碩亞環(huán)保
SHUOYA EP
20年專(zhuān)注水生態(tài)修復解決方案服務(wù)商
高新技術(shù)企業(yè)? ?國家特聘專(zhuān)家
人工濕地作為一個(gè)多功能的特殊生態(tài)系統表現出的環(huán)境反饋作用也是多方面的。目前,溫室氣體(CO2、CH4和N2O)引起的全球變暖已成為各國政府和科學(xué)家共同關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題,其中,關(guān)于人工濕地污水處理過(guò)程中溫室氣體釋放的研究主要集中在人工濕地中的溫室氣體釋放機理、特征及其影響因素等方面。
當前,全球氣候變暖已成為全球面臨的重大環(huán)境問(wèn)題。聯(lián)合國政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì )(IPCC)指出,過(guò)去100年(1906-2005)間全球平均地表溫度升高了0.74℃,且監測表明,全球氣候變暖很可能(90%)是由人為溫室氣體增加所引起的。溫室氣體是指能夠強烈地吸收地面和大氣散射的長(cháng)波紅外輻射的一些氣體,其中,CO2、CH4、N2O為《聯(lián)合國氣候變化框架公約的京都議定書(shū)》明確規定的強制減排的主要溫室氣體。
1溫室氣體的源與匯
目前,國內外關(guān)于大氣中CO2、CH4和N2O的源與匯進(jìn)行了大量研究工作,但由于研究方法所限,或是低估了已知源的強度,或是某些釋放源尚未被發(fā)現,大氣中溫室氣體釋放源(吸收匯)的問(wèn)題尚未得到解決。世界氣象組織(WMO)指出,自18世紀晚期以來(lái),大氣中增加的CO2的濃度主要與人類(lèi)活動(dòng)有關(guān),40%的CH4為自然源(主要來(lái)自于濕地中有機碳的厭氧分解),其余60%的來(lái)源于人類(lèi)活動(dòng),而釋放到大氣中的N2O有1/3左右來(lái)源于人類(lèi)活動(dòng)。CO2、CH4和N2O釋放的人為源主要包括:化石燃料和生物質(zhì)燃燒,畜牧養殖,農業(yè)和工業(yè)生產(chǎn),廢棄物處置(固體廢物填埋和污水處理)。
天然濕地生態(tài)系統作為碳源(匯)和N2O源,在全球溫室氣體源匯轉化過(guò)程中有著(zhù)重要的地位和作用。濕地作為碳匯是指將CO2轉化為有機物質(zhì),并形成穩定的有機土壤復合物;據估計,全球濕地碳儲量可達450Pg,碳累積速率為8~480g-C/m2/y,占全球土壤總有機碳庫的三分之一。濕地作為碳源是指厭氧狀態(tài)下CH4的排放及好氧狀態(tài)下有機物氧化作用而導致CO2的排放;據文獻報道,濕地CH4平均排放量為109~145Tp/y左右,占全球甲烷排放量總源的20~26%。濕地具有較高的N2O排放速率,是N2O的源或匯,其N(xiāo)2O平均通量為21~657Tmg/m2/y。
當前,以去除有機物及氮、磷等營(yíng)養物質(zhì)為主要目的的污水處理設施,在其去污過(guò)程中勢必產(chǎn)生CO2、CH4、N2O,使其成為一個(gè)連續的溫室氣體發(fā)生器。據《聯(lián)合國氣候變化框架公約》研究報道,污水處理過(guò)程中釋放的溫室氣體占全球人為溫室氣體總釋放量的0.18%。由此可見(jiàn),人工濕地作為模擬天然濕地的特殊污水處理系統,其去污過(guò)程中溫室氣體釋放問(wèn)題不容忽視。
2人工濕地溫室氣體的釋放研究
(1)人工濕地溫室氣體的釋放機制
①CO2和CH4釋放機制
人工濕地可通過(guò)植物光合作用固定大氣中的CO2,但人工濕地植物固定的部分有機物又通過(guò)自身呼吸作用和微生物的氧化分解作用以CO2的形式進(jìn)入大氣。此外,在好氧環(huán)境下,一方面,系統微生物對有機物的分解代謝過(guò)程生成CO2,并提供微生物生命活動(dòng)所需要的能量。另一方面,微生物合成代謝過(guò)程中的內源呼吸過(guò)程也將一部分細胞質(zhì)氧化分解,產(chǎn)生CO2。濕地系統生成的最終通過(guò)水大氣、植物大氣及基質(zhì)大氣等傳輸途徑釋放向大氣。
人工濕地中CO2和CH4的釋放機制
人工濕地釋放是系統中生成、氧化和傳輸釋放三個(gè)過(guò)程相互作用的結果。CH4的生成主要有兩條途徑:厭氧發(fā)酵和還原,其中起作用的主要是以下4種微生物:1)水解微生物區系:將聚合物水解成單體(如:葡萄糖、脂肪酸、氨基酸等),這類(lèi)微生物包括好氧細菌、厭氧細菌和兼性細菌;2)發(fā)酵微生物:將單體化合物以及在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的中間態(tài)化合物酸化,該類(lèi)群的微生物包括兼性細菌和嚴格的厭氧菌;3)綜合營(yíng)養型和專(zhuān)性產(chǎn)醋酸的微生物區系:將以往的代謝產(chǎn)物轉化成醋酸;產(chǎn)甲焼菌將簡(jiǎn)單的物質(zhì)轉化為甲烷。CH4的氧化途徑主要有兩種,1)高親和力氧化,這類(lèi)氧化在CH4濃度接近大氣甲烷濃度時(shí)即可發(fā)生;2)低親和力氧化,這類(lèi)氧化在CH4濃度高于40*106時(shí)才會(huì )發(fā)生。由濕地系統向大氣的傳輸途徑也包括水-大氣、植物-大氣及基質(zhì)-大氣等三個(gè)階段:甲燒傳輸過(guò)程主要是分子擴散過(guò)程和氣泡擴散過(guò)程;甲院由植物到大氣的傳輸主要包括簡(jiǎn)單分子擴散過(guò)程,在通氣組織中氣體對流過(guò)程以及滲流過(guò)程。
②N2O釋放機制
人工濕地中N2O主要是通過(guò)微生物的摘化和反硝化作用釋放向大氣。目前多數學(xué)者認為N2O是不完全硝化作用和不完全反硝化作用的產(chǎn)物。
下圖為人工濕地中N2O的主要釋放過(guò)程。摘化過(guò)程是指NH4+在好氧條件下被氧化NO3-為的過(guò)程,包括亞硝化和確化兩步,分別由氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌完成。過(guò)程中參與反應的酶主要有氨單加氧酶、經(jīng)氨氧化還原酶和亞硝酸氧化還原酶。由圖可看出,既不是硝化反應的中間產(chǎn)物也不是最終產(chǎn)物,因此推測它應該是這一過(guò)程的副產(chǎn)物,且的生成主要集中在亞硝化過(guò)程。
人工濕地中N2O的釋放機制
生物反硝化過(guò)程是在缺氧或厭氧條件下,將NO3--N和NO2--N還原為N2的生物反應過(guò)程。反硝化過(guò)程分四個(gè)階段進(jìn)行,參與催化的酶包括:硝酸鹽還原酶、亞確酸鹽還原酶、一氧化氮還原酶和氧化亞氮還原酶。由圖可見(jiàn),與N2O硝化過(guò)程不同,是反硝化過(guò)程的中間產(chǎn)物。在上述反硝化過(guò)程中,NO2--N、NO、與N2O等中間產(chǎn)物以及最終產(chǎn)物都有可能出現。
相關(guān)內容
——