人工濕地氮過程

1、人工濕地中的氮代謝過程N(yùn)itrogen transformations in constructed wetlandsLD 130705 1. 概念人工濕地 (constructed wetland)：運(yùn)用生態(tài)學(xué)的原理和生態(tài)工程的方法，設(shè)計和建造成的由基質(zhì)、植物和微生物構(gòu)成的污水處理生態(tài)系統(tǒng)。垂直流人工濕地：污水從系統(tǒng)表面縱向流向填料床的底部，從系統(tǒng)底部排出的人工濕地。2. CW分類：3.濕地中的氮形態(tài)氮元素在生物地球化學(xué)循環(huán)中的形態(tài)比較復(fù)雜，一共包括七個價態(tài) (+5 to 3) 在濕地中比較重要的無機(jī)氮形態(tài)有: ammonium (NH4+), nitrite (NO2) and nitra

2、te (NO3). 氣態(tài)的氮形態(tài)有: dinitrogen (N2), nitrous oxide (N2O), and ammonia (NH3)Vymazal, J. Removal of nutrients in various types of constructed wetlands. Science of the Total Environment 2007, 380: 48-65.4. 濕地中的氮轉(zhuǎn)變過程ProcessTransformation硝化ammonia-N nitrite-N nitrate-N反硝化nitrate-N nitrite-N gaseous N2, N2

3、O氨揮發(fā)ammonia-N (aq)ammonia-N(g) 礦化organic-N ammonia-N 硝酸還原為銨 nitrate-N ammonia-N 氮固定gaseous N2ammonia-N (organic-N)植物/微生物吸收同化ammonia-, nitrite-, nitrate-Norganic-N銨吸附厭氧氨氧化ammonia-N gaseous N2Vymazal, J. Removal of nutrients in various types of constructed wetlands. Science of the Total Environment 20

4、07, 380: 48-65.4.1 硝化微生物通過氧化作用將銨通過亞硝酸最終氧化為硝酸鹽的過程。需氧化能自養(yǎng)微生物催化，分別由氨氧化細(xì)菌 (AOB) 和亞硝酸氧化細(xì)菌(NOB) 主導(dǎo)的連續(xù)的兩步反應(yīng)Vymazal, J. Removal of nutrients in various types of constructed wetlands. Science of the Total Environment 2007, 380: 48-65.4.2 反硝化Vymazal, J. Removal of nutrients in various types of constructed wet

5、lands. Science of the Total Environment 2007, 380: 48-65.4.3 氨揮發(fā) (Ammonia volatilization)物理過程，銨態(tài)氮一直處于氣態(tài)以及與羥基結(jié)合的動態(tài)平衡中。pH 對氨揮發(fā)的影響：在淹水的地面或者沉積物中，當(dāng) 7.5 時揮發(fā)不明顯；pH9.3 時氨與銨離子比例 1:1，揮發(fā)顯著。Vymazal, J. Removal of nutrients in various types of constructed wetlands. Science of the Total Environment 2007, 380: 48-

6、65.4.4 礦化 (mineralization)通過一系列生物化學(xué)反應(yīng)，有機(jī)氮轉(zhuǎn)變?yōu)榘钡⑨尫拍芰康倪^程。實(shí)際上是氨基酸的分解代謝，包括： 氧化脫氨基：氨基酸亞氨基酸酮酸NH3 還原脫氨基：氨基酸飽和酸NH3影響礦化的因素：溫度、pH、C/N 以及基質(zhì)的質(zhì)地與結(jié)構(gòu)。最佳礦化溫度 40-60，pH 6.5-8.5 。4.5 植物吸收和同化(Plant uptake and assimilation)植物主要吸收銨態(tài)氮與硝態(tài)氮，而由于銨態(tài)氮中氮元素的價態(tài)更低，所以銨更容易被植物同化 (Kadlec and Knight, 1996).理想的吸收營養(yǎng)物的植物的特征：生長迅速，高組織營養(yǎng)含量并且能

7、到達(dá)高的現(xiàn)存量 (Reddy and DeBusk, 1987).4.6 氨吸附 (Ammonia adsorption)溶液中離子態(tài)的氨可以通過與巖屑、無機(jī)沉積物以及土壤等進(jìn)行陽離子交換而被吸附；吸附的氨與基質(zhì)結(jié)合比較疏松，當(dāng)水的化學(xué)環(huán)境改變時很容易被放出。在給定氨濃度的溶液中，被吸附的氨是一定的，如果水體中氨的濃度下降，那么就會有一部分吸附的氨釋放出來以維持平衡。Vymazal, J. Removal of nutrients in various types of constructed wetlands. Science of the Total Environment 2007, 3

8、80: 48-65.4.7 有機(jī)氮埋葬 (Organic nitrogen burial)部分有機(jī)氮與巖層碎屑結(jié)合在一起，成為泥炭形成過程的一部分，從而脫離了氮的循環(huán)過程。許多自然濕地中都報道過有機(jī)氮填埋的量，但是人工濕地中尚未有可用數(shù)據(jù)。Vymazal, J. Removal of nutrients in various types of constructed wetlands. Science of the Total Environment 2007, 380: 48-65.4.8 厭氧氨氧化 (ANAMMOX)NO3-、NO2 和 NH4 在厭氧條件下轉(zhuǎn)變?yōu)?N2，其中NO3-、N

9、O2 作為電子受體 (Strous et al., 1997) 。方程式：4.9 硝酸異化還原為銨 (DNRA) 微生物介導(dǎo)的由硝酸鹽到銨根的轉(zhuǎn)化過程，有人認(rèn) 為 在 高 碳 低 氮 的 環(huán) 境 中 D N R A 尤 為 重 要（Tiedjes, 1988; Bonin, 1996; Nijburg et al., 1997)主要有兩種途徑： 1. 微生物發(fā)酵：通過有機(jī)物發(fā)酵獲得電子從而還原硝酸鹽 . 2. 硫還原：通過專性化能自養(yǎng)菌，以還原態(tài)的硫?yàn)殡娮庸w (H2S and S2-) 來還原硝酸鹽。5. 最終將氮移除系統(tǒng)的反應(yīng)過程 氨揮發(fā) 反硝化 植物吸收（包括生物量的收獲） 氨吸附 厭氧

10、氨氧化 有機(jī)碳填埋注：單一的硝化作用不能移除污水中的氮，但是硝化作用與反硝化作用一起是CWs氮移除的主要方式（Vymazal, 2007; Garca et al., 2010）。Figure 1. 濕地中硝態(tài)氮移除的路徑Burgin, A.J. et al. Have we overemphasized the role of denitrification in aquatic ecosystems? A review of nitrate removal pathways. Front Ecol Environ 2007, 5(2): 89-96.(1) 需氧氨氧化(AOB and AOA), (2) 需氧亞硝酸氧化(NOB), (3) 硝酸還原為亞硝酸(DEN), (4) 亞硝酸還原為一氧化氮(AOB and DEN) (5) 一氧化氮 (AOB and DEN), (6) 氧化亞氮還原為氮?dú)?(DEN), (7) 固氮作用 (8) 銨與亞硝酸氧化還原為氮?dú)?Ana