自然水域の富栄養化の度合いが進むにつれて、汚染された水域からの窒素の除去がますます緊急の課題となっています。湿地は、自然水域の富栄養化の防止と制御において重要な役割を果たしています。自然の湿地は、合理的な人工的手段によって補完され、汚染物質の除去効率と生態系への影響を大幅に向上させることができます。中でも窒素除去は人工湿地の重要な機能です。下水処理のための人工湿地における窒素除去メカニズムの概要は、湿地の設計、運営、研究に優れた理論的基盤を提供することができます。
人工湿地の脱窒メカニズム
人工湿地システムは、さまざまなメカニズムを通じて下水から窒素を除去します。これらのメカニズムには主に生物学的、物理的、化学的反応が含まれます。
浸透防止人工湿地システムにおいて、人工湿地と周囲の水域との間の窒素交換を無視した場合、人工湿地における窒素の循環および変換経路は下図に示されており、主に有機窒素のアンモニア、アンモニア態窒素の揮発が含まれます。 、生物学的硝化と脱窒、植物微生物組織の取り込み、マトリックスの吸着と嫌気性アンモニア酸化、その他の物理的、化学的、生物学的プロセス。
このうち、特殊なマトリックス湿地や湿地利用の初期段階ではマトリックスの吸着と析出が効果を発揮しますが、長期間にわたって運用されてきた成熟した人工湿地では、窒素の変換と除去が困難になります。微生物の作用が窒素を除去する主な方法であると常に考えられてきました。嫌気性アンモニア酸化などの他の窒素除去経路は、理論的には高アンモニア窒素廃水の人工湿地の処理に大きく貢献する可能性があります。
国家生態デー
硝化とは、微生物の作用によりアンモニア性窒素が亜硝酸性窒素に酸化され、さらに酸化されて硝酸性窒素となる過程を指します。硝化は主に独立栄養細菌によって 2 段階で完了します。
最初の段階は亜硝酸塩プロセス、つまりアンモニア性窒素が亜硝酸性窒素に酸化される段階です。
この段階に関与する亜硝酸菌には、ニトロソモナス、ニトロソシスチス、ニトロソコッカス、ニトロソスピラ、ニトロソグロエアの 5 つの主な属があります。それらの中で、ニトロバクターの役割は特に支配的です。
第 2 段階は硝化プロセスです。つまり、亜硝酸性窒素が酸化されて硝酸性窒素になる段階です。
この段階に関与する硝化細菌には、ニトロバクター、ニトロスピナ、ニトロコッカスの 3 つの主な属があります。このうち、Nitrobacter 属が主な属であり、一般的なのは Nitrobacter winogradskyi と N.agilis です。
土壌中には上記の独立栄養微生物以外にも、アンモニアや有機窒素化合物をN2OやN2に酸化する従属栄養微生物が多数存在しており、その硝化能力は独立栄養硝化細菌に比べて低い場合があります。しかし、人工湿地の硝化プロセスにおけるそれらの特定の役割に関する研究はまだ不十分です。
アンモニア態窒素の硝化除去効果は人工湿地の設計や構造によって異なります。表流型人工湿地、垂直流型人工湿地、複合型人工湿地では程度は異なりますが、強い硝化作用が起こり、多量のアンモニア態窒素が除去されます。
一般に、鉛直流の方が水平地下流人工湿地よりも再酸素化効果が高いため、一般に水平地下流人工湿地よりも硝化の強度が大きくなります。さらに、さまざまな操作条件も硝化の強度に影響します。たとえば、垂直流湿地で使用される潮汐操作モードと水平地下流湿地の初期段階での曝気前処理は、両方ともシステムの硝化強度を高めます。
脱窒工程
脱窒プロセスは、脱窒細菌が一連の中間生成物 (NO2-、NO、N2O) を介して硝酸塩 (NO3-) 中の窒素 (N) を窒素分子 (N2) に還元する生化学的プロセスを指します。 ）。
脱窒プロセスは自然界の窒素循環において非常に重要であり、窒素循環における重要なリンクです。人工湿地下水処理においては、硝化反応とともに生物学的脱窒の主要な方式を構成しています。脱窒プロセスの環境制約には、酸素環境、酸化還元電位、温度、pH、有機炭素源が含まれます。硝化には再酸素環境が必要ですが、脱窒には嫌気性環境が必要です。そのため、同じ湿地環境における理論上の同時硝化と脱窒は、湿地脱窒を制限する重要な要因となります。
脱窒に最適な pH 範囲は pH6-8 です。 pH値が5より低い場合、脱窒の強度は高くなりますが、その速度は大幅に低下します。 pH 値が 4 より低い場合、脱窒は完全に阻害されることがよくあります。脱窒に適した温度は30～35度で、2～9度以下では脱窒力が著しく弱まります。
上記の脱窒プロセス式から、完全な脱窒プロセスの生成物は窒素 (N2) であり、不完全な状態で N2O が生成されることがわかります。 N2O は温室効果ガスであるため、その地球温暖化係数は CO2 の 310 倍に相当します。人工湿地における不完全な脱窒の排出は、地球規模の温室効果に比べれば無視できる程度ですが、近年、徐々に多くの学者の注目と懸念を集めています。
植物抽出
窒素は植物の成長に欠かせない栄養素です。無機窒素は人工湿地の植物に吸収され、植物物質に合成されます。最後に、湿地植物の地上部分を定期的に収穫することによって、無機窒素の一部を人工湿地システムから完全に除去することができます。
植物による無機窒素の吸収と除去は、植物組織の収量と組織内の窒素含有量によって制限されます。植物吸収による湿地の脱窒効果の向上は、熱帯地域では季節変化が少なく、湿地植物が一年中生育できるため、熱帯地域の方が適しています。したがって、植物組織による無機窒素の吸収と除去を改善するために、植物の収穫を複数回行うことができます。
アンモン化
アンモニア化プロセスとは、主に湿地底の微生物によりタンパク質などの含窒素有機物が分解され、アンモニアに変換されるプロセスを指します。人工湿地下水処理の窒素サイクルにおけるアンモニア化の研究は、硝化や脱窒のように研究者の注目と重要性を集めていません。
報告されている人工湿地のアンモニア強度は 0.004-0.530 g/(m2・d) です。
アンモニア態窒素揮発
一部の窒素および人工湿地システム内の窒素は、揮発によってシステムから流出する可能性があります。アンモニアの揮発量は、気候、水力条件、植物の生育状態などの要因に影響されます。
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. 一般的に人工湿地のpH値は6～7です。したがって、湿地の地面の揮発によって失われるアンモニア性窒素は無視できます。
ただし、人工湿地が石灰石やその他の媒体で満たされている場合、湿地系の pH 値は非常に高くなり、揮発によるアンモニア態窒素の損失を考慮する必要があります。
嫌気性アンモニア酸化
嫌気性アンモニア酸化法は、嫌気性アンモニア酸化細菌が、亜硝酸塩を電子受容体、アンモニア態窒素を電子供与体として、嫌気条件下でアンモニア態窒素を直接酸化して窒素ガスに変換する生物学的反応プロセスである。
この反応には通常、外部条件 (pH 値、温度、溶存酸素など) に関する厳しい要件がありますが、その利点は次のとおりです。アンモニア態窒素が脱窒反応の電子供与体として直接使用されるため、外因性有機物 (例:メタノール）を回避できるため、運転コストを節約し、二次汚染を防ぐことができます。
アンモニアの大部分は完全な硝化プロセスを経ず、嫌気性アンモニア酸化反応に直接関与するため、酸素の有効利用率が増加し、酸素供給のエネルギー消費が減少し、酸の生成が減少します。これにより、中和に必要な化学試薬を削減し、運転コストを削減し、二次汚染を減らすことができます。
現在、この技術はコークス化廃水、埋め立て浸出水、その他の廃水の工業処理に徐々に応用されています。人工湿地下水処理に関する報告はあるものの、関連する研究はまだ不十分である。
亜酸化窒素の放出
一般に、人工湿地における窒素除去の主なメカニズムは、微生物による硝化と脱窒の複合作用により、下水中の窒素が最終的に N2 および N2O ガスの形で流出すると考えられています。 N2O は強力な温暖化ガスであるため、その温室効果は CO2 の約 298 倍であり、地球環境への影響は長期的かつ潜在的であるため、人工湿地における N2O 放出の法則を研究することは非常に重要です。
人工湿地システムにおける N2O 排出に関する研究は 1997 年に始まりました。このときフリーマンは、下水を浄化するために人工湿地技術を使用すると、一定量の N_2O が大気中に放出されるだろうと初めて提案しました。それ以来、関連する研究報告が海外で発表されています。国内の関連研究の開始は遅く、最も早い研究報告は2009年に見られた。