نیتروژن

به طور کلی اعتقاد بر این است که مکانیسم اصلی برداشتن نیتروژن در تالابهای مصنوعی این است که نیتروژن در فاضلاب سرانجام به شکل گازهای N2 و N2O تحت عمل ترکیبی نیتریفیکاسیون و انسداد توسط میکروارگانیسم ها فرار می کند. از آنجا که N2O یک گاز گرم کننده قوی است ، اثر گلخانه آن حدود 298 برابر CO2 است و تأثیر آن بر محیط جهانی طولانی مدت و پتانسیل است ، بنابراین مطالعه قانون انتشار N2O در تالابهای مصنوعی بسیار مهم است.

تحقیقات در مورد انتشار گازهای گلخانه ای N2O در سیستم های تالاب مصنوعی از سال 1997 آغاز شد ، هنگامی که فریمن برای اولین بار پیشنهاد کرد که استفاده از فناوری تالاب مصنوعی برای تصفیه فاضلاب ، مقدار مشخصی از N {{2} O را در جو آزاد می کند. از آن زمان ، گزارش های تحقیقاتی مرتبط در خارج از کشور منتشر شده است. تحقیقات مرتبط با داخلی دیر شروع شد و اولین گزارش تحقیقاتی در سال 2009 مشاهده شد.