固相反硝化处理地下水硝酸盐研究进展.pdf
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1、2023年第4期水环境与水生态固相反硝化处理地下水硝酸盐研究进展水科学与工程技术27吕钰楠,谢健强,张建美(长江大学资源与环境学院,武汉43 0 10 0)摘要:为解决地下水硝酸盐污染问题,固相反硝化技术成为近年来的研究热点。基于固相反硝化的原理,归纳常用固相碳源种类及其优缺点,分析固相反硝化过程中的影响因素,并阐述固相反硝化技术在生物反应器、可渗透反应墙及人工湿地反应器中的应用。总结并展望固相反硝化技术在修复地下水硝酸盐污染中的问题及今后的研究方向,以期为地下水硝酸盐的修复工作提供借鉴。关键词:固相反硝化;固相碳源;地下水;硝酸盐中图分类号:X523D01:10.19733/ki.1672-
2、9900.2023.04.08Research progress of solid phase nitrification for nitrate treatment inAbstract:In order to solve the problem of nitrate pollution in groundwater,solid phase nitrification technology has becomea research hotspot in recent years.Based on the principle of solid phase nitrification,the t
3、ypes of common solid phasecarbon sources,their advantages and disadvantages were summarized,the influencing factors in the process of solid phasenitrification were analyzed,and the application of solid phase nitrification technology in bioreactor,permeable reaction walland constructed wetland reacto
4、r was expounded.The problems and future research directions of solid phase nitrificationtechnology in the remediation of groundwater nitrate pollution were summarized and prospected,in order to providereference for the remediation of groundwater nitrate.Key words:solid phase nitrification;solid carb
5、on source;groundwater;nitrate地下水是淡水资源的重要组成部分,全国约61%的城市将地下水作为饮用水源。随着工农业规模的持续扩大,农田含氮化肥使用量逐年增加,另外一些地区的生活污水及未达标工业废水被任意排放,导致地下水硝酸盐污染严重,已成为国内外重点关注的环境和公共健康问题。国外一些发达国家,比如2 1世纪初的法国、加拿大及美国等,地下水硝酸盐浓度存在超标现象,普遍达40 50 mg/L且仍在不断上升。在我国,华北平原每年施用的化肥总量约658万t,施用农药总量约6.56 万t,研究发现桂林、成都、合肥、长春、武汉等城市的地下水硝酸盐含量均超过世界卫生组织规定的11.
6、2 9 mg/L。长期饮用硝酸盐超标的地下水会引起高铁血红蛋白症,还易诱发癌症,危害人体健康,另外地下水中硝酸盐含量过高时还会引起地表水水体富营养化,因此,地收稿日期 2 0 2 3-0 1-0 8【基金项目 国家自然科学青年基金资助项目(4140 1545);长江大学大学生创新创业项目(Yz2020374)作者简介 吕钰楠(19 9 8 一),女(汉族),重庆合川人,硕士,主要从事环境化学、污水处理研究。E-mail:文献标识码:BgroundwaterLV Yunan,XIE Jianqiang,ZHANG Jianmei(School of Resources and Enwironme
7、nt,Yangtze University,Wuhan 430100,China)盐的修复过程中。根据电子供体不同,反硝化可分为自养反硝化和异养反硝化,其中异养反硝化的硝酸盐去除率远高于自养反硝化,应用更为广泛,该方法利用有机碳源作为电子供体对硝酸盐进行还原,而地下水中有文章编号:16 7 2-9 9 0 0(2 0 2 3)0 4-0 0 2 7-0 4下水硝酸盐的去除对人体健康及水体环境至关重要。迄今为止,地下水硝酸盐的处理方法有物理化学法、化学法及生物法。物理化学法包括吸附法、离子交换法、电渗析法等,此类方法只是将硝酸盐积累浓缩,并未彻底去除,仍需进一步处理。化学法包括活泼金属还原法和催
8、化法等,但存在电耗大、电极易钝化等问题。生物法是利用微生物的反硝化作用,以有机物或无机物为电子供体,将硝酸盐还原为氮气,因其成本低及去除效果好被广泛应用于地下水硝酸28机碳含量低,难以维持反硝化过程的顺利进行,因此需外加有机碳源。常见的碳源主要有液相碳源和固相碳源,其中液相碳源成本高且投加量难以控制。相比之下,固相碳源成本低廉且易于控制,被广泛应用于地下水硝酸盐的去除过程中。本文围绕地下水硝酸盐的固相反硝化技术,对固相碳源种类、固相反硝化影响因素及应用进行综述,以期为地下水硝酸盐的修复提供支撑。1固相反硝化原理固相反硝化技术是指在厌氧或缺氧条件下,以不溶性有机物为碳源,硝酸盐在硝酸还原酶、亚硝
9、酸盐还原酶、一氧化氮还原酶和氧化亚氮还原酶的作用下,通过一系列的酶促反应,依次还原为NO2、NO、N,O,并最终转化成N的过程。如图1,反应中添加的固相碳源不仅可作为微生物反硝化生长繁殖的载体,且在胞外酶的作用下,这些分子量较高的有机物可被分解成易溶于水、分子质量低的有机物,在还原硝酸盐的过程中进一步被反硝化细菌作为能源物质及电子供体利用。该过程除发生反硝化作用外,还伴随着硝酸盐异化还原成氨(DNRA)、厌氧消化及好氧降解等副反应如图1,产生铵、甲烷、二氧化碳等副产物。在运行固相反硝化工艺的具体过程中应通过调控条件以避免副反应的发生,使硝酸盐尽可能地被还原成氮气。反硝化作用NO,NO,NON,
10、0N,生物膜一DNRAINO,NO,NO.%水解作用庆氧消化CH,DNRA:硝氮(NO-N)通过异化性硝酸盐还原为氨好氧降解CO,图1固相反硝化过程 12固相碳源种类固相碳源既作为固相反硝化的生物膜载体,又能为反硝化细菌还原硝酸盐提供电子,对反硝化效果有重要的影响。目前使用的固相碳源主要包括天然材料、人工合成可生物降解材料及改性材料。2.1天然材料天然材料主要包括自然界生长的一些植物,如吕钰楠,等:固相反硝化处理地下水硝酸盐研究进展mg/L木片3.148.8木屑100玉米棒25.3小麦秸秆22.6棉花24.8软木50硬木32.2松树皮60甘草100芦苇100在实际应用中,以天然材料作碳源时,前
11、期释碳速率过快,导致水中有机物浓度过高而引起二次污染,而后期释放的有机碳过少难以维持反硝化细菌的生长繁殖,影响最终的脱氮效果。另外植物残体可能会造成系统堵塞,因此人工合成的固相碳源引起CO,生物量人们关注。2.2人工合成可生物降解材料(BDPs)人工合成可生物降解聚合物(Biodegradablepolymers,BDPs)是以简单小分子为基础制备而成,易被微生物分解利用。与天然材料相比,BDPs的溶解性有机碳释放速率稳定、抗冲击负荷能力强。目前研究的BDPs多为聚酯类和聚烃类物质,张立秋等 2 1 以聚已内酯(PCL)为固体碳源,研究其填充率和水力停留时间对脱氮的影响。LibingChu等
12、3 以聚丁二酸丁二醇酯(PBS)为碳源进行实验,取得良好的地下水硝酸盐脱氮效果。BDPs作为缓释碳源被广泛应用于地下水原位修复中,Zhang等 4 以木屑、麦秸、可降解塑料为碳源进行原位修复时,发现可降解塑料具有更高的脱氮效率,且无二次污染现象。但BDPs价格相对较高,可将廉价天然材料与人工合成材料混合,以低成本生产可降解的复合材料。2023年第4期棉花、软硬木、树皮、甘草、芦苇等,以及一些农业废弃物,如玉米芯、麦秸、木屑、锯末、甘蔗渣、水稻壳等,这些物质具有取材容易、来源广、成本低、硝酸盐去除能力强等优点。表1列举出部分天然材料及其反硝化性能。在天然类材料中,木质材料如木片、木屑等,具有易获
13、得、成本低、碳氮比高等优点,且这类材料在反硝化过程中,硝酸盐去除能力更持久,反硝化性能更好,比其他天然材料更适用于地下水硝酸盐污染的应用。表1部分天然材料及其反硝化性能进水硝酸盐浓度/反硝化速率/硝酸盐去除率/固相碳源mg/Ld9230.4520353.040.5017250.0350.75167102%6010099.70.256907590一9666一40100301002023年第4期2.3改性材料为降低成本和提高反硝化效果,学者们将天然有机碳源与人工合成材料进行混合,研发出改性复合材料,例如将PCL、PBS、PLA 与淀粉或竹粉混合,可制备出低成本环保型的复合材料,将淀粉和聚已内酯(P
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