1 氮的物理分离
与悬浮固体相关的氮可以通过前面描述的TSS去除机制去除，包括絮凝、沉淀、过滤和拦截（图3-6）。生物膜上可能发生颗粒和可溶性有机氮的吸附反应，这些生物膜存在于挺水植物表面、植物凋落物、池底或表面的其它碎屑表面。如果氨氮离子扩散到土壤层中或通过位于底层中有机氮固体氨化生物生成，则湿地土壤中粘土矿物质的铵离子交换可能在氮分离中起作用，粘土矿物的交换能力很重要。必须强调的是，除非通过化学或生化作用进行再生，否则黏土矿物的交换能力有限。在大多数湿地系统的启动期后，离子交换不太可能在氮去除中发挥重要或可靠的作用。此外，原土层在一段时间内被埋在碎屑和植物凋谢物下，从而将这些粘土矿物从湿地系统中分离出来。也可以通过汽提从系统中除去氨（NH3）。在中性pH值下未离子化的氨含量低，但在开阔水域的光合作用期间，pH值可升高至高达8.0至8.5的值，这取决于水的碱度，在该pH下，NH3/NH4+的比例可在20℃下增加至20至25％。如果由于风作用导致水体表面湍流，在氨浓度高情况下，这些开阔水域中可能发生显著的氮损失。
2 氮的生物化学转化
2.1 氨化反应
几乎一半的城市废水含氮成分为有机氮形式，且通常已经在下水道中转化为氨氮。在有机物质降解过程中，有机氮与铵态氮的生物转化被称为氨化、水解或矿化。该过程在有氧和厌氧条件下进行，但后者反应较慢。不同氧状态下的速率差异主要依赖于酶途径的不同所致。该过程的速率主要取决于pH和温度，随温度升高而增加，已经证明市政废水在11°至14°C的温度下可在19小时内完全水解，一旦水解完成，就可以被植物通过根系吸收，通过沉积物中的离子交换固定，溶解并返回水体，作为气态氨挥发，通过微生物厌氧转化为有机物质，被浮游植物或漂浮植物吸收，或通过好氧微生物进行硝化。
2.2 硝化反应
在溶解氧的存在下，水体或生物膜内的微生物可以通过两步法将氨转化为亚硝酸盐和硝酸盐氮。每克铵硝化物被氧化成硝酸盐需要约4.3gO2，7.14g的碱度，该过程依赖于温度和pH。硝酸盐不会被土壤矿物固定，而是留在沉积物的水体或孔隙水中，它可被植物或微生物吸收，同化转化为生物质或异化还原为气体。
2.3 反硝化反应
在厌氧（缺氧）条件下，微生物进行硝酸盐还原或脱氮，其中硝酸盐作为末端电子受体，有机碳作为电子供体。也就是说，反应在没有氧的情况下发生并且需要有机碳源。反硝化产物是N 2和N 2 O气体，它们很容易离开湿地。反硝化反应主要发生在湿地沉积物和水体的附生膜中，在完全植被生长下，DO低，可用C高。反硝化的最小碳与硝酸盐-氮比率为约1gC/gNO3-N。为实现此目的，分解湿地植物和植物根系分泌物是可生物降解有机碳的潜在来源。这些来源在植物衰老开始时最容易获得，将消耗有机碳并产生碱度，该过程取决于温度和pH。如果系统缺氮，沉积物中的反硝化可以提供N2用于细菌固定和根区中的植物吸收（固氮），其余部分将与水体中的N2保持平衡。水中的氮气可通过一些附生生物和浮游植物用于固氮，还存在一个空气-水氮气交换过程。
2.4 氮的固定
可通过含固氮酶的特定生物将氮气转化为有机氮，该反应可以通过细菌和蓝绿藻在需氧或厌氧条件下进行。固氮发生在FWS开阔水域的上覆水、沉积物中，植物的氧化根际以及植物的叶和茎表面上。它可能是天然湿地中氮的重要来源，但在处理氮充足的废水系统中并不重要。
2.5 植物吸收
湿地植物在氮的同化过程中扮演重要角色，该过程作为其新陈代谢的重要组成部分。植物将无机氮形式还原为用于植物结构的有机氮化合物。在生长季节，挺水和沉水植被对氮的吸收率很高。微生物对营养物质的固定增加以及藻类和附生植物的吸收也导致湿地中无机形式的氮的保留。挺水植物每年净氮摄入量的估计值为0.5至3.3 gN/m2/yr。芦苇处于低值水平，而香蒲则处于高值水平。而尚未发现湿地系统中附生植物和微生物的估计值。在生长活跃期，沉积物上方的植物茎和叶中呈现较高的总氮水平。在衰老过程中，氮转移至根和根茎进行储存。然而，大部分氮由于植物凋谢和随后的浸出而回到水体中，这通常导致秋季和早春的氮净输出。湿地内氮的再循环程度取决于系统的氮负荷。湿地处理系统被认为是营养水平过高的富营养化湿地。因此，对于处理过程而言，系统内氮循环对于水文状况变化更为重要。
3 FWS中的氮循环
颗粒有机氮源于进水或湿地自身植物产生，其分离过程与生物膜有关，这些生物膜存在于植物结构、植物凋谢物或碎屑表面。可生物降解的有机氮化合物被微生物通过好氧或厌氧反应氨化，难降解的有机氮最终不断积聚称为深层沉积物的一部分。沉积物中颗粒有机氮所释放的氨可作为挺水或沉水植物的重要营养物。
在生长季节，植物摄取作用增加了浓度梯度进而促使释放更多的氨，过量的氨可能依然保存在沉积物中并从沉积物中释放至水体中，在有氧条件下发生硝化反应。在秋季和早春，氨释放至水体中是湿地常见的现象，浸出的氨可以被水体中的附生植物或浮游生物吸收，也可以附着在挺水植物或漂浮植物上。
氨的硝化反应需要DO的参与，因此该过程仅限于可获取氧气的区域，在植物根茎附近可能发生一些硝化反应，其所需的氧气可通过植物传输。然而这种现象对氮去除的贡献较小，因为挺水植物下方大部分沉积物都是厌氧的。而在开阔水域，由于水体含有较高的氧浓度，硝化作用则变得显著，其硝化程度与有机负荷及氮负荷有关，确切的说，湿地氧需求负荷将决定是否存在氧气。通常，在大部分有机化合物被除去之前，不会开始硝化反应。因此，在初始沉降区中一般不会发生硝化反应，但在随后的开阔水域/好氧区中可能发生。
进水中的硝酸盐或通过硝化反应所产生的硝酸盐可以通过附生生物或浮游生物吸收。好氧沉积物中产生的少量硝酸盐可以被植物根部吸收或向上扩散至水体中。在厌氧条件和有机物存在的情况下，生物膜或水体中的微生物可将硝酸盐经反硝化作用转化为氮气。一部分硝酸盐也会扩散到厌氧沉积物中，在这里被用于植物吸收或发生脱氮反应。
从湿地上游至下游，可预测氮的相关生化反应顺序，总氮水平在沉降区由于沉淀作用而有所下降，然后是氨的释放，进而是硝化和反硝化。植物在整个生长/凋谢周期中将通过释放和摄取氮来削弱该反应进程。当氧的供给少于需求时，系统的硝化作用将变得不再显著。
季节性及进水条件的变化将极大地影响系统除氮性能，在温暖季节，当预处理系统处理的出水中含有较高硝酸盐时，湿地系统可表现出优异的反硝化作用而将氮去除，反硝化所需要的有机物主要来源于植物自身分解。在植物衰老和死亡期间，秋季和早春季节的氮释放可能是显著的。
在FWS系统的开阔水域中，由于pH和水温的升高，氨氮挥发将演变成为氮去除的重要机制，在稳定塘能满足最佳所需外界条件时，该机制将能达到50%的去除水平，而FWS湿地由于尺寸较小，在正常条件下该途径可能达到最低水平。
对于氨的去除，有效的去除过程包括植物吸收、硝化、挥发和离子交换，后两者通常在FWS系统中只有很小的影响。植物吸收是季节性的，需要在植物衰老之前收获。通常，设计者必须关注通过硝化反应实现氨的去除。应该注意的是，硝化程度取决于温度，因此冬季月份的硝化速率会明显减慢，特别是在较冷的气候条件下。
氮的去除可以通过植物吸收/收获，硝化/反硝化，挥发和离子交换途径来实现。同样，后两者在大多数FWS系统中被认为是次要的途径。植物吸收和收获需要系统的管理，并且成本较高。反硝化需要有机物和硝酸盐，以及无氧的环境，有机碳可能来源于腐烂的植物，而温度会对反硝化和硝化过程造成影响，尤其在冬季，反应速率会大幅度下降，针对这种不利影响设计时应该注意。
4 VSB中的氮循环
VSB系统反应为厌氧固定膜生物反应，被困在床内的有机氮将发生氨化反应。根据植物根部的位置情况，释放的氨可用于植物吸收，植物根部下方的水体流动将氨携带至下游，植物对氮的吸收量较低。如前所述，植物对氮的吸收依赖于植物的生长情况，并且在植物衰老和死亡期间无效。VSB系统中的氧气源可以忽略不计，氧气不足以促进可靠的硝化作用发生。而任何硝化作用可能发生在与根茎相邻的根区或靠近床表面的地方，在那里可能发生一些表面氧转移，下游也可能发生硝化作用。
传统的VSB系统似乎非常适合反硝化，因为这些床是厌氧的。然而，它们需要从床中植物残渣分解或床表面植物生物质的耗氧分解供应有机碳。然而，碳的供应是季节性的，因为它在植物衰老后最高。冬季低温将使反应过程变慢，因此传统的VSB系统并不是经济可靠的氨去除系统。为了提高去除效果，系统的负荷必然必须很低。由于碳的季节性可用性可能会产生限制，应此在设计中加以考虑。
参考文献：
[1]. Constructed Wetlands Treatment of MunicipalWastewaters [M]. EPA
联系客服
