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对地下水硝酸盐氮净化的研讨

    地下水已成为天下各地饮用水的次要泉源。但随着工农业的敏捷开展,生存污水、产业废水的排放及入渗,农药和化肥的过量施用,地下水中硝酸盐净化题目非常严峻,对人体安康组成严重要挟。2013年3月疆土部对华北平原地下水的观察表现,华北平原每年施用化肥约658万t,施用农药总量约65 600 t,12.2%的地下水差别水平蒙受了“三氮”(NO3--N、NO2--N和 NH4+-N)净化。地下水氮净化的修复成为急需办理的题目,对其修复技能的研讨具有实际意义。

  地下水净化的管理难度宏大于地表水管理。相比于传统的异位处置法(如抽来由理法),可浸透反响墙(PRB)因可以永劫间继续原位处置,无外加动力、无二次净化、运转用度低、处置结果好等好处遭到普遍存眷。PRB技能通常接纳隔绝斗门式或一连墙体式,前者适于地下水较浅、面积较大的浅表水层,后者适于地下水埋深较深、羽状较窄的状况。PRB通常安排于受硝酸盐净化地下水的卑鄙,地下水流垂直穿过墙体与墙体中添加的反响介质产生氧化复原、吸附、沉淀或生物反响,将硝酸盐氮复原成氮气或其他有害的气态氮化物排放到大气中,从而到达去除硝酸盐的目标〔1〕。

  PRB技能在泰西国度已举行少量工程及实验研讨〔2〕,并开端贸易化使用,成为现在地下水修复技能最紧张的开展偏向之一。中国关于PRB技能的使用实例仍旧较少,现在还处于研讨探究阶段。张胜等〔3〕曾在河北正定县的一口农用机井中举行田野实验,井径50 cm,井深52.5 m,添加碳酸盐岩碎石作为滤料,颠末4~10 d的修复实验,地下水中的NO3-从58~72.66 mg/L降到7.38~0.85 mg/L,去除率到达86.5%~98.8%。

  1 零价铁复原硝酸盐原位修复技能

  现在地下水中硝酸盐氮的原位修复次要接纳零价铁为介质的PRB技能〔4, 5〕。在PRB去除地下水硝酸盐的研讨中发明,独自利用零价铁作介质,随着复原反响的举行零价铁外表构成一层钝化膜,拦阻零价铁与NO3- 之间的电子转移,并影响PRB的浸透性;另一方面,随着反响的举行,pH不停降低,构成外表为多孔物质的沉淀,能进步对Fe2+的吸附才能〔6〕,无益于低落 Fe的次生净化,但会招致PRB墙体梗塞。李胜业等〔7〕将复原铁粉作为反响介质,研讨标明pH越低反响速率越快。S. H. Choe等〔8〕使用纳米铁粉在无氧条件下复原硝酸盐,30 min内将一切的硝酸盐完全复原成N2,简直没有两头产品发生。

  纳米级零价铁(nZVI)的胶体特征招致其极易黏结成团,有肯定的使用范围性。为了克制这种缺陷将纳米级零价铁负载到强阳离子互换树脂上,同时树脂可吸附零价铁在复原硝酸盐历程中发生的铵〔9〕。nZVI亦会随着地下水的活动产生迁徙或进入泥土,从而无法降解净化物,将nZVI负载到海藻酸钙胶体颗粒中,可使其愈加波动〔10〕。

  2 零价铁复原/生物反硝化团结原位修复技能

  在以零价铁为主的氧化复原脱氮反响中,反硝化产品每每是NH4+。而在零价铁PRB中添加活性炭、锯末〔11〕、棉花〔12〕、报纸〔13〕等作为复合介质后NH4+降到4 mg/L以下。因而,接纳生化法将硝态氮转化为N2逸散到大气中来修复地下水硝酸盐净化更为经济无效。S. Biswas等〔14〕将零价铁和反硝化细菌作为反响介质,模仿修复地下水中的硝酸盐净化。B. A. Till等〔15〕将铁粉和刚棉的混淆物作为反响介质,实行后果标明:氢自养反硝化细菌使用铁粉腐化发生的氢气举行反硝化作用,产品中N2比例降低,NH4+浓度增加。

  在PRB墙体中,以零价铁和棉花作为反响介质去除地下水中的硝酸盐,此中铁腐化提供氢气,同时去除水中消融氧,异养反硝化细菌使用棉花作为无机碳源、硝酸盐作为电子受体举行反硝化,对硝酸盐的去除结果较好,复原产品NH4+也未超标〔16〕。当Fe0-玉米秸秆的组合质料作为PRB墙体的反响介质时,体系在去除硝酸盐氮的同时低落了NH4+的积聚〔17〕。张琳〔18〕在模仿生物墙后串联1个模仿沸石墙,实行后果表现串联沸石墙后的反响器处置结果分明优于单一的生物反响器,且NH4+积聚分明增加。

  3 自养反硝化修复地下水氮净化

  强化生物脱氮的另一种办法是营建自养反硝化的条件。自养反硝化以无机碳为碳源,以氢或硫为电子供体,NO3--N、NO2--N为电子受体举行脱氮。如前所述可使用负载纳米铁复原去除硝酸盐同时析氢,举行自养反硝化脱氮,也可以接纳电极生物膜在阴极电化学作用下析氢作为自养反硝化的电子供体来完成自养脱氮〔19, 20〕。该办法的特点是:(1)负载铁或阴极上依靠的生物膜,可以充实使用化学复原天生的H2作为氢供体;(2)纳米铁促进硝化细菌的细胞活性,进步了生物反硝化脱氮的速率;(3)异养反硝化脱氮历程中发生的 CO2可为自养反硝化菌提供无机碳源。

  4 地下水中硝酸盐异养生物反硝化的碳源

  依据传统的生物脱氮实际,完成完全反硝化的实际碳氮比为2.86,但实践所需值通常在4.00 以上〔21〕。因而,地下水原位生物脱氮的中心题目在于碳源。大少数地下水情况中的消融性无机碳(DOC)<2mg/L,地下水生化脱氮时必要投加碳源以包管符合的碳氮比,使反硝化脱氮顺遂举行。传统的液态碳源如甲醇、乙醇等微生物使用性好,但在无机基质投加量不敷时易发生NO2--N积聚,过量时则形成二次净化,且投加历程操纵庞大、本钱较高。现在普遍研讨的固态碳源如锯末、棉花、稻草等多为自然质料,在实践使用中存在以下题目:(1)自然质料组分和布局庞大,生物使用率低,形成脱氮速率低〔11, 12〕。(2)自然碳源释碳速率不行控,招致供碳不敷或过量。供碳不敷时微生物进入内源呼吸形式,斲丧本身机体从而使微生物数目增加并开释NH3,地下水“三氮”净化题目无法彻底办理,供碳过量则惹起二次净化。(3)自然质料力学功能差,机器强度不敷,原位修复历程中易破裂成碎片布局,梗塞含水层〔22〕。而实践使用中坚持临时无效的脱氮功能很紧张。在诸多实行研讨中,只要释碳速率迟缓的固体碳源可以临时提供反硝化作用所需的无机碳〔23〕。张大奕等〔24〕以淀粉和聚乙烯醇为质料,制备了高分子缓释碳源质料,释碳功能精良,可用于地下水中原位修复脱氮。

  抱负的固体碳源必要具有释碳量可控、降解速率慢和脱氮率初等特点。在现在的生物脱氮原位修复研讨中,可控释碳速率的固体碳源制备是一个要害题目。

  5 结论

  综上所述,PRB作为处置地下水中硝酸盐净化的最新技能,以下方面有待进一步研讨。

  (1)反响介质的选取。现在最常用的反响介质为零价铁,但在其去除硝酸盐历程中会发生少量的氨氮,构成二次净化。因而添补介质及负载基材的选择,以及复原产品的控制是以后的研讨偏向之一。

  (2)便于控制、可增加二次净化、经济高效的无机底物(碳源)的选择和制备。反硝化细菌大局部为异养、厌氧细菌,在使用反硝化细菌去除地下水中硝酸盐时必要外加碳源,为其提供动力;当外加碳源不敷时,将会克制反硝化细菌的活性,影响其脱氮速率。因而必要找出最佳的缓释碳源质料使用到地下水硝酸盐去除历程中。

  (3)优化异养-自养协同生物反硝化脱氮及研讨微生物种群。

  (4)研讨情况的范围性。现在我国PRB技能处置硝酸盐多会合于实行室范围,大局部为模仿地下水。在实践使用PRB技能去除地下水中硝酸盐时有须要举行实地现场实验,研讨阵势、水流、温度、墙体厚度、泥土等要素对去除结果的影响。

 
 
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