人工湿地氮过程

1、人工湿地中的氮代谢过程Nitrogen transformations in constructed wetlandsLD 130705 1. 概念人工湿地 (constructed wetland)：运用生态学的原理和生态工程的方法，设计和建造成的由基质、植物和微生物构成的污水处理生态系统。垂直流人工湿地：污水从系统表面纵向流向填料床的底部，从系统底部排出的人工湿地。2. CW分类：3.湿地中的氮形态氮元素在生物地球化学循环中的形态比较复杂，一共包括七个价态 (+5 to 3) 在湿地中比较重要的无机氮形态有: ammonium (NH4+), nitrite (NO2) and nitra

2、te (NO3). 气态的氮形态有: 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. 湿地中的氮转变过程ProcessTransformation硝化ammonia-N nitrite-N nitrate-N反硝化nitrate-N nitrite-N gaseous N2, N2

3、O氨挥发ammonia-N (aq)ammonia-N(g) 矿化organic-N ammonia-N 硝酸还原为铵 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铵吸附厌氧氨氧化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 硝化微生物通过氧化作用将铵通过亚硝酸最终氧化为硝酸盐的过程。需氧化能自养微生物催化，分别由氨氧化细菌 (AOB) 和亚硝酸氧化细菌(NOB) 主导的连续的两步反应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 氨挥发 (Ammonia volatilization)物理过程，铵态氮一直处于气态以及与羟基结合的动态平衡中。pH 对氨挥发的影响：在淹水的地面或者沉积物中，当 7.5 时挥发不明显；pH9.3 时氨与铵离子比例 1:1，挥发显著。Vymazal, J. Removal of nutrients in various types of constructed wetlands. Science of the Total Environment 2007, 380: 48-

6、65.4.4 矿化 (mineralization)通过一系列生物化学反应，有机氮转变为氨氮并释放能量的过程。实际上是氨基酸的分解代谢，包括： 氧化脱氨基：氨基酸亚氨基酸酮酸NH3 还原脱氨基：氨基酸饱和酸NH3影响矿化的因素：温度、pH、C/N 以及基质的质地与结构。最佳矿化温度 40-60，pH 6.5-8.5 。4.5 植物吸收和同化(Plant uptake and assimilation)植物主要吸收铵态氮与硝态氮，而由于铵态氮中氮元素的价态更低，所以铵更容易被植物同化 (Kadlec and Knight, 1996).理想的吸收营养物的植物的特征：生长迅速，高组织营养含量并且能

7、到达高的现存量 (Reddy and DeBusk, 1987).4.6 氨吸附 (Ammonia adsorption)溶液中离子态的氨可以通过与岩屑、无机沉积物以及土壤等进行阳离子交换而被吸附；吸附的氨与基质结合比较疏松，当水的化学环境改变时很容易被放出。在给定氨浓度的溶液中，被吸附的氨是一定的，如果水体中氨的浓度下降，那么就会有一部分吸附的氨释放出来以维持平衡。Vymazal, J. Removal of nutrients in various types of constructed wetlands. Science of the Total Environment 2007, 3

8、80: 48-65.4.7 有机氮埋葬 (Organic nitrogen burial)部分有机氮与岩层碎屑结合在一起，成为泥炭形成过程的一部分，从而脱离了氮的循环过程。许多自然湿地中都报道过有机氮填埋的量，但是人工湿地中尚未有可用数据。Vymazal, J. Removal of nutrients in various types of constructed wetlands. Science of the Total Environment 2007, 380: 48-65.4.8 厌氧氨氧化 (ANAMMOX)NO3-、NO2 和 NH4 在厌氧条件下转变为 N2，其中NO3-、N

9、O2 作为电子受体 (Strous et al., 1997) 。方程式：4.9 硝酸异化还原为铵 (DNRA) 微生物介导的由硝酸盐到铵根的转化过程，有人认 为 在 高 碳 低 氮 的 环 境 中 D N R A 尤 为 重 要（Tiedjes, 1988; Bonin, 1996; Nijburg et al., 1997)主要有两种途径： 1. 微生物发酵：通过有机物发酵获得电子从而还原硝酸盐 . 2. 硫还原：通过专性化能自养菌，以还原态的硫为电子供体 (H2S and S2-) 来还原硝酸盐。5. 最终将氮移除系统的反应过程 氨挥发 反硝化 植物吸收（包括生物量的收获） 氨吸附 厌氧

10、氨氧化 有机碳填埋注：单一的硝化作用不能移除污水中的氮，但是硝化作用与反硝化作用一起是CWs氮移除的主要方式（Vymazal, 2007; Garca et al., 2010）。Figure 1. 湿地中硝态氮移除的路径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) 需氧亚硝酸氧化(NOB), (3) 硝酸还原为亚硝酸(DEN), (4) 亚硝酸还原为一氧化氮(AOB and DEN) (5) 一氧化氮 (AOB and DEN), (6) 氧化亚氮还原为氮气 (DEN), (7) 固氮作用 (8) 铵与亚硝酸氧化还原为氮气(Ana