劉志騰，陳余道，蔣亞萍

(桂林理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 ，廣西 桂林541000)

硝酸鹽已經(jīng)成為我國(guó)農(nóng)村地區(qū)家庭自備地下水水源中主要的污染物。由于農(nóng)業(yè)化肥過量施用、以及農(nóng)村垃圾、養(yǎng)殖業(yè)廢棄物和生活污水的不合理處置，農(nóng)村地下水遭受硝酸鹽污染十分普遍[1]。地下飲用水中硝酸鹽濃度的提高會(huì)對(duì)人類健康產(chǎn)生危害，能引起高鐵血紅蛋白癥，導(dǎo)致兒童患白血病的幾率增加[2-5]。

地下水中硝酸鹽的去除一直是研究者關(guān)注點(diǎn)之一，迄今研究成果中提出的去除方法很多，主要包括原位生物脫氮法[6]和反應(yīng)器生物脫氮法[7-8]，以及一些物化方法[9]，其中生物反硝化技術(shù)因其高效、易于管理與操作、費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)而廣受關(guān)注[10]，反硝化過程中所需的碳源可分為固態(tài)[11]與液態(tài)碳源[12]。一些研究者認(rèn)為，乙醇是一種可選擇的碳源，尤其在應(yīng)用于異位修復(fù)過程[13-14]。乙醇來源廣泛，比如工業(yè)酒精，食用酒料。從含乙醇成分講，農(nóng)村作坊或家庭自釀的米酒也應(yīng)該是可以利用的碳源，如是則碳源的來源、成本與使用則變得很方便，也更為農(nóng)村家庭接受。為此，本文從實(shí)用角度出發(fā)，擬利用農(nóng)村米酒作為生物反硝化過程的碳源，通過促進(jìn)微生物作用去除硝酸鹽，目的是研究該技術(shù)的效果與使用可行性。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置與設(shè)置

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，由2個(gè)200 L規(guī)格一樣的聚乙烯(LLDPE)桶組成，桶身直徑550 mm，桶高880 mm。上進(jìn)水桶—“反應(yīng)桶”，從上而下，依次裝填粒徑小于2 mm的沙子和粒徑大于2 mm的石礫，并在沙桶的底部出水處裝紗網(wǎng)。水經(jīng)上面的“反應(yīng)桶”，流入裝有石礫的“儲(chǔ)存桶”中。

水通過蠕動(dòng)泵從上面進(jìn)入，水龍頭控制出水。其中“反應(yīng)桶”為微生物進(jìn)行反硝化提供場(chǎng)所和環(huán)境，“儲(chǔ)存桶”用于蓄水和再次過濾。本次實(shí)驗(yàn)為辨別沙子質(zhì)量對(duì)反硝化的影響，兩組不同質(zhì)量的沙子(1#桶裝有156 kg沙子和40 kg石礫、2#桶裝有136 kg和40 kg石礫)同時(shí)進(jìn)行，其中1#和3#，2#和4#桶各為一組。。

為滿足不同家庭的用水需求，本次試驗(yàn)分為24 L/d(0～39 d)和41 L/d(102～161 d)兩種不同的流速。試驗(yàn)前期，向沙桶中持續(xù)抽注由硝酸鹽和地下水配制的溶液，使沙桶中的硝酸鹽濃度和進(jìn)水的硝酸鹽濃度基本一致。同時(shí)調(diào)節(jié)水龍頭，保證進(jìn)水和出水平衡，使1#和2#中水沙體積比均為1.12(1#和2#桶的蓄水量分別為94 L和62 L)。在第30天開始，乙醇作為碳源添加到溶液中。

沙桶中的砂料來自建筑用沙，經(jīng)過篩選分為粒徑小于2mm沙子和大于2mm石礫。實(shí)驗(yàn)所用地下水取自實(shí)驗(yàn)室附近的井水，其物理化學(xué)性質(zhì)如下:DO 7.6 mg/L，pH 8.2，NO3-3.9 mg/L，NO2-0 mg/L，CH3COO-0.2 mg/L。進(jìn)水硝酸鹽濃度參照桂林市潭下鎮(zhèn)黃柏村的地下水檢測(cè)結(jié)果，配制為50～60 mg/L。實(shí)驗(yàn)進(jìn)程及進(jìn)水的物理化學(xué)特征如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)進(jìn)程及進(jìn)水物理化學(xué)性質(zhì)

1.2 取樣與分析

在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)開始反應(yīng)階段，每天固定時(shí)間取樣分析，實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定后，取樣間隔增至兩天一次。沙桶的出水水樣，用離子色譜儀分析檢測(cè)NO3-，NO2-，CH3COO-濃度;用氣相色譜儀檢測(cè)乙醇濃度。分析方法參考文獻(xiàn)陳余道等(2014)[15]。

2 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了153 d，結(jié)果表明，米酒和工業(yè)乙醇一樣，都能被反硝化菌利用，達(dá)到去除硝酸鹽的效果。乙醇作為碳源被消耗的同時(shí)，易生成中間產(chǎn)物亞硝酸鹽、乙酸鹽，而在不同C/N質(zhì)量比下，亞硝酸鹽、乙酸鹽的濃度也有差異。反硝化作用將硝酸鹽還原為氮?dú)?，一般?jīng)歷由NO3-—NO2-—N2O—N2的過程[16]。

2.1 C/N質(zhì)量比對(duì)反硝化的影響

用實(shí)驗(yàn)室附近的地下水配制硝酸鹽溶液，其平均濃度為62.8 mg/L(圖2)。為驗(yàn)證米酒和工業(yè)乙醇一樣，能被反硝化菌利用，先后用工業(yè)乙醇和米酒作為碳源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

初期(30～38，102～109 d)以工業(yè)乙醇為碳源(平均濃度為54.3 mg/L)，后期(110～153 d)用農(nóng)村自釀米酒替代，分三種不同平均濃度24.1、11.9、61.6 mg/L進(jìn)行反硝化實(shí)驗(yàn)。其中農(nóng)村自釀米酒乙醇濃度大約為30%(體積比)。

在添加工業(yè)乙醇(30～38 d)之前，1#和2#桶出水硝酸鹽濃度和進(jìn)水硝酸鹽濃度保持相同變化趨勢(shì)。在第30 d，開始添加工業(yè)乙醇，進(jìn)水的C/N質(zhì)量比為1.99，3～4 d后，1#和2#桶出水硝酸鹽開始直線下降至1 mg/L以下，此后保持低濃度，硝酸鹽去除率達(dá)到99%(圖3)。實(shí)驗(yàn)靜置64天后，在102～109 d，保持進(jìn)水的C/N質(zhì)量比不變，增大進(jìn)水流速至41 L/d。出水硝酸鹽濃度仍保持低濃度(1 mg/L以下)，硝酸鹽去除率達(dá)99%。對(duì)比兩組不同流速的實(shí)驗(yàn)可以看出，在24～41 L/d范圍內(nèi)時(shí)，適當(dāng)?shù)脑黾恿魉俨粫?huì)影響硝酸鹽的去除。

圖3 1#和2#桶硝酸鹽的去除率

保持流速不變(41 L/d)，用農(nóng)村自釀米酒代替工業(yè)乙醇(110～153 d)。進(jìn)水的C/N質(zhì)量比為0.89(110～119 d)，1#和2#桶出水硝酸鹽濃度持續(xù)保持低濃度，硝酸鹽去除率達(dá)99%(圖3)。在129～138 d，進(jìn)水的C/N質(zhì)量比降至0.43，出水硝酸鹽濃度開始直線上升至38 mg/L，并在這個(gè)濃度平臺(tái)趨于穩(wěn)定，硝酸鹽去除率約為45%。在142～153 d，增大進(jìn)水的C/N質(zhì)量比至2.17，出水硝酸鹽直線下降至0.3 mg/L，并趨于平穩(wěn)，硝酸鹽去除率達(dá)到99%。

由此可見，農(nóng)村自釀米酒和工業(yè)乙醇一樣，對(duì)硝酸鹽都有很好的去除效果。當(dāng)進(jìn)水的C/N質(zhì)量比大于0.89小于1.99時(shí)，硝酸鹽去除率達(dá)到99%，且米酒作為液體碳源，本身可以飲用，不易造成二次污染。且米酒作為碳源被添加時(shí)，1#和2#桶出水未檢測(cè)到乙醇含量。

2.2 C/N質(zhì)量比對(duì)亞硝酸鹽含量的影響

圖4 1#和2#桶出水亞硝酸鹽濃度變化過程

在生物反硝化過程中，容易生成中間產(chǎn)物亞硝酸鹽，而引起二次污染，而亞硝酸鹽濃度過高時(shí)容易致癌。Her and Huang.[17]認(rèn)為碳源不足時(shí)可能生成濃度較高的亞硝酸鹽。本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)水中沒有檢測(cè)到亞硝酸鹽，而添加碳源之后，在1#和2#桶出水中有亞硝酸鹽的存在，可見不同C/N質(zhì)量比對(duì)亞硝酸鹽的積累量有影響(圖4)。當(dāng)工業(yè)乙醇作為碳源被添加，C/N質(zhì)量比為1.99時(shí)，出水中檢測(cè)到濃度較低的亞硝酸鹽，但是很快消失，這與 Gómez et al.(2000)[18]研究中的乙醇為碳源時(shí)，不會(huì)積累亞硝酸鹽相吻合。

用米酒代替工業(yè)乙醇，當(dāng)進(jìn)水C/N質(zhì)量比0.89和0.43時(shí)，1#和2#桶出水檢測(cè)出較高濃度的亞硝酸鹽。而當(dāng)進(jìn)水C/N質(zhì)量比增至2.17時(shí)，出水亞硝酸鹽直線下降至零，此后未檢測(cè)到亞硝酸鹽。由此可見，亞硝酸鹽的積累與工業(yè)乙醇和米酒的這兩種碳源的類別無(wú)關(guān)，與C/N質(zhì)量比有關(guān)。當(dāng)C/N質(zhì)量比小于0.89時(shí)，易生成較高濃度的亞硝酸鹽，當(dāng)C/N質(zhì)量比大于1.99時(shí)，不會(huì)積累亞硝酸鹽。

2.3 C/N質(zhì)量比對(duì)乙酸鹽含量的影響

圖5 1#和2#桶出水乙酸鹽濃度變化過程

乙酸鹽和亞硝酸鹽一樣，是反硝化過程中的中間產(chǎn)物，實(shí)驗(yàn)所用地下水中含有少量乙酸鹽，其平均濃度約為0.2 mg/L。乙酸鹽本身沒有毒性，但乙酸鹽本身作為碳源易被微生物所利用，此外較高濃度的乙酸鹽會(huì)影響硝酸鹽和銨根去除[19]，引起水體中有機(jī)質(zhì)富余。因此，應(yīng)盡可能的控制出水乙酸鹽的濃度。

在添加工業(yè)乙醇后，C/N質(zhì)量比為1.99，1#和2#桶出水中檢測(cè)到濃度較高的乙酸鹽，且不容易消耗(圖5)。而當(dāng)米酒代替工業(yè)乙醇之后，C/N質(zhì)量比降至0.89和0.43時(shí)，乙酸鹽濃度直線下降至1 mg/L以下，并保持低溶度。而C/N質(zhì)量比增至2.17時(shí)，乙酸鹽又快速積累。在153 d，停止添加米酒，乙酸鹽被快速消耗。由此可見，當(dāng)碳源相對(duì)充足時(shí)，易造成乙酸鹽的積累，當(dāng)碳源不足時(shí)，桶中所積累的乙酸鹽將作為新碳源而被利用。

2.4 C/N質(zhì)量比對(duì)DO含量的影響

生物利用乙醇反硝化作用的實(shí)質(zhì)是硝酸鹽被某些微生物用作電子受體，并最終還原為氮?dú)獾倪^程，可用下面兩個(gè)公式(1)、(2)表示:

在反硝化過程中，作為電子受體，硝酸鹽次于DO。地下水具有較強(qiáng)的溶氧能力，實(shí)驗(yàn)進(jìn)水的DO濃度一直在7.4～8.2 mg/L之間變化，未添加工業(yè)乙醇之前，出水的DO值略微有所下降，但是出水硝酸鹽濃度并未降低，說明桶中并未進(jìn)行反硝化過程。在添加工業(yè)乙醇(第30 d)之后，進(jìn)水C/N質(zhì)量比為1.99，1#(6.9～4.4 mg/L)和2#(6.8～2.5 mg/L)桶出水DO值有所下降，且DO值為5～6 mg/L時(shí)，反硝化作用依然能夠進(jìn)行，1#和2#桶出水硝酸鹽的去除率達(dá)99%。而當(dāng)米酒代替工業(yè)乙醇，進(jìn)水C/N質(zhì)量比降至0.89和0.43時(shí)，1#和2#桶出水DO值略有上升(圖6)。而當(dāng)進(jìn)水C/N質(zhì)量比增至2.17時(shí)，1#和2#出水DO值又開始下降。由此可見，出水DO值與C/N質(zhì)量比有一定影響，但溶解氧對(duì)反硝化的約束不是很大，這與反硝化菌是兼性細(xì)菌，既可進(jìn)行有氧呼吸，也可進(jìn)行無(wú)氧呼吸有關(guān)。

圖6 1#和2#桶出水DO濃度變化過程

圖7 1#和2#桶出水pH變化過程

2.5 C/N質(zhì)量比對(duì)pH的影響

從公式(1)、(2)可以看出，反硝化過程中，常常產(chǎn)生堿性物質(zhì)使出水的pH值升高。但從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出(圖7)，進(jìn)水C/N質(zhì)量比對(duì)1#和2#桶出水pH值影響不大。出水pH值小于進(jìn)水的pH值，相對(duì)于進(jìn)水的pH值，大約降低了0.3個(gè)單位。這與棉花[20]、紙[21]反硝化實(shí)驗(yàn)過程中的結(jié)果是相似的，1#和2#桶的出水 pH值下降的原因，除了反硝化過程中生成堿性物質(zhì)以外，有機(jī)碳源還會(huì)通過其他的生物化學(xué)反應(yīng)，生成有機(jī)酸，中和反硝化過程中生成的堿性物質(zhì)，致使pH值下降[22]。出水的pH值始終在7.5～8.5之間，符合國(guó)家飲用水標(biāo)準(zhǔn)值6～9的要求。

3 結(jié)語(yǔ)

通過本次實(shí)驗(yàn)可以知道，利用農(nóng)村自釀米酒作為碳源去除地下水中硝酸鹽是可行的。

(1)米酒來源安全便利，添加量少，這使得農(nóng)村家庭自我修復(fù)抽取的地下水水源成為可能。

(2)此次反硝化實(shí)驗(yàn)中，沙子為載體，利用米酒作為碳源，對(duì)硝酸鹽有很好的去除效果，且米酒本身可以飲用，不易造成二次污染。

(3)當(dāng)進(jìn)水C/N質(zhì)量比大于0.89小于1.99時(shí)，硝酸鹽去除率達(dá)99%，且亞硝酸鹽和乙酸鹽積累較少。

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