עם מידת האאוטרופיקה הגוברת של גופי מים טבעיים, סילוק החנקן במקווי מים מזוהמים הפך לנושא דחוף יותר ויותר. אדמות ביצות ממלאות תפקיד חשוב במניעה ובקרה של אאוטרופיקציה של גופי מים טבעיים. שטחי ביצה טבעיים, בתוספת אמצעים מלאכותיים סבירים, יכולים לשפר מאוד את היעילות של סילוק מזהמים והשפעות אקולוגיות. ביניהם, סילוק חנקן הוא פונקציה חשובה של אדמות ביצות מלאכותיות. סיכום מנגנון סילוק החנקן בשטחי ביצות מלאכותיים לטיפול בשפכים יכול לספק בסיס תיאורטי טוב לתכנון, תפעול ומחקר של ביצות.
מנגנון דניטריפיקציה של אדמות ביצות מלאכותיות
מערכות ביצות מלאכותיות מסירות חנקן מהביוב באמצעות מגוון מנגנונים. מנגנונים אלו כוללים בעיקר תגובות ביולוגיות, פיזיקליות וכימיות.
במערכת ביצות מלאכותיות נגד חלחול, אם מתעלמים מחילופי החנקן בין ביצות מלאכותיות לגופי מים מסביב, מסלולי המחזור וההתמרה של חנקן בבצות מלאכותיות מוצגים באיור שלהלן, בעיקר כולל אמוניה של חנקן אורגני, הנידוף חנקן אמוניה , ניטריפיקציה ודניטריפיקציה ביולוגית, ספיגת רקמות חיידקים צמחיים, ספיחת מטריקס ו חמצון אמוניה אנאירובי ותהליכים פיזיקליים, כימיים וביולוגיים אחרים.
ביניהם, לספיחה ומשקעים של המטריצה יש השפעה טובה באזורי ביצות מטריקס מיוחדים או בשלב מוקדם של שימוש ביצות, אך עבור ביצות מלאכותיות בוגרות הפועלות במשך זמן רב, התמרה והסרה של חנקן תחת פעולת מיקרואורגניזמים תמיד נחשבה הדרך העיקרית להסרת חנקן. מסלולים אחרים להסרת חנקן כמו חמצון אנאירובי של אמוניה עשויים באופן תיאורטי לתרום תרומה גדולה יותר לטיפול באדמות ביצות מלאכותיות של מי שפכים בחנקן אמוניה.
יום אקולוגי לאומי
ניטריפיקציה מתייחסת לתהליך שבו חנקן אמוניה מתחמצן לחנקן ניטריט וחומצן עוד יותר לחנקן חנקתי בפעולת מיקרואורגניזמים. הניטריפיקציה מתבצעת בעיקר על ידי חיידקים אוטוטרופיים בשני שלבים.
השלב הראשון הוא תהליך הניטריט: כלומר השלב בו מתחמצן חנקן אמוניה לחנקן ניטריט.
ישנם חמישה סוגים עיקריים של חיידקי ניטריט המעורבים בשלב זה: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosococcus, Nitrosospira ו- Nitrosogloea. ביניהם, תפקידו של Nitrobacter דומיננטי במיוחד.
השלב השני הוא תהליך הניטריפיקציה: כלומר, השלב שבו חנקן ניטריט מתחמצן לחנקן חנקתי.
ישנם שלושה סוגים עיקריים של חיידקים מחנקים המעורבים בשלב זה: Nitrobacter, Nitrospina ו- Nitrococcus. ביניהם, Nitrobacter הוא הסוג העיקרי, והנפוצים שבהם הם Nitrobacter winogradskyi ו-N.agilis.
בנוסף למיקרואורגניזמים האוטוטרופיים הנ"ל, יש באדמה מספר רב של מיקרואורגניזמים הטרוטרופיים, שיכולים גם לחמצן אמוניה ותרכובות חנקן אורגניות ל-N2O או N2, ויכולת הניטריפיקציה שלהם עשויה להיות נמוכה מזו של חיידקים מחנקים אוטוטרופיים, אך המחקר על תפקידם הספציפי בתהליך הניטריפיקציה באדמות ביצות מלאכותיות עדיין אינו מספיק.
השפעת הסרת הניטריפיקציה של חנקן אמוניה משתנה בהתאם לעיצוב ולמבנה של אדמות ביצות מלאכותיות. באזורי ביצות מלאכותיים בזרימה עיליית, ביצות מלאכותיות בזרימה אנכית ובביצות מלאכותיות משולבות, מתרחשים תהליכי ניטריפיקציה חזקים ומסירה כמות גדולה של חנקן אמוניה, אך המידה שונה.
באופן כללי, מכיוון שהשפעת החמצן מחדש של זרימה אנכית טובה יותר מזו של אדמות ביצות מלאכותיות בזרימה תת-קרקעית, עוצמת הניטריפיקציה היא בדרך כלל גדולה מזו של ביצות זרימה תת-קרקעית אופקית. בנוסף, תנאי הפעלה שונים משפיעים גם על עוצמת הניטריפיקציה. לדוגמה, אופן פעולת הגאות והשפל המשמש באזורי ביצות זרימה אנכית וטיפול מקדים באוורור בשלב המוקדם של ביצות זרימה תת-קרקעיות אופקיות מגבירים את עוצמת הניטריפיקציה של המערכת.
תהליך דניטריפיקציה
תהליך הדניטריפיקציה מתייחס לתהליך הביוכימי שבו חיידקים דניטריפיונים מפחיתים חנקן (N) בחנקה (NO3-) למולקולות חנקן (N2) באמצעות סדרה של מוצרי ביניים (NO2-, NO, N2O ).
לתהליך הניטריפיקציה יש משמעות רבה במחזור החנקן בטבע ומהווה חוליה מרכזית במחזור החנקן. במונחים של טיפול בשפכי ביצות מלאכותיים, הוא מהווה את האופן העיקרי של דניטריפיקציה ביולוגית יחד עם תגובת ניטריפיקציה. אילוצים סביבתיים על תהליך הדניטריפיקציה כוללים סביבת חמצן, פוטנציאל חיזור, טמפרטורה, pH ומקור פחמן אורגני. ניטריפיקציה דורשת סביבת חמצון חוזרת, אך דניטריפיקציה מצריכה סביבה אנאירובית, מה שהופך את הניטריפיקציה והדניטריפיקציה הסימולטנית באותה סביבת ביצה לגורם חשוב המגביל את הניטריפיקציה של שטחי ביצה.
טווח ה-pH המתאים ביותר לדניטריפיקציה הוא pH6-8. כאשר ערך ה-pH נמוך מ-5, ניתן לבצע את עוצמת הדניטריפיקציה, אך קצבו יורד באופן משמעותי. כאשר ערך ה-pH נמוך מ-4, הדניטריפיקציה לרוב מעוכבת לחלוטין. הטמפרטורה המתאימה לדניטריפיקציה היא 30 ~ 35 מעלות, והדניטריפיקציה נחלשת באופן משמעותי כאשר הטמפרטורה נמוכה מ-2 ~ 9 מעלות.
ממשוואת תהליך הדניטריפיקציה לעיל, ניתן לראות שהתוצר של תהליך הדניטריפיקציה המלא הוא חנקן (N2), ו-N2O יווצר במצב לא שלם. מכיוון ש-N2O הוא גז חממה, פוטנציאל ההתחממות הגלובלית שלו שווה פי 310 מזה של CO2. למרות שפליטת דניטריפיקציה חלקית בשטחי ביצות מלאכותיים היא זניחה עבור אפקט החממה העולמי, היא משכה בהדרגה את תשומת הלב והדאגה של חוקרים רבים בשנים האחרונות.
מיצוי צמחים
חנקן הוא חומר תזונתי חיוני לצמיחת צמחים. חנקן אנאורגני יכול להיספג ולסנתז על ידי צמחים באזורי ביצות מלאכותיים לחומרים צמחיים. לבסוף, ניתן להסיר חלק מהחנקן האנא-אורגני לחלוטין ממערכת הביצות המלאכותית על ידי קציר קבוע של החלקים העל-קרקעיים של צמחי ביצות.
הספיגה וההסרה של חנקן אנאורגני על ידי צמחים מוגבלת על ידי תפוקת רקמות הצמח ותכולת החנקן ברקמות. היישום של הגברת אפקט הדניטריפיקציה של שטחי ביצה על ידי קליטת צמחים מתאים יותר באזורים טרופיים, מכיוון שהשינויים העונתיים באזורים הטרופיים קטנים וצמחי ביצות יכולים לצמוח כל השנה. לכן, קציר הצמחים יכול להתבצע מספר פעמים כדי לשפר את הספיגה וההסרה של חנקן אנאורגני על ידי רקמות הצמח.
אממוניפיקציה
תהליך האמוניפיקציה מתייחס בעיקר לתהליך שבו חומר אורגני המכיל חנקן כמו חלבון מתפרק על ידי מיקרואורגניזמים במצע הביצה ומומרים לאמוניה. המחקר על אמוניציה במחזור החנקן של טיהור שפכים מלאכותי ביצות לא משך את תשומת הלב והחשיבות של חוקרים כמו ניטריפיקציה ודניטריפיקציה.
עוצמת האמוניציה המדווחת של אדמות ביצות מלאכותיות היא 0.004-0.530 g/(m2·d).
הנידוף חנקן אמוניה
חלק מהחנקן והחנקן במערכות ביצות מלאכותיות יכולים לברוח מהמערכת על ידי הנידוף. כמות הנידוף האמוניה מושפעת מגורמים כמו אקלים, תנאים הידראוליים ומצב גידול צמחים.
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. בדרך כלל, ערך ה-pH של אדמות ביצות מלאכותיות הוא 6~7. לכן, ניתן להתעלם מחנקן האמוניה שאבד כתוצאה מהנידוף קרקע ביצות.
עם זאת, כאשר השטח הביצה המלאכותי מתמלא באבן גיר ובאמצעים אחרים, ערך ה-pH במערכת ההלצות יהיה גבוה מאוד, ויש לקחת בחשבון את אובדן חנקן האמוניה באמצעות הנידוף.
חמצון אנאירובי של אמוניה
תהליך חמצון אמוניה אנאירובי הוא תהליך תגובה ביולוגי שבו חיידקים אנאירוביים המחמצנים אמוניה משתמשים בניטריט כמקבל אלקטרונים ובחנקן אמוניה כתורם אלקטרונים כדי לחמצן ישירות חנקן אמוניה לגז חנקן בתנאים אנאירוביים.
לתגובה זו יש בדרך כלל דרישות מחמירות על תנאים חיצוניים (ערך pH, טמפרטורה, חמצן מומס וכו'), אך יתרונותיה הם: מכיוון שחנקן אמוניה משמש ישירות כתורם אלקטרונים לתגובת דניטריפיקציה, הוספה של חומר אורגני אקסוגני (כגון ניתן להימנע מתנול), מה שיכול לחסוך בעלויות תפעול ולמנוע זיהום משני.
מכיוון שרוב האמוניה אינו עובר תהליך ניטריפיקציה מלא ומשתתף ישירות בתגובת חמצון האמוניה האנאירובית, קצב הניצול האפקטיבי של החמצן גדל, צריכת האנרגיה של אספקת החמצן מצטמצמת וייצור החומצה מופחת. זה יכול להפחית את הריאגנטים הכימיים הדרושים לנטרול, להפחית את עלויות התפעול ולהפחית את הזיהום המשני.
כיום, טכנולוגיה זו מיושמת בהדרגה בטיפול תעשייתי בשפכי קוקינג, שטיפת מטמנות ושפכים אחרים. למרות שישנם דיווחים על טיפול מלאכותי בביוב ביצות, המחקר בנושא עדיין אינו מספיק.
שחרור תחמוצת החנקן
נהוג להאמין שהמנגנון העיקרי של סילוק חנקן באדמות ביצות מלאכותיות הוא שחנקן בשפכים בורח בסופו של דבר בצורה של גזי N2 ו-N2O בפעולה משולבת של ניטריפיקציה ודניטריפיקציה על ידי מיקרואורגניזמים. מכיוון ש-N2O הוא גז מתחמם חזק, אפקט החממה שלו הוא פי 298 בערך מ-CO2, והשפעתו על הסביבה הגלובלית היא ארוכת טווח ופוטנציאלית, לכן חשוב מאוד ללמוד את חוק שחרור N2O באדמות ביצות מלאכותיות.
מחקר על פליטת N2O במערכות ביצות מלאכותיות החל בשנת 1997, כאשר פרימן הציע לראשונה כי השימוש בטכנולוגיית שטח ביצה מלאכותי לטיהור שפכים ישחרר כמות מסוימת של N_2O לאטמוספירה. מאז פורסמו דוחות מחקר בנושא בחו"ל. מחקרים מקומיים החלו מאוחר, ודו"ח המחקר המוקדם ביותר נראה ב-2009.
