玉米秆碳源去除地下水硝酸盐

2017-03-15 08:06:31 17

  水资源是人类生存、发展不可或缺的重要部分,它关系着整个社会的发展与前进。地球上的淡水资源仅占全球水量的4.9%,其中地下水占淡水资源的30%。而我国以地下水为主要饮用水源的人口占总人口的70%[1]。近年来,随着我国工业化进程的推进,大量的生活污水和工业废水排放到水源中,使污染物浓度不断上升,通过渗滤作用导致地下水中污染物浓度升高。在我国,地下水硝酸盐污染已经相当严重,一些农村地区甚至超过了130mgNO-3-N/L[2]。目前,我国大约有3500万人在饮用受到硝酸盐污染的水,而且东北、西北、华北地区硝酸盐的污染已经十分严重[3]。饮用受到硝酸盐污染的地下水,会对人体的健康造成很大危害,如高铁血红蛋白症,癌症[4]等。为确保居民饮用水安全,世界卫生组织(WHO)规定了地下水饮用标准为10mgNO-3-N/L,我国规定饮用地下水源的Ⅲ类标准为20mgNO-3-N/L(GB/T14848-93)。

  目前,国内外治理地下水硝酸盐污染的技术主要有异位修复技术和原位修复技术[5,6],由于原位修复技术具有处理费用低廉,污染物暴露率低,环境扰动性小等优点,已经成为一种很有前景的地下水污染修复技术,其中可渗透反应墙技术(permeablereactivebarrier,PRB)[7]应用最为广泛。在PRB技术中,生物反硝化技术由于其经济高效的特点,越来越受到人们的青睐[8]。但是地下水中的有机碳含量较低,不足以支持生物反硝化的进行,所以需要在反硝化过程中投加外部碳源。目前,常用的碳源主要有液相碳源和固相碳源2种。液相碳源主要有乙醇、乙酸钠、甲醇等[9-11]。但是,液相碳源具有不可控性,易造成二次污染,而且其后期的运行和维护也比较困难。因此,近年来固相碳源反硝化技术渐进入人们的视野,固相碳源既可作为生物反硝化的电子供体,也可作为微生物的载体,而且固相碳源可控性好,利于系统后期的稳定运行。固相碳源主要有棉花、纸、可生物降解的聚合物、玉米芯等[12-15]。由于我国是一个农业大国,每年的农业废弃物产量很高,而一部分农业废弃物可作为固相碳源使用,这样既减少了对环境的危害,又可充分利用农业废弃物的剩余价值。

  本研究采用3%氢氧化钠溶液和4%氨水预处理的玉米秆和玉米芯作为碳源,以未处理的玉米秆和玉米芯作为对照,分析其释碳性能和在不同氮负荷下的脱氮效果,优选出合适的碳源,进行地下水原位净化模拟实验,以期为生物反硝化工艺在原位修复工程的实际应用中提供技术参考。

  1 材料和方法

  1.1 实验材料

  (1)碳源。本实验在天津蓟县农村进行,玉米秆和玉米芯均取自当地农户农田,为当年成熟植株,品种为华农118号。玉米秆取用整株玉米秆的中间部位,玉米芯取用去除玉米粒后的整个玉米芯。玉米秆和玉米芯在使用前去除枯叶,茎秆剪成2~3cm长的小段,分别用3%氢氧化钠溶液和4%氨水浸泡24h,然后用流水冲洗干净,使其不残留NaOH和氨。本文中,未处理的玉米秆和玉米芯简称为玉米秆和玉米芯,用氢氧化钠溶液预处理过的玉米秆和玉米芯简称为NaOH玉米秆和NaOH玉米芯,用氨水预处理过的玉米秆和玉米芯简称为氨水玉米秆和氨水玉米芯。

  (2)实验用水。静态实验用水由KNO3、K2HPO4 和KH2PO4 配置而成,使N/P为6∶1,K2HPO4 和KH2PO4 作为pH缓冲剂,使pH保持在7.0左右,地下水原位净化模拟实验用水抽取自天津蓟县的地下水。

  (3)接种污泥。实验所用的接种污泥取自北京清河污水处理厂,然后对接种污泥进行反硝化菌富集培养一个月,每3d换一次培养液。培养液主要成分为C6H12 O6 0.1562 g/L;KNO3 0.37 g/L;KH2PO40.044g/L;CH3OH320μL/L。污泥富集培养后,污泥浓度(MLSS)和污泥容积指数(SVI)分别为2817mg/L和102mL/g。

  1.2 实验装置

  静态释放实验和反硝化实验的反应器均为500mL的锥形瓶,瓶口用橡胶塞密封,橡胶塞上打有排气孔和取样孔。

  地下水原位净化模拟实验装置见图1。该模拟装置由配水池、蠕动泵、进水槽、含水层介质、PRB反应墙、出水槽、循环水槽等组成。模拟装置为长方体,长×宽×高为160cm×40cm×50cm,由玻璃钢制成。整个模拟装置通过蠕动泵来调节进水量。在整个装置的外面有一层循环水槽,该水槽中的水是直接抽取地下水,循环保温,以确保模拟实验槽温度与地下水温度相一致。


  1.3 实验方法

  1.3.1 静态释放实验

  CODMn静态释放实验:分别取玉米秆、NaOH玉米秆、氨水玉米秆、玉米芯、NaOH玉米芯、氨水玉米芯5g(干重),放入到6个500mL的锥形瓶,每个锥形瓶加入500mL的去离子水,放置在20℃的培养箱中,每隔2d取样测定CODMn、pH并重新换水,考察其碳释放特性。

  氮静态释放实验:与CODMn静态释放实验相同的装置,每隔3d取样测定NO-3 N、NO-2-N、NH+4-N、pH,不重新换水,分析其释放氮污染物的特性。

  1.3.2 反硝化静态实验

  分别取玉米杆、NaOH玉米杆、氨水玉米杆、玉米芯、NaOH玉米芯、氨水玉米芯5g(干重),放入到6个500mL的锥形瓶,每个锥形瓶加入450mL的去离子水和20mL接种污泥,放置在20℃的培养箱中,每天取样测定NO-3-N、NO-2-N、NH+4-N、pH。根究我国地下水硝酸盐污染程度不同,静态反硝化实验共做3组,分为低、中、高污染浓度进行实验,相对应的将硝酸盐起始浓度分别设置为30、80和150mg/L。每组实验设置一个平行实验,将实验结果进行统计学分析,得出各平行实验数据的偏差均小于1.5mg/L,故取平行实验的算数平均值进行分析。具体参见污水技术资料更多相关技术文档。

  1.3.3 地下水原位模拟实验将250g(干重)NaOH玉米秆和150mL接种污泥放置在PRB反应墙中,含水层介质使用孔隙率为35%的沙子填充。实验开始前,先用自来水对整个实验装置预冲洗5h,以消除沙子本身的影响。通过抽水泵将地下水抽取到地面配水池中,然后添加KNO3 配制成30mgNO-3-N/L的实验用水。用水泵向循环水槽中注入地下水,保证整个模拟装置与地下水的温度相一致。

  本实验,首先考察了静态条件下的硝酸盐去除效果。实验时,将实验用水加注至砂滤层顶面。每3d取样测定NO-3-N、NO-2-N、NH+4-N、CODMn、TN、pH、DO。
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