자연 수역의 부영양화 정도가 증가함에 따라 오염된 수역의 질소 제거가 점점 더 시급한 문제가 되었습니다. 습지는 자연 수역의 부영양화를 예방하고 통제하는 데 중요한 역할을 합니다. 합리적인 인위적 조치로 보완된 자연습지는 오염물질 제거 효율성과 생태학적 효과를 크게 향상시킬 수 있습니다. 그 중 질소제거는 인공습지의 중요한 기능이다. 하수처리를 위한 인공습지의 질소 제거 메커니즘에 대한 요약은 습지의 설계, 운영 및 연구에 대한 좋은 이론적 기초를 제공할 수 있습니다.
인공습지의 탈질 메커니즘
인공 습지 시스템은 다양한 메커니즘을 통해 하수에서 질소를 제거합니다. 이러한 메커니즘에는 주로 생물학적, 물리적, 화학적 반응이 포함됩니다.
누수방지 인공습지 시스템에서 인공습지와 주변 수역 사이의 질소 교환을 무시하면 인공습지 내 질소의 순환 및 변환 경로는 아래 그림과 같으며 주로 유기질소의 암모니아, 암모니아성 질소 휘발 등을 포함한다. , 생물학적 질산화 및 탈질화, 식물 미생물 조직 흡수, 매트릭스 흡착 및 혐기성 암모니아 산화 및 기타 물리적, 화학적 및 생물학적 과정.
그 중 매트릭스의 흡착 및 침전은 특수 매트릭스 습지나 습지 이용 초기 단계에서는 좋은 효과를 나타내지만, 장기간 운영된 성숙한 인공습지의 경우에는 질소의 전환 및 제거가 미생물의 작용은 항상 질소를 제거하는 주요 방법으로 간주되어 왔습니다. 혐기성 암모니아 산화와 같은 다른 질소 제거 경로는 이론적으로 암모니아 함량이 높은 질소 폐수 인공 습지의 처리에 더 큰 기여를 할 수 있습니다.
국립 생태의 날
질화란 암모니아성 질소가 미생물의 작용에 의해 아질산성 질소로 산화되고, 추가로 산화되어 질산성 질소로 되는 과정을 말합니다. 질산화는 주로 독립영양세균에 의해 두 단계로 완료됩니다.
첫 번째 단계는 아질산염 공정, 즉 암모니아성 질소가 아질산염성 질소로 산화되는 단계입니다.
이 단계에 관여하는 아질산염 박테리아에는 Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosococcus, Nitrosospira 및 Nitrosogloea의 다섯 가지 주요 속이 있습니다. 그 중에서도 니트로박터(Nitrobacter)의 역할이 특히 두드러진다.
두 번째 단계는 질산화 과정, 즉 아질산성 질소가 산화되어 질산성 질소로 바뀌는 단계입니다.
이 단계에 관여하는 질화 박테리아에는 Nitrobacter, Nitrospina 및 Nitrococcus의 세 가지 주요 속이 있습니다. 그 중 니트로박터(Nitrobacter)가 주요속이고, 흔한 속은 니트로박터 위노그라드스키(Nitrobacter winogradskyi)와 N.agilis이다.
위에서 언급한 독립영양미생물 외에도 토양에는 종속영양미생물이 많이 존재하는데, 이들은 또한 암모니아나 유기질소화합물을 N2O나 N2로 산화시킬 수 있으며 이들의 질화능력은 독립영양질화균에 비해 낮을 수 있으며, 그러나 인공습지의 질산화 과정에서 이들의 구체적인 역할에 대한 연구는 아직 불충분하다.
암모니아성 질소의 질산화 제거 효과는 인공습지의 설계와 구조에 따라 달라진다. 표층류 인공습지, 수직류 인공습지, 복합형 인공습지에서는 강한 질산화 과정이 일어나 다량의 암모니아성 질소가 제거되지만 그 정도는 다르다.
일반적으로 수직류의 산소화 효과는 수평 지하류 인공습지보다 우수하므로 일반적으로 질화 강도는 수평 지하류 인공습지보다 더 큽니다. 또한 다양한 작동 조건도 질산화 강도에 영향을 미칩니다. 예를 들어, 수직 흐름 습지에서 사용되는 조석 작동 모드와 수평 지하 흐름 습지의 초기 단계에서 폭기 전처리는 모두 시스템의 질화 강도를 증가시킵니다.
탈질 공정
탈질과정이란 탈질세균이 일련의 중간생성물(NO2-, NO, N2O)을 거쳐 질산염(NO3-) 속의 질소(N)를 질소분자(N2)로 환원시키는 생화학적 과정을 말한다. ).
탈질 과정은 자연의 질소 순환에서 매우 중요하며 질소 순환의 핵심 연결 고리입니다. 인공습지 하수처리에 있어 질산화반응과 함께 생물학적 탈질의 주요 방식을 구성한다. 탈질 공정에 대한 환경적 제약에는 산소 환경, 산화 환원 전위, 온도, pH 및 유기 탄소원이 포함됩니다. 질산화에는 재산산소 환경이 필요하지만, 탈질에는 혐기성 환경이 필요하므로 동일한 습지 환경에서 이론적으로 질산화와 탈질이 동시에 일어나는 것은 습지 탈질을 제한하는 중요한 요소가 됩니다.
탈질에 가장 적합한 pH 범위는 pH6-8입니다. pH 값이 5보다 낮으면 탈질의 강도는 크나 그 속도가 현저히 감소한다. pH 값이 4보다 낮으면 탈질이 완전히 억제되는 경우가 많습니다. 탈질에 적합한 온도는 30~35도이며, 2~9도 이하에서는 탈질작용이 현저히 약해집니다.
위의 탈질 공정 방정식으로부터 완전한 탈질 공정의 생성물은 질소(N2)이며, N2O는 불완전한 상태로 생성된다는 것을 알 수 있다. N2O는 온실가스이기 때문에 지구 온난화 지수는 CO2의 310배에 달합니다. 인공습지에서의 불완전 탈질화 배출은 지구 온실효과에 비해 무시할 만한 수준이지만, 최근 몇 년간 점차적으로 많은 학자들의 관심과 관심을 불러일으키고 있습니다.
식물 추출
질소는 식물 성장에 필수적인 영양소입니다. 무기질소는 인공습지의 식물에 흡수되어 식물물질로 합성될 수 있다. 마지막으로, 습지 식물의 지상 부분을 정기적으로 수확함으로써 인공 습지 시스템에서 무기질소의 일부를 완전히 제거할 수 있습니다.
식물에 의한 무기질소의 흡수 및 제거는 식물 조직의 생산량과 조직 내 질소 함량에 의해 제한됩니다. 열대지방에서는 계절변화가 적고 습지식물이 일년 내내 자랄 수 있기 때문에 식물흡수에 의한 습지의 탈질효과를 높이는 적용은 열대지방에 더 적합하다. 따라서 식물 조직의 무기질소 흡수 및 제거를 향상시키기 위해 식물 수확을 여러 번 수행할 수 있습니다.
암모니아화
암모니아화 공정은 주로 단백질 등 질소를 함유한 유기물이 습지대에서 미생물에 의해 분해되어 암모니아로 전환되는 공정을 말한다. 인공습지하수처리의 질소순환에서 암모니아에 관한 연구는 질산화, 탈질화 등 연구자들의 관심과 중요성을 끌지 못했다.
보고된 인공 습지의 암모니아 농도는 0.004-0.530 g/(m2·d)입니다.
암모니아 질소 휘발
인공 습지 시스템의 일부 질소와 질소는 휘발되어 시스템에서 빠져나갈 수 있습니다. 암모니아 휘발량은 기후, 수력 조건, 식물 성장 상태 등의 요인에 의해 영향을 받습니다.
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. 일반적으로 인공습지의 pH값은 6~7이다. 따라서 습지대 토양의 휘발로 인해 손실되는 암모니아성 질소는 무시할 수 있다.
그러나 인공습지가 석회석과 기타 매질로 채워지면 습지계의 pH 값이 매우 높아지므로 휘발을 통한 암모니아성 질소의 손실을 고려해야 합니다.
혐기성 암모니아 산화
혐기성 암모니아 산화 공정은 혐기성 암모니아 산화 박테리아가 아질산염을 전자 수용체로 사용하고 암모니아 질소를 전자 공여체로 사용하여 혐기성 조건에서 암모니아 질소를 질소 가스로 직접 산화시키는 생물학적 반응 공정입니다.
이 반응은 일반적으로 외부조건(pH값, 온도, 용존산소 등)에 대한 요구사항이 엄격하지만 장점은 암모니아성 질소가 탈질반응의 전자공여체로 직접 사용되기 때문에 외인성 유기물(예: 메탄올)을 피할 수 있어 운영 비용을 절감하고 2차 오염을 방지할 수 있습니다.
대부분의 암모니아는 완전한 질화 과정을 거치지 않고 혐기성 암모니아 산화 반응에 직접 참여하기 때문에 산소의 유효 이용률이 증가하고 산소 공급에 필요한 에너지 소비가 감소하며 산 생성이 감소합니다. 이를 통해 중화에 필요한 화학 시약을 줄이고 운영 비용을 절감하며 2차 오염을 줄일 수 있습니다.
현재 이 기술은 코크스 폐수, 매립지 침출수 및 기타 폐수의 산업적 처리에 점차적으로 적용되고 있습니다. 인공습지 하수처리에 관한 보고가 있으나 관련 연구는 아직 부족한 실정이다.
아산화질소 방출
일반적으로 인공 습지에서 질소 제거의 주요 메커니즘은 하수 내 질소가 미생물에 의한 질산화와 탈질화의 결합 작용에 따라 결국 N2 및 N2O 가스 형태로 빠져나가는 것이라고 믿어집니다. N2O는 강력한 온난화 가스이기 때문에 온실 효과는 CO2의 약 298배에 달하고 지구 환경에 미치는 영향은 장기적이며 잠재적이므로 인공 습지에서 N2O 방출 법칙을 연구하는 것은 매우 중요합니다.
인공 습지 시스템의 N2O 배출에 대한 연구는 1997년 Freeman이 인공 습지 기술을 사용하여 하수를 정화하면 일정량의 N_2O가 대기 중으로 방출될 것이라고 처음 제안하면서 시작되었습니다. 이후 해외에서도 관련 연구보고서가 발표됐다. 국내 관련 연구는 뒤늦게 시작돼 2009년에 가장 먼저 연구보고서가 나왔다.