地下水硝酸盐污染的生物强化吸附去除技术原理

Faced with the serious problem of groundwater pollution by nitrate, this research aims at the efficient removal of nitrate by the permeable reactive barrier., A series of adsorbents for nitrate removal will be prepared though systematically research on the effects of recipes and preparation conditions on adsorbents structure. The bio-enhanced adsorption behavior of nitrate is investigrated through static experiment, dynamic column and sand-trough experiment. The influences of the matrix, surface property of adsorbents are discussed. Combined with the analysis of microbial community, diversity and its metabolic products, this research intends to reveal the bio-enhanced adsorption mechanism. The carbon source, material proportion of permeable reactive barrier, and the operating conditions are investigated and optimized by considering biological activity and nitrate removal performance. On this basis, this research will establish an efficient bio-enhanced adsorption process for nitrate removal, and the results will provides both the theoretical and technological supports for nitrate removal from groundwater.

本课题围绕地下水中硝酸盐污染问题，针对离子交换法去除硝酸盐存在的再生问题，系统研究配方组成和工艺条件对吸附剂结构的影响，制备系列除硝酸盐吸附剂；模拟可渗透反应墙结构，通过静态实验、动态柱实验和沙槽实验，考察系列除硝酸盐吸附剂的生物强化吸附行为，探讨吸附剂基质结构、表面性质等对硝酸盐生物强化吸附去除的影响。同时结合微生物代谢产物及生物群落、多样性分析，揭示吸附剂的生物强化吸附机制。综合微生物活性和硝酸盐去除性能，对碳源、填料比例、操作条件等进行系统考察和优化，形成硝酸盐的生物强化吸附去除工艺，为我国地下水中硝酸盐的去除提供理论依据和技术支撑。

地下水是水资源的重要组成部分，在中国、澳大利亚、欧洲、南美洲和北美洲等均已发现地下水硝酸盐污染，其浓度最高可达180 mg/L，地下水硝酸盐污染已成为世界性难题。离子交换法是美国EPA推荐的地下水硝酸盐去除方法，具有较高的选择去除效率和较为成熟的应用经验。基于吸附材料的地下水原位修复，吸附饱和后的吸附剂，或取出再生，增加施工难度和运行成本；或贮存于PRB墙体中相当于“危废填埋”，存在次生环境风险。因此，如何实现吸附材料的重复利用，是降低地下水污染离子交换修复技术应用成本和增强应用安全性的关键问题。.本课题针对地下水硝酸盐污染的突出问题，以硝酸盐（NO3-）为目标污染物，制备对硝酸盐具有高选择性的除硝酸盐树脂，通过吸附行为和生物再生行为的研究，揭示生物再生过程由离子交换吸附、静电脱附和反硝化降解三个过程同时进行，其中反硝化降解是硝酸盐去除的限速步骤。优化生物再生条件，实现饱和树脂的完全再生，避免树脂吸附去除硝酸盐时高盐脱附液的问题。复杂溶液条件下的吸附和生物强化去除研究表明，生物强化去除能够将树脂材料的使用周期延长一倍以上。通过对比分析微生物培养液和生物强化体系中的微生物组成发现，假单胞菌属是生物强化体系的优势菌种，是生物再生反硝化过程的重要角色。生物再生前后溶液中微生物菌属变化不大，说明除硝酸盐树脂对反硝化细菌没有明显的抑制作用，进一步证实了生物强化去除技术在地下水硝酸盐污染去除中的可行性。.本研究揭示了吸附剂结构和溶液理化性质对生物强化去除的影响机制，构建了地下水硝酸盐的生物强化去除技术原理，形成了可用于地下水硝酸盐去除的生物强化吸附技术工艺，为我国地下水中硝酸盐污染的修复治理提供了技术储备。