Loodete-tüüpi tehismärgala

Loodete-tüüpi tehismärgalaks nimetatakse tehislikku veesüsteemi, mida kõige sagedamini kasutatakse olme- ja põllumajandusreovee puhastamiseks. Loodete-tüüpi tehismärgala süsteemide puhul rakendatakse tehnoloogiat, kus vahelduvad põua ja üleujutuse perioodid, et tõsta tehismärgala puhastusaktiivsust. Annuse tüüpi pinnasfiltersüsteemist eristab neid see, et loodete-tüüpi tehismärgala põua- ja üleujutusperioodid on tihedamad ning vahelduvad ööpäeva jooksul mitu korda. Loodete-tüüpi protsessi käigus täidetakse vaheldumisi tehismärgala reoveega ja tühjendatakse. Kui tehismärgala on täidetud veega, siis õhk tõrjutakse süsteemist välja ning veest tühjendamisel juhitakse õhk atmosfäärist tehismärgalasse. Seega toimuvad süsteemis nii aeroobsed kui ka anaeroobsed puhastusprotsessid.

Protsessid loodete-tüüpi tehismärgalas

Loodete-tüüpi tehismärgalade süsteem suurendab biokeemiline hapnikutarve (BHT) erastamist aeroobsete protsesside kaudu ja suurendab ammoniaaklämmastiku eemaldamist nitrifikatsiooni käigus. Seda selle tõttu, et on saavutatud maksimaalne kontakt biokile ja saasteaine vahel ning hapniku juurdepääs on toimingu käigus suurenenud.
Lämmastiku eemaldamine nitrifikatsiooni ja denitrifikatsiooni protsesside käigus loodete-tüüpi tehismärgala süsteemide puhul põhineb adsorptsiooni protsessidel. Protsessi käigus reovees olevad ammooniumi ioonid (NH₄⁺) neelduvad negatiivselt laetud biokilel. Kuivendusprotsessi käigus keskkond puutub kokku hapnikuga, mille tulemusena biokile kiiresti aereerub ja toimub NH₄⁺ nitrifikatsioon. Hiljem reoveega täitumise ajal nitraadi ioonid eemalduvad biokilelt reovette ja neid kasutatakse elektronide aktseptoritena denitrifikatsiooni käigus.
Seega on oluline tegur lämmastiku erastamisel nitrifikatsiooni protsessis NH₄⁺ ioonide neeldumine, mis oleneb puhastussüsteemi filtermaterjali katioonide vahetuse mahtuvusest.

Nitrifikatsioon

Nitrifikatsiooni defineeritakse enamasti kui bioloogilist ammooniumi oksüdeerimist nitraadiks. Nitrifikatsioon on kemoautotroofne protsess, mida viivad läbi kemolitotroofsed bakterid. Tegemist on lämmastikuühendite muundumisprotsessiga, mille käigus lämmastikku ei ärastata. Nitrifikatsioon leiab aset igas märgalatüübis, selle toimumise määrab ära hapniku kättesaadavus mikroorganismidele. Ammooniumi oksüdatsioon toimub kahes etapis:
NH₄⁺ + 1,5O₂ → NO₂⁻ + 2H⁺+H₂O
NO₂⁻ + 0,5O₂ → NO₃
Nitrifikatsiooni peamised mõjutajad on piisav hapnikuga varustatus, temperatuur, pH ja hüdrauliline koormus.

Denitrifikatsioon

Denitrifikatsiooniks nimetatakse nitraatlämmastiku redutseerumist molekulaarse lämmastiku või dilämmastikoksiidini mikroorganismide vahendusel. Denitrifikatsioon on esimene anoksiline protsess, mis toimub pärast hapniku ära tarbimist ja see on ühtlasi ka peamiseks lämmastikku ärastavaks protsessiks enamikus pinnasfiltrites ja märgalatüüpides. Biokeemilisest vaatenurgast on denitrifikatsioon bakteriaalne protsess, kus lämmastikoksiidid (ioonsel ja gaasilisel kujul) toimivad elektronaktseptorina hapniku asemel.
Denitrifikatsiooni illustreerib järgmine võrrand:
3CH₂O + 2NO₃⁻ → 3CO₂ +N₂ +3H₂O
Metanaalist ja nitraatioonist tekivad süsihappegaas, lämmastik ja vesi. See reaktsioon on pöördumatu ja toimib vaid kättesaadavate orgaaniliste ühendite olemasolul ainult anaeroobsetes või anoksilistes tingimustes.
Denitrifikatsiooni teadaolevalt mõjutavateks keskkonnateguriteks on hapnikupuudus, redokspotentsiaal, pinnase niiskus, temperatuur, pH, denitrifitseerijate olemasolu, pinnase tüüp, orgaaniliste ühendite olemasolu ja veega küllastatus.
See, kui palju denitrifikatsiooni käigus N₂O või N₂ eraldub, on muuhulgas sõltuv aeratsioonist, pH-st, temperatuurist ja nitraat-ammoonium vahekorrast denitrifitseerivas süsteemis.

Ammoniaagi adsorptsioon

Ioonne ammoniaak võib lahusest läbi katiooni vahetusreaktsiooni adsorbeeruda anorgaanilistele setetele või mullale. Adsorbeerunud ammoniaak on substraadiga nõrgalt seotud ning võib seetõttu kergelt vabaneda, kui vee keemilised omadused muutuvad. Kui ammoniaagi kontsentratsioon vees väheneb (näiteks nitrifikatsiooni tulemusena), siis osa seotud ammoniaagist vabaneb vette tagasi, saavutades uue tasakaalu uues kontsentratsioonis. Kui ammoniaagi kontsentratsioon vees väheneb, siis kahaneb ka adsorbeerunud ammoniaagi hulk. Märgala pinnase hapnikuga küllastudes võib adsorbeerunud ammoniaak oksüdeeruda nitraadiks.
Ammooniumi sidumise reaktsioone mõjutavad mitmed tegurid, nagu savimineraalide omadused ning selle osakaal pinnases, vahelduva üleujutamise ja kuivamise intervall, pinnase orgaanilise materjali omadused ja osakaal, taimestik.

Nitraadi ammonifikatsioon

Kogu nitraat, mis nitrifikatsiooni käigus toodetakse, ei pruugi edasi denitrifikatsiooni protsessi minna, vaid võib osaliselt tagasi ammooniumiks muunduda. Nitraadi ammonifikatsioon on esimene anoksiline protsess, mis toimub pinnases ja setetes pärast hapniku äratarbimist, milles nitraat redutseeritakse molekulaarseks lämmastikuks või ammoniaagiks. Tegemist on madalatel redoksväärtustel toimuva lämmastiku transformeerumise protsessiga, mida viivad läbi kahesugused bakterid: denitrifitseerivad bakterid, kes toodavad enamasti dilämmastikoksiidi või molekulaarset lämmastikku, ja nitraati ammonifitseerivad bakterid, kes toodavad põhiliselt ammooniumi. Kui lõppsaagiseks on dilämmastikoksiid või molekulaarne lämmastik, nimetatakse vastavat protsessi denitrifikatsiooniks. Kui saagiseks on ammoonium, on tegemist ammonifikatsiooniga.

Lämmastik

Lämmastik esineb märgalade reovees mitmesuguste orgaaniliste ja anorgaaniliste vormidena. Levinumad lämmastiku anorgaanilised vormid märgaladel on ammoonium, nitrit, nitraat, gaasiline lämmastik, dilämmastikoksiid, lämmastikdioksiid ja ammoniaak. Lämmastik esineb märgaladel ka orgaaniliste vormidena, millest peamised on valkude koostisse kuuluvad uurea, aminohapped, amiinid, puriinid ja pürimidiinid. Reovees moodustab ammoonium suurima osa anorgaanilisest lämmastikust. Negatiivse valentsoleku tõttu on ta kiiresti oksüdeeriv. Nitriti kontsentratsioon reovees on tavaliselt madal. Nitrit osaleb nitrifikatsioonis ja denitrifikatsioonis, olles nendes protsessides vaheühendiks. Nitraat aga selle vastu on kõrge oksüdatsiooniastmega ja sellest tingituna keemiliselt stabiilne ning võib püsida muutumatuna üsna pikka aega.

Loodete-tüüpi tehismärgalade miinused

Loodete-tüüpi puhastussüsteemide suureks miinuseks on see, et tänapäevani pole suudetud leida tehnilist lahendust probleemile, kuidas panna seda tüüpi tehismärgala toimima külmas kliimas. Kui on võimalus, et süsteem võib külmuda, seiskuvad puhastusprotsessid. Kui vee temperatuur langeb juba alla 5 °C, siis on denitrifikatsioon ja nitrifikatsioon süsteemis pärsitud ning NH₄-N kontsentratsioonid väljavoolus kasvavad. Temperatuuri langedes protsess üldse peatub. Eestis seda tüüpi tehismärgalasid loodud pole.