李 爽 詹 琪 任建新 馬會強(qiáng)

(遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順 113001)

堆肥物強(qiáng)化潛水含水層生物反硝化的性能及影響因素*

李 爽 詹 琪 任建新 馬會強(qiáng)#

(遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順 113001)

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

堆肥物購于遼寧省撫順市某花卉市場，暗褐色，pH為7.8(固液質(zhì)量比1∶10)，比表面積為1.38 m2/g，離子交換能力為55.6 cmol/kg，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31.2%±2.1%，篩后粒徑為0.15～0.45 mm，低溫(4.0±1.0) ℃保存。ZVI購于MERCK公司，純度97%，銀白色，粉末狀，325目。NaNO3、NaNO2和NH4Cl為優(yōu)級純。NaClO4純度大于98%，化學(xué)純。含水層介質(zhì)取自遼寧省撫順市遠(yuǎn)郊區(qū)某潛水含水層，破碎，篩后粒徑0.15～0.45 mm，低溫(4.0±1.0) ℃保存。

模擬地下水由去離子水配制，具體水質(zhì)指標(biāo)為：NaNO3152.3～457.0 mg/L；NaNO2<0.1 mg/L；NH4Cl<0.2 mg/L；DO 0.5～7.1 mg/L；NaHCO3376.4 mg/L；FeCl3·6H2O 0.6 mg/L；KH2PO496.5 mg/L；Na2C10H14N2Na2O8(Na2EDTA) 8.2 mg/L；MgCl2·6H2O 45.0 mg/L；MgSO4·7H2O 54.4 mg/L；CaCl2·6H2O 24.3 mg/L；NaCl 65.0 mg/L；Na2MoO4·2H2O 0.6 mg/L；CoCl2·6H2O 0.1 mg/L；ZnSO4·10H2O 0.1 mg/L；MnCl2·4H2O 0.8 mg/L；pH 7.3～8.5。試劑溶液由Milli-Q(Millipore)水配制。如未特殊說明，所有試劑均為分析純。

1.2 微生物培養(yǎng)與富集

1.3 實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)計

采集水樣前將玻璃瓶上下顛倒3次，靜置30 min；考察DO的影響時，采用N2曝氣(150 kPa下)驅(qū)除模擬地下水中部分DO；在考察強(qiáng)化生物反硝化能力及氮素變化規(guī)律時，設(shè)置對照組，向玻璃瓶中添加720 mL模擬地下水、80 mL去離子水和40.00 g含水層介質(zhì)，不添加堆肥物及菌液。

1.4 分析方法及儀器

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

ω=(C0-Ct)/C0×100%

(1)

反硝化速率計算方法如下：

φ=(C0-Ct)/t

(2)

式中：φ為反硝化速率，mg/(L·h)。

2 結(jié)果與討論

2.1 堆肥物強(qiáng)化生物反硝化的性能

表1 批實(shí)驗(yàn)設(shè)計

圖1 不同初始質(zhì)量濃度下堆肥物強(qiáng)化生物反硝化的性能Fig.1 Performance of compost-enhanced biological denitrification under different initial nitrate mass concentrations

(3)

2.2 強(qiáng)化生物反硝化過程中無機(jī)氮變化規(guī)律

圖2 堆肥物強(qiáng)化生物反硝化過程中不同初始質(zhì)量濃度下無機(jī)氮的變化Fig.2 Changes in inorganic nitrogens in compost-enhanced biological denitrification under different initial nitrate mass concentrations

(4)

2.3 溫度對強(qiáng)化生物反硝化的影響

水溫對以纖維素為碳源的生物反硝化的影響因碳源種類的不同而存在差異[22-23]。本研究中，接觸時間為36 h的反硝化速率隨著水溫的升高而升高(見圖3(a))： 15.0、21.0、32.0 ℃時的反硝化速率分別是10.0 ℃時的1.30、1.70、2.26倍。可見，水溫顯著影響堆肥物強(qiáng)化生物反硝化過程。水溫越高，堆肥物的有機(jī)碳鏈越易被破壞，反硝化菌體內(nèi)酶的活力越旺盛，從而越利于生化反應(yīng)。

圖3 水溫對堆肥物強(qiáng)化生物反硝化的影響(36 h)Fig.3 Effect of water temperature on the performance of compost-enhanced biological denitrification (36 h)

進(jìn)一步利用Arrhenius方程的變形式(見式(5))來描述水溫對堆肥物強(qiáng)化生物反硝化的影響。

lgφT=K(T-20.0)+ lgφ20.0

(5)

式中：φT為溫度為T時的反硝化速率，mg/(L·h)；K為溫度常數(shù)；T為水溫，℃；φ20.0為20.0 ℃時的反硝化速率，mg/(L·h)。

依據(jù)式(5)，以T-20.0為橫坐標(biāo)(x軸)、lgφT為縱坐標(biāo)(y軸)進(jìn)行作圖，利用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，進(jìn)而可得到溫度常數(shù)為0.015 8(見圖3(b))。該常數(shù)低于已有報道中的數(shù)值[24]，說明水溫更容易影響堆肥物強(qiáng)化生物反硝化過程。

2.4 DO對強(qiáng)化生物反硝化的影響

圖4 DO對堆肥物強(qiáng)化生物反硝化的影響Fig.4 Effect of DO on the performance of compost-enhanced biological denitrification

2C6H10O2+15O2→12CO2+10H2O

(6)

圖5 對堆肥物強(qiáng)化生物反硝化的影響(36 h)Fig.5 Effect of perchlorate on the performance of compost-enhanced biological denitrification (36 h)

2.6 ZVI對強(qiáng)化生物反硝化的影響

圖6 ZVI對堆肥物強(qiáng)化生物反硝化的影響Fig.6 Effect of ZVI on the performance of compost-enhanced biological denitrification

2Fe0+O2+2H2O→2Fe2++4OH-

(7)

(8)

(9)

(10)

Fe0+2H2O→H2+Fe2++2OH-

(11)

(12)

3 結(jié) 論

(2) 初期(接觸時間≤8 h)，亞硝酸鹽氮和氨氮生成量之和大體大于硝酸鹽氮減少量，堆肥物中有機(jī)氮可能轉(zhuǎn)化成了氨氮；當(dāng)接觸時間>12 h時，硝酸鹽氮減少量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于亞硝酸鹽氮和氨氮生成量之和，硝酸鹽氮絕大部分被異養(yǎng)反硝化菌轉(zhuǎn)化成了氣態(tài)氮。

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Performancesandinflucingfactorsofcompost-enhancedbiologicaldenitrificationinphreaticaquifers

LIShuang,ZHANQi,RENJianxin,MAHuiqiang.

(CollegeofChemistry,ChemicalEngineeringandEnvironmentalEngineering,LiaoningShihuaUniversity,FushunLiaoning113001)

李 爽，女，1982年生，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)榈叵滤廴拘迯?fù)。#

。

*國家自然科學(xué)基金資助項目(No.41202170、No.41372236)；遼寧省自然科學(xué)基金指導(dǎo)計劃項目(No.201602469)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.12.005

2017-03-12)