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(jì)

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(shí)，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(shí)，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(jì)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(jì)

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(shí)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(shí)的反硝化速率分別是10.0 ℃時(shí)的1.30、1.70、2.26倍?？梢?，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(shí)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(shí)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(bào)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(shí)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(shí)間>12 h時(shí)，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。

[1] FERNANDEZ NAVA Y,MARANON E,SOONS J,et al.Denitrification of high nitrate concentration wastewater using alternative carbon sources[J].Journal of Hazardous Materials,2010,173(1/2/3).

[2] OVEZ B,OZGEN S,YUKSEL M.Biological denitrification in drinking water usingGlycyrrhizaglabraandArundadonaxas the carbon source[J].Process Biochemistry,2006,41(7):1539-1544.

[3] 張大奕，李廣賀，王允，等．緩釋有機(jī)碳源材料釋碳模型與生物脫氮效應(yīng)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，49(9)：1507-1511．

[4] 張彥浩，鐘佛華，夏四清．利用氫自養(yǎng)反硝化菌處理硝酸鹽污染地下水的研究[J].水處理技術(shù)，2009，35(5)：75-78,104．

[5] 陸彩霞，顧平．氫自養(yǎng)反硝化去除飲用水中硝酸鹽的試驗(yàn)研究[J].環(huán)境科學(xué)，2008，29(3)：671-676．

[6] 王靜靜，任莉，郎建峰．反硝化脫氮固體碳源材料研究進(jìn)展[J].中國環(huán)境管理干部學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，22(6)：41-43．

[7] SALILING W B,WESTERMAN P W,LOSORDO T M.Wood chips and wheat straw as alternative biofilter media for denitrification reactors treating aquaculture and other wastewaters with high nitrate concentrations[J].Aquacultural Engineering,2007,37(3).

[8] 李樂樂，張衛(wèi)民，何江濤，等．玉米秸稈碳源釋放特征及反硝化效果[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2015，9(1)．

[9] 李國朝，張新華，陳捷，等．以玉米芯為碳源和生物膜載體的反硝化反應(yīng)器啟動性能研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39(10)：5994-5995,6003．

[10] 李華，周子明，劉青松，等．稻殼作為反硝化碳源在海水中的脫氮性能研究[J].工業(yè)水處理，2016，36(3)：58-61．

[11] 邵留，徐祖信，金偉，等．農(nóng)業(yè)廢物反硝化固體碳源的優(yōu)選[J].中國環(huán)境科學(xué)，2011，31(5)：748-754．

[12] 任玉銳，郭照冰．植物作為反硝化碳源[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2015，9(5)：2247-2252．

[13] 鄭麗銀，繆恒鋒，嚴(yán)群，等．用于地表水反硝化的纖維素碳源選擇研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2011，5(9)：1926-1932．

[14] 楊延梅，吳鵬宇．秸稈堆肥腐殖土PRB修復(fù)地下水硝酸鹽污染研究[J].水資源保護(hù)，2016，32(6)：93-97．

[15] 國家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會．水和廢水監(jiān)測分析方法[M].4版．北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2002．

[16] LIU F,HUANG G X,FALLOWFIELD H,et al.Study on heterotrophic-autotrophic denitrification permeable reactive barriers (HAD PRBs) for groundwater in situ remediation[M].Berlin:Springer Heidelberg New York Dordrecht London,2014.

[17] LEE J W,LEE K H,PARK K Y,et al.Hydrogenotrophic denitrification in a packed bed reactor:effects of hydrogen-to-water flow rate ratio[J].Bioresource Technology,2010,101(11):3940-3946.

[18] DELLA ROCCA C,BELGIORNO V,MERIC S.Cotton-supported heterotrophic denitrification of nitrate-rich drinking water with a sand filtration post-treatment[J].Water Sa,2005,31(2).

[19] DESIMONE L A,HOWES B L.Nitrogen transport and transformations in a shallow aquifer receiving wastewater discharge:a mass balance approach[J].Water Resources Research,1998,34(2):271-285.

[20] 朱明石，周少奇．厭氧氨氧化—反硝化協(xié)同脫氮研究[J].化工環(huán)保，2008，28(3)：214-217．

[21] SU C M,PULS R W.Nitrate reduction by zerovalent iron:effects of formate,oxalate,citrate,chloride,sulfate,borate,and phosphate[J].Environmental Science & Technology,2004,38(9):2715-2720.

[22] VOLOKITA M,ABELIOVICH A,SOARES M M.Denitrification of groundwater using cotton as energy source[J].Water Science & Technology,1996,34(1/2):379-385.

[23] VOLOKITA M,BELKIN S,ABELIOVICH A,et al.Biological denitrification of drinking water using newspaper[J].Water Research,1996,30(4):965-971.

[24] 徐亞同．pH值,溫度對反硝化的影響[J].中國環(huán)境科學(xué)，1994，14(4)：308-312．

[25] 王和才．無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009．

[26] 王蕊，劉菲，張?jiān)罚龋h(huán)境介質(zhì)中高氯酸鹽污染及微生物修復(fù)技術(shù)研究進(jìn)展[J].巖礦測試，2012，31(4)：689-698．

[27] 王蕊，劉菲，秦莉紅，等．高氯酸鹽在硝酸鹽還原條件下的厭氧生物降解[J].地球科學(xué)：中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，37(2)：307-312．

[28] DELLA ROCCA C,BELGIORNO V,MERIC S.An heterotrophic/autotrophic denitrifi-cation (HAD) approach for nitrate removal from drinking water[J].Process Biochemistry,2006,41(5).

[29] RODRIGUEZ MAROTO J M,GARCIA HERRUZO F,GARCIA RUBIO A,et al.Kinetics of the chemical reduction of nitrate by zero-valent iron[J].Chemosphere,2009,74(6):804-809.

[30] ALOWITZ M J,SCHERER M M.Kinetics of nitrate,nitrite,and Cr(Ⅵ)reduction by iron metal[J].Environmental Science & Technology,2002,36(3):299-306.

[31] TILL B A,WEATHERS L J,ALVAREZ P J.Fe(0)-supported autotrophic denitrifi-cation[J].Environmental Science & Technology,1998,32(5):634-639.

[32] KARANASIOS K A,VASILIADOU I A,PAVLOU S,et al.Hydrogenotrophic denitrifi-cation of potable water:a review[J].Journal of Hazardous Materials,2010,180(1/2/3):20-37.

[33] 高洪巖，孟凡生，王業(yè)耀．海綿狀零價(jià)鐵修復(fù)硝酸鹽污染地下水試驗(yàn)研究[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2014，39(8)：77-81．

[34] 劉琰，李劍超，趙英花，等．海綿鐵轉(zhuǎn)化地下水中硝酸鹽的試驗(yàn)研究[J].環(huán)境污染與防治，2012，34(11)：20-24．

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(xiàng)目(No.41202170、No.41372236)；遼寧省自然科學(xué)基金指導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目(No.201602469)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.12.005

2017-03-12)