地下水硝酸盐污染生物与非生物燃料电池原位修复技术

通过典型区域地下水硝酸盐污染及水文地质调查，结合试验柱模拟实验，研究硝酸盐在包气带与饱和带的迁移转化规律，掌握地下水硝酸盐分布特点和转化归趋机制。构建用于硝酸盐去除的微生物燃料电池（MFC）与非生物燃料电池（SFC），研究电极材料与布置方式、盐桥组分与规格、温度、pH值、总溶解固体（TDS）、氧化还原电势（ORP）、水力停留时间（HRT）、NO3-与TOC浓度、碳源种类、阴极室内有无微生物等因素对NO3-去除的效率、速率和转化产物的影响，确定最佳工艺参数。结合16S rRNA测试，分析MFC阳极室内的优势菌群。通过物理模拟实验，验证小试成果，优化MFC/SFC的工艺和结构参数。成果对开发地下水硝酸盐污染原位修复新技术，解决当前地下水硝酸盐污染原位修复过程中存在的二次污染、成本高、操作维护难度大、修复周期长等难题具有重要意义，对环境水利科学、环境生物学、环境科学等具有借鉴意义。

通过典型区域地下水硝酸盐污染调查，结合砂柱实验，初步掌握了地下水硝酸盐的转化归趋机制。开展了单室与双室微生物燃料电池（MFC）、非生物的铁燃料电池（SFC）和电极-生物膜法去除地下水中硝酸盐的可行性及影响因素实验研究，并结合16S rRNA测试，分析MFC阳极室内的优势菌群。在此基础上，制作了MFC/SFC中试装置，通过中试进一步验证燃料电池法用于地下水硝酸盐修复的可行性。主要成果如下。.（1）砂柱实验结果表明：反硝化速率由大至小的碳源依次为乙酸钠、乙醇和葡萄糖；最佳碳氮比为3：1；最佳初始pH为7.0；硝酸盐的转化主要发生在非饱和区；渗滤速率低于0.3m/h时，出水中没有亚硝酸盐。.（2）电极-生物膜法的硝酸盐去除效率高于传统的生物膜法，并可减少碳源的补给。二维电极生物膜的最佳工艺条件是：停留时间6h、电流5mA、碳氮比为2.5；三维电极生物膜的最佳工艺条件是：停留时间3h，电流40mA、碳氮比为1。.（3）阴、阳极均为碳布的单室MFC对硝酸盐的去除率为65.7%，平均降解速度约3.93mgNO3-/L•d，而厌氧对比装置的NO3-平均降解速度只有0.55mgNO3-/L•d。.（4）双室MFC和SFC的反硝化作用与盐桥长度负相关，与盐桥直径正相关；在盐桥内径为1.5cm、长度为30cm，NO3-初始浓度为365mg/L时，双室MFC和SFC的NO3-去除率分别为76.6%和75.1%，平均降解速度分别为9.99mgNO3-/L•d和9.79mgNO3-/L•d，NO3-去除速率与MFC和SFC的输出电压正相关；阴极为镀PbO2的不锈钢板比没有镀层的不锈钢板和碳布更有利于硝酸盐的降解；阴极室微生物的添加能提高硝酸盐的降解率；MFC阳极室内的优势菌种为厚壁杆菌（Bacilli）、A-变形菌（Alphaproteobacteria）和放线菌（Actinobacteria）。.（5）室温下，SFC和MFC中试装置对硝酸盐的去除效率分别为89.58%和65.46%，硝酸盐的平均降解速度分别为11.036mgNO3-/L•d和6.337mgNO3-/L•d；NO3-的降解率随水力停留时间的增长而增加。.本研究成果对开发地下水硝酸盐污染燃料电池法原位修复新技术，解决当前地下水硝酸盐污染原位修复过程中存在的二次污染、成本高、操作维护难度大、修复周期长等难题具有重要意义。