自養(yǎng)異養(yǎng)反硝化協(xié)同修復(fù)地下水硝酸鹽氮污染的研究.pdf

1、目前，地下水硝酸鹽氮的污染已嚴(yán)重影響到世界上眾多國(guó)家和地區(qū)人們的生活，我國(guó)是工農(nóng)業(yè)大國(guó)，且正處在快速發(fā)展的發(fā)展中國(guó)家階段，我國(guó)的硝酸鹽污染尤其嚴(yán)重，受硝酸鹽污染的水體不僅會(huì)危害人類(lèi)的健康，誘發(fā)癌癥，同時(shí)制約著我國(guó)工農(nóng)業(yè)的發(fā)展。生物反硝化法是相比物理化學(xué)法更加經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的方法，但是，不足的有機(jī)碳源一直是限制我國(guó)異養(yǎng)反硝化的脫氮效果的。針對(duì)此問(wèn)題，本研究從以下兩方面解決：一是利用秸稈、聚乙烯醇（PVA）、纖維素酶等原材料制備出一種具有緩釋功

2、能的新型碳材料，并研究了其抗壓性能、結(jié)構(gòu)性能和釋碳性能；二是建立了電極生物膜反應(yīng)器，并向反應(yīng)器中投加上述釋碳材料，使其形成自養(yǎng)異養(yǎng)協(xié)同修復(fù)受硝酸鹽污染的地下水。
　　本研究以秸稈、聚乙烯醇（PVA）、五種淀粉酶為原料，按正交試驗(yàn)把原材料按不同配比分為5組，采用凝膠成型法工藝，經(jīng)過(guò)預(yù)處理、溶液共混、注入模具、冷凍成型四個(gè)階段，共制備出了5組28種釋碳材料。使用微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)材料進(jìn)行力學(xué)測(cè)試，結(jié)果表明釋碳材料中秸稈與PVA能

3、夠較好的混合，抗壓性能約為1066.67KN/m2，能夠滿足地下水中對(duì)材料的壓力，且PVA含量越高，抗壓性越強(qiáng)；以掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)材料表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)果表明PVA作為骨架材料把秸稈包裹成固定的形狀，兩種物質(zhì)的相容性良好，并且隨著兩種物質(zhì)含量的變化，材料的表面結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出一種逐漸變化的趨勢(shì)；秸稈含量越高，材料的釋碳量越高，且當(dāng)材料添加劑為纖維素酶時(shí)，材料釋碳性能最好。通過(guò)材料配比的正交試驗(yàn)表得出在制備釋碳材料過(guò)程中，對(duì)釋碳量

4、的影響程度為秸稈：PVA>添加劑>添加劑量；通過(guò)對(duì)常溫下釋碳材料的靜態(tài)釋放數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，最終得到該材料釋碳的動(dòng)力學(xué)公式為（此處公式省略），k值越高，M材料釋碳性能越好。
　　本研究的自養(yǎng)反應(yīng)階段結(jié)果表明：NO3ˉ-N去除率隨著電流強(qiáng)度增大是先升高后降低。當(dāng)電流在150mA時(shí)，NO3ˉ-N去除率達(dá)到最大，去除率為27.5％，脫氮效果最佳；不同進(jìn)水濃度對(duì)反硝化脫氮效果有一定的影響，試驗(yàn)過(guò)程中，隨著進(jìn)水NO3ˉ-N濃度的提高，NO3ˉ-

5、N去除率下降，且NO2ˉ-N濃度也相應(yīng)增加。當(dāng)進(jìn)水濃度超過(guò)30mg/L時(shí)，脫氮率迅速下降；水力停留時(shí)間對(duì)反硝化影響明顯，在一定范圍內(nèi)，HRT越長(zhǎng)，NO3ˉ-N去除率越高，NO2ˉ-N積累減少。但是從經(jīng)濟(jì)方面考慮，確定12h為自養(yǎng)階段最佳水力停留時(shí)間。
　　自養(yǎng)異養(yǎng)協(xié)同反應(yīng)階段結(jié)果如下：水力停留時(shí)間過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)都會(huì)限制反應(yīng)器NO3ˉ-N的去除效果，且水力停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成NO2ˉ-N的積累。在HRT為8h時(shí)，NO3ˉ-N的去除率最高，

6、可達(dá)98.8%；由于受到產(chǎn)氫不足或“氫抑制現(xiàn)象”的作用，電流過(guò)大或過(guò)小都會(huì)使NO3ˉ-N的去除效果不佳和產(chǎn)生NO2ˉ-N的積累現(xiàn)象。在處理模擬地下水試驗(yàn)時(shí)，50mA的電流強(qiáng)度是最理想，此時(shí)的NO3ˉ-N去除率為90%，且無(wú)明顯NO2ˉ-N的積累現(xiàn)象；溫度是通過(guò)影響反應(yīng)器中反硝化菌來(lái)影響反硝化效果的，溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響菌內(nèi)酶的活性，繼而影響NO3ˉ-N的去除率以及NO2ˉ-N的積累，考慮到經(jīng)濟(jì)成本及出水質(zhì)量，本試驗(yàn)將溫度設(shè)為30℃，此

7、時(shí)的去除率為84.3%；隨著進(jìn)水濃度的增大NO3ˉ-N的去除率緩慢減小，且逐漸產(chǎn)生NO2ˉ-N的積累現(xiàn)象，試驗(yàn)NO3ˉ-N初始濃度為30mg/L。
　　對(duì)取自復(fù)合系統(tǒng)的兩個(gè)樣品進(jìn)行高通量測(cè)序，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)樣品測(cè)序結(jié)果中的Coverage指數(shù)都在0.999以上，測(cè)序結(jié)果真實(shí)。由Shannon和Simpson指數(shù)值可知自養(yǎng)異養(yǎng)的反硝化菌種沒(méi)有單純的異養(yǎng)反硝化菌種多樣性豐富。自養(yǎng)異養(yǎng)接觸面的碳材料樣品中檢測(cè)到12個(gè)菌門(mén)，其中變形菌門(mén)（Pro

8、teobacteria）所占比重最大，在樣品中的豐度為98%，樣品中的第二大優(yōu)勢(shì)菌門(mén)是擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes），在樣品中所占比例為1.06%。樣品中假單胞菌科（Pseudomonadaceae）和鞘脂單胞菌科（Sphingomonadaceae）為主要優(yōu)勢(shì)菌科，所占比重分別為48.08%和22.7%。假單胞菌屬（Pseudomonas）在屬類(lèi)中的豐度值最大，可達(dá)37.4%，其是比較普遍的一種反硝化菌屬。樣品中的第二大菌屬為