用于地下水原位生物脱氮的缓释碳源材料性能研究

针对地下水原位生物脱氮时缺乏电子供体(碳源)导致反硝化受抑的问题,以淀粉为碳源原料,聚乙烯醇(PVA)为载体,α-淀粉酶为添加剂,采用共混技术制备GPVAS和GEPVAS两类反硝化原位反应格栅(PRB)缓释有机碳源(SOC)材料.扫描电镜和静态实验研究结果表明,材料内部形成淀粉分子填充的PVA网状骨架结构,释碳符合二级动力学过程,动力学参数平衡浓度(cm)和释放速率系数(k)可作为评价缓释碳源释碳能力的核心指标.材料配比和α-淀粉酶含量对材料性能影响显著,当淀粉/PVA=40/60时,材料cm和k值最低;cm值随酶含量增加显著升高,k值随酶含量增加先升高后降低,表明碳源释放速率可通过组分配比和酶添加剂含量进行有效控制,以适应不同地下水环境和硝酸盐污染程度,提高原位脱氮效率.

地下水氮污染原位修复缓释碳源材料的研发与物化-生境协同特性

地下水流速及物质间反应均处于缓慢状态,因此向地下水环境中投加的修复材料应具有缓释性.本研究针对浅层地下水特性及氮赋存特征,以农业废弃物和零价铁(Fe0)为基料,耦合生物、化学反应,开展具有物化-生境协同作用的缓释碳源材料的研发和性能研究.所研发材料具有内核和外壳双层结构.内核为修复基质层,由农业废弃物与Fe0等原料组成.其中,农业废弃物提供微生物所需碳源,Fe0还原水体中硝酸盐氮及DO,快速脱氮并促进厌氧环境形成.外壳为溶质运移渗透层,由原生矿物等组成,可包覆内核材料,减缓内核碳源释放、吸附二次污染物.材料物理测试显示,其内核均匀交联,外壳呈明显均匀孔隙结构(SEM),颗粒强度高达每颗80~105 N,具有良好的机械抗压性;材料密度最低可达1.1 g·cm^(-3),无水中漂浮现象;缓释实验表明,该材料具有良好的碳源缓释性,其总有机碳(TOC)释放量[Max:21~25 mg·(g·L)^(-1)]和速率[Max:0.185 mg·(g·L·d)^(-1)]始终呈现平稳状态,而农业废弃物释碳量[Max:53~75 mg·(g·L)^(-1)]及速率[Max:0.455mg·(g·L·d)^(-1)]波动较大.进一步功能基因丰度分析,材料浸出液有利于反硝化细菌代谢活动.脱氮和捕氧实验初期,该材料体系以Fe0化学脱氮为主,并降低水体DO,有利于反硝化进行;随后,生物反硝化占主导地位,材料脱氮率与其Fe0含量相关性变小,体系形成物化-生境协同脱氮途径.

缓释碳源复合材料的制备及其用于地下水硝酸盐污染修复的研究

针对地下水硝酸盐污染生物修复过程中外加碳源消耗快,不能长期持续提供有机碳源和作为微生物载体的问题,在对碳源原料和骨架原料遴选的基础上,将原料共混,采用双螺杆挤出机制备了5种缓释碳源复合材料HB20、HB40、HE40、HLE和HBE。并对其进行了静态、动态试验。结果表明,静态试验中,HB20和HB40的释碳能力一般,CODMn分别为5.42和12.83 mg/L。动态试验中,HE40的脱氮效果不佳,硝酸盐氮去除率在20%左右;HLE的硝酸盐氮去除率从开始阶段的57.9%下降到第30天的13.1%,脱氮持久力较差;HBE的反硝化效果最佳,可持续释放有机碳源,在运行的66 d里硝酸盐氮去除率始终在96.0%以上,是最适合作为地下水硝酸盐污染修复的碳源载体材料。