堆肥物強(qiáng)化潛水含水層生物反硝化的性能及影響因素*

李 爽 詹 琪 任建新 馬會(huì)強(qiáng)

(遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順 113001)

堆肥物強(qiáng)化潛水含水層生物反硝化的性能及影響因素*

李 爽 詹 琪 任建新 馬會(huì)強(qiáng)#

(遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部，遼寧 撫順 113001)

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

堆肥物購于遼寧省撫順市某花卉市場，暗褐色，pH為7.8(固液質(zhì)量比1∶10)，比表面積為1.38 m2/g，離子交換能力為55.6 cmol/kg，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為31.2%±2.1%，篩后粒徑為0.15～0.45 mm，低溫(4.0±1.0) ℃保存。ZVI購于MERCK公司，純度97%，銀白色，粉末狀，325目。NaNO3、NaNO2和NH4Cl為優(yōu)級(jí)純。NaClO4純度大于98%，化學(xué)純。含水層介質(zhì)取自遼寧省撫順市遠(yuǎn)郊區(qū)某潛水含水層，破碎，篩后粒徑0.15～0.45 mm，低溫(4.0±1.0) ℃保存。

模擬地下水由去離子水配制，具體水質(zhì)指標(biāo)為：NaNO3152.3～457.0 mg/L；NaNO2<0.1 mg/L；NH4Cl<0.2 mg/L；DO 0.5～7.1 mg/L；NaHCO3376.4 mg/L；FeCl3·6H2O 0.6 mg/L；KH2PO496.5 mg/L；Na2C10H14N2Na2O8(Na2EDTA) 8.2 mg/L；MgCl2·6H2O 45.0 mg/L；MgSO4·7H2O 54.4 mg/L；CaCl2·6H2O 24.3 mg/L；NaCl 65.0 mg/L；Na2MoO4·2H2O 0.6 mg/L；CoCl2·6H2O 0.1 mg/L；ZnSO4·10H2O 0.1 mg/L；MnCl2·4H2O 0.8 mg/L；pH 7.3～8.5。試劑溶液由Milli-Q(Millipore)水配制。如未特殊說明，所有試劑均為分析純。

1.2 微生物培養(yǎng)與富集

1.3 實(shí)驗(yàn)方法及設(shè)計(jì)

采集水樣前將玻璃瓶上下顛倒3次，靜置30 min；考察DO的影響時(shí)，采用N2曝氣(150 kPa下)驅(qū)除模擬地下水中部分DO；在考察強(qiáng)化生物反硝化能力及氮素變化規(guī)律時(shí)，設(shè)置對(duì)照組，向玻璃瓶中添加720 mL模擬地下水、80 mL去離子水和40.00 g含水層介質(zhì)，不添加堆肥物及菌液。

1.4 分析方法及儀器

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

ω=(C0-Ct)/C0×100%

(1)

反硝化速率計(jì)算方法如下：

φ=(C0-Ct)/t

(2)

式中：φ為反硝化速率，mg/(L·h)。

2 結(jié)果與討論

2.1 堆肥物強(qiáng)化生物反硝化的性能

表1 批實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 不同初始質(zhì)量濃度下堆肥物強(qiáng)化生物反硝化的性能Fig.1 Performance of compost-enhanced biological denitrification under different initial nitrate mass concentrations

(3)

2.2 強(qiáng)化生物反硝化過程中無機(jī)氮變化規(guī)律

圖2 堆肥物強(qiáng)化生物反硝化過程中不同初始質(zhì)量濃度下無機(jī)氮的變化Fig.2 Changes in inorganic nitrogens in compost-enhanced biological denitrification under different initial nitrate mass concentrations

(4)

2.3 溫度對(duì)強(qiáng)化生物反硝化的影響

水溫對(duì)以纖維素為碳源的生物反硝化的影響因碳源種類的不同而存在差異[22-23]。本研究中，接觸時(shí)間為36 h的反硝化速率隨著水溫的升高而升高(見圖3(a))： 15.0、21.0、32.0 ℃時(shí)的反硝化速率分別是10.0 ℃時(shí)的1.30、1.70、2.26倍。可見，水溫顯著影響堆肥物強(qiáng)化生物反硝化過程。水溫越高，堆肥物的有機(jī)碳鏈越易被破壞，反硝化菌體內(nèi)酶的活力越旺盛，從而越利于生化反應(yīng)。

圖3 水溫對(duì)堆肥物強(qiáng)化生物反硝化的影響(36 h)Fig.3 Effect of water temperature on the performance of compost-enhanced biological denitrification (36 h)

進(jìn)一步利用Arrhenius方程的變形式(見式(5))來描述水溫對(duì)堆肥物強(qiáng)化生物反硝化的影響。

lgφT=K(T-20.0)+ lgφ20.0

(5)

式中：φT為溫度為T時(shí)的反硝化速率，mg/(L·h)；K為溫度常數(shù)；T為水溫，℃；φ20.0為20.0 ℃時(shí)的反硝化速率，mg/(L·h)。

依據(jù)式(5)，以T-20.0為橫坐標(biāo)(x軸)、lgφT為縱坐標(biāo)(y軸)進(jìn)行作圖，利用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，進(jìn)而可得到溫度常數(shù)為0.015 8(見圖3(b))。該常數(shù)低于已有報(bào)道中的數(shù)值[24]，說明水溫更容易影響堆肥物強(qiáng)化生物反硝化過程。

2.4 DO對(duì)強(qiáng)化生物反硝化的影響

圖4 DO對(duì)堆肥物強(qiáng)化生物反硝化的影響Fig.4 Effect of DO on the performance of compost-enhanced biological denitrification

2C6H10O2+15O2→12CO2+10H2O

(6)

圖5 對(duì)堆肥物強(qiáng)化生物反硝化的影響(36 h)Fig.5 Effect of perchlorate on the performance of compost-enhanced biological denitrification (36 h)

2.6 ZVI對(duì)強(qiáng)化生物反硝化的影響

圖6 ZVI對(duì)堆肥物強(qiáng)化生物反硝化的影響Fig.6 Effect of ZVI on the performance of compost-enhanced biological denitrification

2Fe0+O2+2H2O→2Fe2++4OH-

(7)

(8)

(9)

(10)

Fe0+2H2O→H2+Fe2++2OH-

(11)

(12)

3 結(jié) 論

(2) 初期(接觸時(shí)間≤8 h)，亞硝酸鹽氮和氨氮生成量之和大體大于硝酸鹽氮減少量，堆肥物中有機(jī)氮可能轉(zhuǎn)化成了氨氮；當(dāng)接觸時(shí)間>12 h時(shí)，硝酸鹽氮減少量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于亞硝酸鹽氮和氨氮生成量之和，硝酸鹽氮絕大部分被異養(yǎng)反硝化菌轉(zhuǎn)化成了氣態(tài)氮。

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Performancesandinflucingfactorsofcompost-enhancedbiologicaldenitrificationinphreaticaquifers

LIShuang,ZHANQi,RENJianxin,MAHuiqiang.

(CollegeofChemistry,ChemicalEngineeringandEnvironmentalEngineering,LiaoningShihuaUniversity,FushunLiaoning113001)

李 爽，女，1982年生，碩士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)榈叵滤廴拘迯?fù)。#

。

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.41202170、No.41372236)；遼寧省自然科學(xué)基金指導(dǎo)計(jì)劃項(xiàng)目(No.201602469)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.12.005

2017-03-12)