凹凸棒石/纳米铁复合材料-微生物耦合去除地下水中硝酸盐研究

Groundwater is an important source of water in China，but nitrates are commonly found in groundwater. Elevated concentrations of these substances could pose a threat to both organisms in the water bodies and human health. Nano iron has a very high specific surface area and surface activity, and it can be directly injected into the contaminated sites. But its stability is poor, and when reacting with the nitrate, the major product ammonia could easily lead to secondary pollution. Palygorskite is a natural nano-materials with development of microporous channels and strong adsorption properties. To enhance the stability of the nanoscale iron, to prevent iron nano particles condensed into groups, and to increase specific surface area of the nano iron, this study will use palygorskite as carrier to prepare palygorskite / nano-iron composite material. The reaction of nano iron and nitrates produces large amounts of hydrogen. Therefore, to overcome the high proportion of ammonia in the product of denitrification and the lack of electron donor in biological denitrification，this study will couple palygorskite / nano-iron composite material. The coupling system provides hydrogen produced by reduction reaction to denitrifying bacteria for denitrification. The test will be carried out indoor using groundwater saturated zone model devices. The study can clarify the removal mechanism of Palygorskite / nano-iron - denitrifying bacteria coupled system for the remediation of nitrate in groundwater in theory, and can provide technical support for the governance of nitrate in groundwater in application.

地下水是我国重要的饮用水源之一，国内大部分地区地下水硝酸盐浓度超标，对人体健康造成不利影响。目前国内外将纳米铁用于水中硝酸盐污染的修复已取得一定研究成果，但纳米铁稳定性差，与硝酸盐的反应产物大部分为氨氮，易造成二次污染。异养型生物反硝化技术需要添加必要的营养物质，可能造成二次污染；自养型生物反硝化技术基本不会对水体造二次污染，但需要电子供体进行反硝化作用。 因此，本研究使用凹凸棒石/纳米铁复合材料，解决纳米铁稳定性差、容易凝聚成团的问题，从而增大纳米铁与硝酸盐接触的有效面积。通过将凹凸棒石/纳米铁复合材料与反硝化细菌耦合，以纳米铁与硝酸盐反应时产生的大量氢气作为电子供体，供给反硝化菌进行反硝化作用，解决脱硝产物中氨氮比例过高和生物反硝化缺少电子供体的问题。本研究旨在从理论上阐明凹凸棒石/纳米铁复合材料-反硝化菌耦合体系对地下水中硝酸盐的去除机理，在应用上为地下水硝酸盐的去除提供科学支撑。

地下水是我国重要的饮用水源之一，国内许多地区地下水硝酸盐浓度超标，对人体健康造成潜在威胁。纳米零价铁用于去除地下水中硝酸盐时效果较好，但稳定性差、对硝酸盐还原不彻底；制备凹凸棒石/纳米铁复合材料，可防止纳米铁颗粒成团，增加其稳定性。针对复合材料与硝酸盐反应时产生大量的H2和氨氮，考虑将复合材料与反硝化细菌耦合，使得反应产生的H2供给反硝化菌进行生物反硝化，解决脱硝产物中氨氮比例过高和生物反硝化缺少电子供体的问题。. 采用液相还原法制备改性凹凸棒土/纳米铁复合材料，考察了该复合材料的稳定性及其作用下“三氮”（NO3--N、NH4+-N、NO2--N）的变化情况，阐明了地下水环境因素（溶解氧（DO）、温度、光照等）对复合材料去除NO3--N的影响。模拟地下水环境时，三种材料去除NO3--N的反应活性顺序：复合材料>纳米铁>改性凹凸棒土，且复合材料作用下NH4+-N的转化率低，几乎无NO2--N生成。DO、温度对复合材料去除地下水NO3--N的影响较大；而光照和黑暗环境下，地下水中NO3--N的去除率及NH4+-N、NO2--N的生成量均无明显差异。. 模拟地下水环境考察改性凹凸棒土/纳米铁复合材料、反硝化细菌及其耦合体系对地下水NO3--N去除效果及脱氮产物的变化特征。结果显示，50mg改性凹凸棒土/纳米铁复合材料与50 mg/L的反应NO3--N反应，7d后NO3--N去除率为43.7%，其中63.6%的还原产物转化为NH4+-N，几乎无NO2--N生成，总氮去除率15.9%；反硝化细菌体系中，7d后NO3--N去除率仅为9.7%，其中NO2--N占4.1%，几乎无NH4+-N生成，总氮去除率5.3%；改性凹凸棒土/纳米铁复合材料-反硝化细菌耦合体系中，7d后NO3--N去除率为80.6%，其中NH4+-N占33.2%，NO2--N为12.1%，总氮去除率35.2%。因此，比较三种材料对NO3--N降解效果及产物分析，模拟地下水环境下，改性凹凸棒土/纳米铁复合材料-反硝化细菌耦合体系对NO3--N去除效果最好，总氮去除率高。. 研究成果可为NO3--N污染地下水工程修复提供理论依据和技术支撑，具有较好的学术价值及应用前景。