纳米Fe-C内电解与氢自养反硝化耦合体系修复地下水硝酸盐污染研究

Nitrate contamination in groundwater is becoming increasingly severe in China and the conventional techniques are faced with many limits due to the dark, low-temperature and oxygen-lean environment. Incorporating the nano-iron-carbon internal electrolysis system with autotrophic denitrification process as a novel coupling technique can get over these difficulties and further enhance the nitrate removal in groundwater. Study on this process may provide a solution to groundwater contamination and the drinking water safety issues. Based on previous achievements and pre-experiments, on account of the high reactivity of nano iron and the thorough degradation of bio-denitrification process, the coupling system is tested to in-situ remove nitrate in groundwater. Firstly, dispersive nano-iron-carbon composites is prepared. Then autotrophic denitrifying microorganism is cultivated, optimized and domesticated. Furthermore, the nano-iron-carbon internal eletrolysis system and autotrophic denitrification process will be coupled. Batch and column experiments will be conducted to systematically investigate the removal efficiency of nitrate as well as the mechanism and reaction kinetic of denitrification process. The coupled system is expected to solve the problems of nano iron’s passivation, high ammonia residual in denitration product and the lack of electron donor in the autotrophic denitrification process. This study will provide a novel and efficient remediation technology for nitrate removal in groundwater.

针对我国地下水硝酸盐污染日益严峻的形势和传统修复技术存在的不足，开展纳米铁碳内电解与氢自养微生物反硝化联合修复地下水硝酸盐污染的耦合行为与脱氮机制研究，对防治地下水污染和保障饮用水安全有十分重要的意义。本项目拟在已有工作基础上，融合纳米铁反应活性高的优点和微生物反硝化脱氮彻底的特性，通过制备新型纳米铁碳复合材料，以Fe-C在水中发生原电池反应所释放的活性氢作为电子供体供给氢自养反硝化微生物，将Fe-C内电解体系与氢自养反硝化体系耦合。采用批实验和柱模拟实验相结合的方法，系统考察在地下水黑暗、低温、贫氧条件下纳米Fe-C内电解与氢自养反硝化耦合体系对硝酸盐氮的脱除效能，并在脱氮机理及反应动力学等方面做出有益探索。耦合修复体系有望同时解决纳米零价铁易钝化团聚缺陷、还原反应脱氮不彻底和地下水中氢自养微生物反硝化缺少电子供体三个关键问题，以期为地下水硝酸盐污染高效修复提供一定的科学依据和理论支持。

针对我国地下水硝酸盐污染日益严峻的形势和传统修复技术存在的不足，开展纳米铁碳内电解与氢自养微生物反硝化联合修复地下水硝酸盐污染的耦合行为与脱氮机制研究，对防治地下水污染和保障饮用水安全有十分重要的意义。本项目在已有工作基础上，融合纳米铁反应活性高的优点和微生物反硝化脱氮彻底的特性，通过制备新型纳米铁碳复合材料，以Fe-C在水中发生原电池反应所释放的活性氢作为电子供体供给氢自养反硝化微生物，将Fe-C内电解体系与氢自养反硝化体系耦合。采用批实验和柱模拟实验相结合的方法，系统考察在地下水黑暗、低温、贫氧条件下纳米Fe-C内电解与氢自养反硝化耦合体系对硝酸盐氮的脱除效能，并在脱氮机理及反应动力学等方面做出有益探索。耦合修复体系有望同时解决纳米零价铁易钝化团聚缺陷、还原反应脱氮不彻底和地下水中氢自养微生物反硝化缺少电子供体三个关键问题。在众多脱氮方法中，生物反硝化表现出高回收率、脱氮彻底、运行成本低、可持续性的优点，其中氢自养反硝化菌因清洁脱氮表现出独特优势。本课题以碳酸氢钠为碳源，氢气为电子供体从厌氧污泥中分离出一株氢自养反硝化菌S1，通过模拟地下水环境，考察了硝酸盐浓度、碳源投加量、pH、温度、SO42-浓度对该菌株脱氮性能的影响。结果表明，菌株S1为陶厄氏菌属，反硝化过程中最适碳源投加量为0.5 g/L，pH为7～10，温度为10～30℃时，菌株反硝化速率最快。采用液相还原法制备油酸钠包覆型纳米铁材料，并耦合氢自养反硝化菌，考察该耦合体系下的反硝化能力及其作用机制。结果表明去除硝酸盐的机制主要分为两个阶段：前5天硝酸盐的还原主要是油酸包覆纳米铁起的化学作用，5天后主要是氢自养反硝化菌的生物反硝化作用。另外，磁性壳聚糖凝胶球作为一种以天然的生物质为原料的新材料，目前广泛用于水处理领域。本研究为了获得具有丰富孔隙率的磁性壳聚糖凝胶球，采用乙酸进行改性，再经吸附固定氢自养反硝化菌。并对其展开了形貌分析、性能测试、循环利用性与作用机制分析等工作。结果表明本研究制备的材料具有良好的分散性和稳定性，较大的比表面积，较高的传质性，对地下水硝酸盐污染的去除效率较高，拥有良好的重复利用性，为磁性壳聚糖凝胶球固定化菌在可渗透反应墙(PRB)填料中的应用及原位修复硝酸盐污染技术发展提供有效理论支撑。