基于固相反硝化同时去除地下水中硝酸盐与农药的新技术

现代集约化农业中化肥和农药的大量施用，往往使地下水受到硝酸盐与农药的双重污染。本项目立足于简单高效地去除地下水中超标的硝酸盐氮与农药残留，基于异养反硝化的基本原理，引入非水溶性固体物质作为微生物的碳源和生物膜载体（固相反硝化工艺），为反硝化脱氮提供一个稳定、易于维护的微生物生存环境，在实现硝酸盐高效去除的前提下，依靠固体碳源的吸附作用和微生物的降解作用，实现农药的同时去除。项目通过对不同固体碳源的物化结构与硝酸盐去除及农药吸附之间的关系研究，对适宜固体碳源的特点作出科学评估，为开发新型的水处理产品提供科学依据；研究固体碳源填充床反应器同时反硝化脱氮与去除农药的最佳反应条件；利用现代分子生物学手段（FISH、DGGE）对生物膜中微生物群落的结构功能进行解析，分离鉴定功能菌群，并结合反应中代谢产物的分析鉴定结果，对反应机理作出科学解释，为开发同时反硝化脱氮与去除农药的水处理新技术奠定科学基础。

本项目采用新型的固相反硝化工艺，去除地下水中的硝酸盐和农药。项目执行期内，课题组研究了不同固体碳源的反硝化效率，优化了固相反硝化的工艺参数，对不同固相反硝化系统中微生物群落结构的动态变化进行了系统分析，探索了固相反硝化同时去除硝酸盐与五氯酚的特性与机理。取得以下主要研究成果：.（1）PCL、PHBV、PHBV/PLA共混物等可生物降解聚合物作为碳源具有较高的反硝化速率，同时出中亚硝酸盐和DOC浓度较低，适于作为固体碳源进行地下水的反硝化脱氮。.（2）在低温条件下，通过调控HRT和进水硝酸盐浓度，可以很容易地实现固相反硝化反应器对硝酸盐的完全去除，为该工艺在低温环境下的应用奠定了实验基础。.（3）采用Box-Behnken试验设计，利用响应曲面法研究了反应器（PHBV为碳源）出水硝态氮浓度与进水硝态氮浓度、HRT和温度之间的关系，建立了以出水硝态氮浓度为响应值的二次多项式回归模型。该数学模型可以定量描述进水硝态氮浓度、HRT和温度对出水硝态氮浓度的影响，模型预测值与试验值能较好吻合。方差分析结果表明，进水硝态氮浓度、温度和HRT以及它们之间的交互作用对响应值均具有显著性影响（P＜0.05） 。.（4）利用PCR-DGGE技术证实固体碳源PLA/PHBV生物膜的主要微生物均为革兰氏阴性杆菌，包括Diaphorobacter、Acidovorax、Rubrivivax、Azospira、Thermomonas、Devosia几个属的菌株，它们都属于变形菌门（Proteobacteria）；PHBV为碳源的反硝化体系中，优势菌群除了变形菌门之外，还存在厚壁菌门（Firmicutes）的梭菌属（Clostridium）。.（5）分离获得了一株高效反硝化细菌SL-205，并鉴定为Diaphorobacter sp.。该菌株以PHBV为唯一碳源进行好氧反硝化时几乎不积累亚硝酸盐，作为接种物能加快反应器的启动，提高系统的脱氮效率，具有一定的工程应用潜力。.（6）利用玉米芯为碳源可以实现地下水中硝酸盐和五氯酚的同时去除，还原脱氯是固相反硝化条件下五氯酚的主要降解途径。.