Dengan meningkatnya derajat eutrofikasi pada badan air alami, pembuangan nitrogen pada badan air yang tercemar menjadi isu yang semakin mendesak. Lahan basah memainkan peran penting dalam pencegahan dan pengendalian eutrofikasi badan air alami. Lahan basah alami, yang dilengkapi dengan tindakan buatan yang masuk akal, dapat sangat meningkatkan efisiensi penghilangan polutan dan dampak ekologis. Diantaranya, penghilangan nitrogen merupakan fungsi penting dari lahan basah buatan. Ringkasan mekanisme penghilangan nitrogen di lahan basah buatan untuk pengolahan limbah dapat memberikan landasan teori yang baik untuk desain, pengoperasian, dan penelitian lahan basah.
Mekanisme denitrifikasi lahan basah buatan
Sistem lahan basah buatan menghilangkan nitrogen dari limbah melalui berbagai mekanisme. Mekanisme ini terutama mencakup reaksi biologis, fisik dan kimia.
Dalam sistem lahan basah buatan anti rembesan, jika pertukaran nitrogen antara lahan basah buatan dan badan air di sekitarnya diabaikan, jalur sirkulasi dan transformasi nitrogen di lahan basah buatan ditunjukkan pada gambar di bawah, terutama termasuk amonia dari nitrogen organik, penguapan nitrogen amonia. , nitrifikasi dan denitrifikasi biologis, serapan jaringan mikroba tanaman, adsorpsi matriks dan oksidasi amonia anaerobik serta proses fisik, kimia, dan biologi lainnya.
Diantaranya, adsorpsi dan pengendapan matriks memiliki efek yang baik pada lahan basah matriks khusus atau pada tahap awal penggunaan lahan basah, namun untuk lahan basah buatan dewasa yang telah beroperasi sejak lama, transformasi dan penghilangan nitrogen di bawah kondisi aksi mikroorganisme selalu dianggap sebagai cara utama untuk menghilangkan nitrogen. Jalur penghilangan nitrogen lainnya seperti oksidasi amonia anaerobik secara teoritis dapat memberikan kontribusi yang lebih besar terhadap pengolahan lahan basah buatan air limbah dengan kandungan nitrogen tinggi amonia.
Hari Ekologi Nasional
Nitrifikasi mengacu pada proses di mana nitrogen amonia dioksidasi menjadi nitrogen nitrit dan selanjutnya dioksidasi menjadi nitrogen nitrat di bawah aksi mikroorganisme. Nitrifikasi terutama diselesaikan oleh bakteri autotrofik dalam dua tahap.
Tahap pertama adalah proses nitrit: yaitu tahap di mana nitrogen amonia dioksidasi menjadi nitrogen nitrit.
Ada lima genera utama bakteri nitrit yang terlibat dalam tahap ini: Nitrosomonas, Nitrosocystis, Nitrosococcus, Nitrosospira dan Nitrosogloea. Diantaranya, peran Nitrobacter sangat dominan.
Tahap kedua adalah proses nitrifikasi: yaitu tahap di mana nitrogen nitrit dioksidasi menjadi nitrogen nitrat.
Ada tiga genera utama bakteri nitrifikasi yang terlibat dalam tahap ini: Nitrobacter, Nitrospina, dan Nitrococcus. Diantaranya, Nitrobacter adalah genus utama, dan yang umum adalah Nitrobacter winogradskyi dan N.agilis.
Selain mikroorganisme autotrofik yang disebutkan di atas, terdapat sejumlah besar mikroorganisme heterotrofik di dalam tanah, yang juga dapat mengoksidasi amonia dan senyawa nitrogen organik menjadi N2O atau N2, dan kemampuan nitrifikasinya mungkin lebih rendah dibandingkan bakteri nitrifikasi autotrofik. namun penelitian mengenai peran spesifiknya dalam proses nitrifikasi di lahan basah buatan masih belum memadai.
Efek penghilangan nitrifikasi nitrogen amonia bervariasi menurut desain dan struktur lahan basah buatan. Di lahan basah buatan aliran permukaan, lahan basah buatan aliran vertikal, dan gabungan lahan basah buatan, terjadi proses nitrifikasi yang kuat dan sejumlah besar nitrogen amonia dihilangkan, tetapi derajatnya berbeda.
Secara umum, karena efek reoksigenasi aliran vertikal lebih baik daripada efek reoksigenasi aliran bawah permukaan horizontal di lahan basah buatan, intensitas nitrifikasi umumnya lebih besar daripada intensitas nitrifikasi di lahan basah aliran bawah permukaan horizontal. Selain itu, kondisi operasi yang berbeda juga mempengaruhi intensitas nitrifikasi. Misalnya, mode operasi pasang surut yang digunakan di lahan basah aliran vertikal dan perlakuan awal aerasi pada tahap awal lahan basah aliran bawah permukaan horizontal, keduanya meningkatkan intensitas nitrifikasi sistem.
Proses denitrifikasi
Proses denitrifikasi mengacu pada proses biokimia di mana bakteri denitrifikasi mereduksi nitrogen (N) dalam nitrat (NO3-) menjadi molekul nitrogen (N2) melalui serangkaian produk antara (NO2-, NO, N2O ).
Proses denitrifikasi sangat penting dalam siklus nitrogen di alam dan merupakan mata rantai utama dalam siklus nitrogen. Dalam hal pengolahan limbah lahan basah buatan, ini merupakan cara utama denitrifikasi biologis bersama dengan reaksi nitrifikasi. Kendala lingkungan pada proses denitrifikasi meliputi lingkungan oksigen, potensi redoks, suhu, pH dan sumber karbon organik. Nitrifikasi memerlukan lingkungan reoksigenasi, tetapi denitrifikasi memerlukan lingkungan anaerobik, yang menjadikan nitrifikasi dan denitrifikasi simultan secara teoritis di lingkungan lahan basah yang sama merupakan faktor penting yang membatasi denitrifikasi lahan basah.
Kisaran pH yang paling cocok untuk denitrifikasi adalah pH6-8. Bila nilai pH lebih rendah dari 5, intensitas denitrifikasi dapat dilakukan, namun lajunya menurun secara signifikan. Ketika nilai pH lebih rendah dari 4, denitrifikasi seringkali terhambat sepenuhnya. Suhu yang cocok untuk denitrifikasi adalah 30~35 derajat, dan denitrifikasi melemah secara signifikan bila suhu lebih rendah dari 2~9 derajat.
Dari persamaan proses denitrifikasi di atas terlihat bahwa produk dari proses denitrifikasi lengkap adalah nitrogen (N2), dan N2O akan dihasilkan dalam keadaan tidak lengkap. Karena N2O merupakan gas rumah kaca, potensi pemanasan globalnya setara dengan 310 kali lipat CO2. Meskipun emisi denitrifikasi yang tidak lengkap di lahan basah buatan tidak terlalu berpengaruh terhadap efek rumah kaca global, hal ini secara bertahap menarik perhatian dan kekhawatiran banyak ilmuwan dalam beberapa tahun terakhir.
Ekstraksi tanaman
Nitrogen merupakan nutrisi penting untuk pertumbuhan tanaman. Nitrogen anorganik dapat diserap dan disintesis oleh tanaman di lahan basah buatan menjadi zat tanaman. Terakhir, sebagian nitrogen anorganik dapat dihilangkan sepenuhnya dari sistem lahan basah buatan dengan memanen secara teratur bagian tanaman lahan basah di atas permukaan tanah.
Penyerapan dan pembuangan nitrogen anorganik oleh tanaman dibatasi oleh hasil jaringan tanaman dan kandungan nitrogen dalam jaringan. Penerapan peningkatan efek denitrifikasi lahan basah melalui penyerapan tanaman lebih cocok di daerah tropis, karena perubahan musim di daerah tropis kecil dan tanaman lahan basah dapat tumbuh sepanjang tahun. Oleh karena itu, pemanenan tanaman dapat dilakukan berkali-kali untuk meningkatkan penyerapan dan pembuangan nitrogen anorganik oleh jaringan tanaman.
Amonifikasi
Proses amonifikasi terutama mengacu pada proses di mana bahan organik yang mengandung nitrogen seperti protein diurai oleh mikroorganisme di dasar lahan basah dan diubah menjadi amonia. Penelitian tentang amoniasi dalam siklus nitrogen pada pengolahan limbah lahan basah buatan belum menarik perhatian dan pentingnya peneliti seperti nitrifikasi dan denitrifikasi.
Intensitas amoniasi yang dilaporkan pada lahan basah buatan adalah 0.004-0.530 g/(m2·d).
Penguapan nitrogen amonia
Beberapa nitrogen dan nitrogen dalam sistem lahan basah buatan dapat keluar dari sistem melalui penguapan. Jumlah penguapan amonia dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti iklim, kondisi hidrolik, dan status pertumbuhan tanaman.
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. Umumnya nilai pH lahan basah buatan adalah 6~7. Oleh karena itu, nitrogen amonia yang hilang melalui penguapan tanah lahan basah dapat diabaikan.
Namun, ketika lahan basah buatan diisi dengan batu kapur dan media lainnya, nilai pH dalam sistem lahan basah akan sangat tinggi, dan hilangnya nitrogen amonia melalui penguapan perlu diperhatikan.
Oksidasi amonia anaerobik
Proses oksidasi amonia anaerobik adalah proses reaksi biologis di mana bakteri pengoksidasi amonia anaerob menggunakan nitrit sebagai akseptor elektron dan nitrogen amonia sebagai donor elektron untuk secara langsung mengoksidasi nitrogen amonia menjadi gas nitrogen dalam kondisi anaerobik.
Reaksi ini biasanya memiliki persyaratan ketat pada kondisi eksternal (nilai pH, suhu, oksigen terlarut, dll.), namun kelebihannya adalah: karena nitrogen amonia langsung digunakan sebagai donor elektron untuk reaksi denitrifikasi, penambahan bahan organik eksogen (seperti sebagai metanol) dapat dihindari, sehingga dapat menghemat biaya operasional dan mencegah polusi sekunder.
Karena sebagian besar amonia tidak mengalami proses nitrifikasi lengkap dan secara langsung berpartisipasi dalam reaksi oksidasi amonia anaerobik, laju pemanfaatan efektif oksigen meningkat, konsumsi energi pasokan oksigen berkurang, dan produksi asam berkurang. Hal ini dapat mengurangi reagen kimia yang diperlukan untuk netralisasi, mengurangi biaya pengoperasian, dan mengurangi polusi sekunder.
Saat ini, teknologi ini secara bertahap diterapkan dalam pengolahan industri air limbah kokas, lindi TPA, dan air limbah lainnya. Meskipun terdapat laporan mengenai pengolahan limbah lahan basah buatan, penelitian terkait masih belum mencukupi.
Pelepasan nitro oksida
Secara umum diyakini bahwa mekanisme utama penghilangan nitrogen di lahan basah buatan adalah nitrogen dalam limbah akhirnya keluar dalam bentuk gas N2 dan N2O melalui aksi gabungan nitrifikasi dan denitrifikasi oleh mikroorganisme. Karena N2O merupakan gas penghangat yang kuat, efek rumah kacanya sekitar 298 kali lipat dari CO2, dan dampaknya terhadap lingkungan global bersifat jangka panjang dan potensial, sehingga sangat penting untuk mempelajari hukum pelepasan N2O di lahan basah buatan.
Penelitian mengenai emisi N2O dalam sistem lahan basah buatan dimulai pada tahun 1997, ketika Freeman pertama kali mengusulkan bahwa penggunaan teknologi lahan basah buatan untuk memurnikan limbah akan melepaskan sejumlah N_2O ke atmosfer. Sejak itu, laporan penelitian terkait telah dipublikasikan di luar negeri. Penelitian terkait dalam negeri dimulai terlambat, dan laporan penelitian paling awal terlihat pada tahun 2009.
