堆肥物强化潜水含水层生物反硝化的性能及影响因素*

2017-12-25任建新马会强

环境污染与防治 2017年12期

关键词：硝酸盐碳源硝化

李爽詹琪任建新马会强

(辽宁石油化工大学化学化工与环境学部，辽宁抚顺 113001)

堆肥物强化潜水含水层生物反硝化的性能及影响因素*

李爽詹琪任建新马会强#

(辽宁石油化工大学化学化工与环境学部，辽宁抚顺 113001)

1 材料与方法

1.1 实验材料

堆肥物购于辽宁省抚顺市某花卉市场，暗褐色，pH为7.8(固液质量比1∶10)，比表面积为1.38 m2/g，离子交换能力为55.6 cmol/kg，有机碳质量分数为31.2%±2.1%，筛后粒径为0.15～0.45 mm，低温(4.0±1.0) ℃保存。ZVI购于MERCK公司，纯度97%，银白色，粉末状，325目。NaNO3、NaNO2和NH4Cl为优级纯。NaClO4纯度大于98%，化学纯。含水层介质取自辽宁省抚顺市远郊区某潜水含水层，破碎，筛后粒径0.15～0.45 mm，低温(4.0±1.0) ℃保存。

模拟地下水由去离子水配制，具体水质指标为：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。试剂溶液由Milli-Q(Millipore)水配制。如未特殊说明，所有试剂均为分析纯。

1.2 微生物培养与富集

1.3 实验方法及设计

采集水样前将玻璃瓶上下颠倒3次，静置30 min；考察DO的影响时，采用N2曝气(150 kPa下)驱除模拟地下水中部分DO；在考察强化生物反硝化能力及氮素变化规律时，设置对照组，向玻璃瓶中添加720 mL模拟地下水、80 mL去离子水和40.00 g含水层介质，不添加堆肥物及菌液。

1.4 分析方法及仪器

1.5 数据处理方法

ω=(C0-Ct)/C0×100%

(1)

反硝化速率计算方法如下：

φ=(C0-Ct)/t

(2)

式中：φ为反硝化速率，mg/(L·h)。

2 结果与讨论

2.1 堆肥物强化生物反硝化的性能

表1 批实验设计

图1 不同初始质量浓度下堆肥物强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 强化生物反硝化过程中无机氮变化规律

图2 堆肥物强化生物反硝化过程中不同初始质量浓度下无机氮的变化Fig.2 Changes in inorganic nitrogens in compost-enhanced biological denitrification under different initial nitrate mass concentrations

(4)

2.3 温度对强化生物反硝化的影响

水温对以纤维素为碳源的生物反硝化的影响因碳源种类的不同而存在差异[22-23]。本研究中，接触时间为36 h的反硝化速率随着水温的升高而升高(见图3(a))： 15.0、21.0、32.0 ℃时的反硝化速率分别是10.0 ℃时的1.30、1.70、2.26倍。可见，水温显著影响堆肥物强化生物反硝化过程。水温越高，堆肥物的有机碳链越易被破坏，反硝化菌体内酶的活力越旺盛，从而越利于生化反应。

图3 水温对堆肥物强化生物反硝化的影响(36 h)Fig.3 Effect of water temperature on the performance of compost-enhanced biological denitrification (36 h)

进一步利用Arrhenius方程的变形式(见式(5))来描述水温对堆肥物强化生物反硝化的影响。

lgφT=K(T-20.0)+ lgφ20.0

(5)

式中：φT为温度为T时的反硝化速率，mg/(L·h)；K为温度常数；T为水温，℃；φ20.0为20.0 ℃时的反硝化速率，mg/(L·h)。

依据式(5)，以T-20.0为横坐标(x轴)、lgφT为纵坐标(y轴)进行作图，利用最小二乘法进行线性拟合，进而可得到温度常数为0.015 8(见图3(b))。该常数低于已有报道中的数值[24]，说明水温更容易影响堆肥物强化生物反硝化过程。

2.4 DO对强化生物反硝化的影响

图4 DO对堆肥物强化生物反硝化的影响Fig.4 Effect of DO on the performance of compost-enhanced biological denitrification

2C6H10O2+15O2→12CO2+10H2O

(6)

图5 对堆肥物强化生物反硝化的影响(36 h)Fig.5 Effect of perchlorate on the performance of compost-enhanced biological denitrification (36 h)

2.6 ZVI对强化生物反硝化的影响

图6 ZVI对堆肥物强化生物反硝化的影响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 结论

(2) 初期(接触时间≤8 h)，亚硝酸盐氮和氨氮生成量之和大体大于硝酸盐氮减少量，堆肥物中有机氮可能转化成了氨氮；当接触时间>12 h时，硝酸盐氮减少量远远大于亚硝酸盐氮和氨氮生成量之和，硝酸盐氮绝大部分被异养反硝化菌转化成了气态氮。

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Performancesandinflucingfactorsofcompost-enhancedbiologicaldenitrificationinphreaticaquifers

LIShuang,ZHANQi,RENJianxin,MAHuiqiang.

(CollegeofChemistry,ChemicalEngineeringandEnvironmentalEngineering,LiaoningShihuaUniversity,FushunLiaoning113001)