氢自养反硝化与纳米铁还原耦合体系去除地下水中硝酸盐研究

摘要

工业含氮废水和生活污水的无组织排放，以及农业生产中氮肥的持续使用，全世界范围内的地下水中硝酸盐污染问题愈加严重。人体饮用含硝酸盐的地下水会引发高铁血红蛋白症，对人群健康构成威胁。针对地下水硝酸盐污染去除方法主要有物理化学法、化学还原法、生物反硝化法。由于物理化学法只是将硝酸盐进行浓缩或转移，并没有将其从地下水环境中去除;化学还原法将硝酸盐转化为氨氮，对地下水造成二次污染;生物反硝化法中异养微生物对于有机碳源的依赖限制了异养反硝化方法在地下水修复中的应用，而地下水中的自养微生物在反硝化过程中又缺乏足够的电子供体以还原硝酸盐。因此，单独使用物理、化学或生物法的某一种方法处理地下水硝酸盐都有一定的缺陷。研究发现将化学还原法和生物反硝化法联合起来去除地下水硝酸盐既能改善单独物理化学法产物氨氮比例过高的问题，也能解决生物反硝化缺少电子供体的缺陷。
　　本文以碳酸氢钠为碳源，氢气为电子供体从厌氧污泥中分离出一株氢自养反硝化细菌S1，通过形态学观察和16S rDNA序列分析，菌株S1的16S rDNA序列与陶厄氏菌属的同源性达100％，结合形态学特性，认定菌株S1为陶厄氏菌属。在模拟地下水贫氧、低温和黑暗环境，考察了不同的硝酸盐浓度、碳源投加量、pH、温度、阴离子浓度等对该菌株脱氮性能的影响。结果表明，反硝化过程碳源最适投加量为0.5g/L;当硝酸盐氮浓度＞100mg/L时，菌株S1反硝化过程受到抑制;pH=6时，硝酸盐还原活性受到抑制，当pH在7～10时，反硝化速率随着pH升高而增大;在10～30℃内，温度越高，菌株反硝化速率越快;硫酸根浓度＞90mg/L时菌株S1对硝酸盐氮的去除速率减慢。
　　采用液相还原法制备油酸钠包覆型纳米铁材料，并对其进行SEM、XRD和FTIR的表征，结果显示油酸钠通过物理作用吸附于纳米铁上，并且包覆后的纳米铁颗粒均匀，团聚较少。通过分散性和稳定性测试，得出油酸钠包覆后的纳米铁有较好的分散性和抗氧化性。通过单因子试验对地下水影响因素的研究发现:油酸钠包覆型纳米铁还原硝酸盐的过程都几乎在8天以上，能明显起到减缓纳米铁与硝酸盐的快速反应的作用;2g和3g改性纳米铁材料硝酸盐去除率达70％以上，但2g纳米铁材料用量较少;温度在15℃时，2g油酸钠包覆型纳米铁对硝酸盐的去除率在70％左右，并且生成氨氮的量相比较少;pH=7比pH=9时油酸钠包覆型纳米铁对硝酸盐的去除率更高，pH=5比pH=7时硝酸盐的还原速率更快，但不能为微生物缓慢提供氢气。综上，本试验在2g油酸钠改性的纳米铁材料和pH值等于7的条件下，油酸钠包覆型纳米铁能较好的修复模拟地下水硝酸盐。
　　比较了油酸钠包覆纳米铁的化学还原体系、氢自养反硝化菌的生物反硝化体系以及油酸钠包覆纳米铁-氢自养反硝化菌耦合的化学-生物反硝化3种体系对地下水硝酸盐的去除效果，研究结果得出油酸钠包覆纳米铁-氢自养反硝化菌耦合体系对地下水NO3-N的去除效率能达到100％，NH4-N生产率为38％左右，实现脱氮率达62％。因此，油酸包覆型纳米铁-氢自养反硝化细菌耦合体系在去除地下水硝酸盐过程中要优于氢自养反硝化菌单独体系和油酸包覆型纳米铁单独体系。
　　在耦合体系还原硝酸盐过程中，通过不同温度、不同初始pH值和油酸钠包覆型纳米铁不同投加量对耦合体系脱氮过程硝酸盐降解动力学拟合，发现耦合体系去除硝酸盐的机制主要分为两个阶段:耦合体系脱氮的前五天，不同温度、不同初始pH值和不同改性纳米铁投加量下Ln(C/C0)对反应时间t均可以用准一级动力学方程较好的拟合，且生成氨氮的量和硝酸盐被还原的量相近。后5天可以用一级动力学方程进行描述，但线性相关度（R2）小于0.92。在耦合体系的环境因素没有发生变化的情况下，反应第5天时表观反应速率常数的改变，说明耦合体系还原硝酸盐的机制发生了转变。后5天氨氮的产生明显减少，说明反应第5天时耦合体系脱氮主导机制由油酸钠包覆型纳米铁对硝酸盐的化学还原作用转变为氢自养反硝化菌的生物反硝化作用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 地下水硝酸盐污染现状

1．1．1 地下水资源概述

1．1．2 地下水硝酸盐污染现状

1．1．3 地下水硝酸盐污染来源

1．1．4 地下水硝酸盐污染危害

1．2 地下水硝酸盐污染修复技术

1．2．1 物理化学修复技术

1．2．2 化学还原修复技术

1．2．3 生物反硝化修复技术

1．3 组合脱氮修复技术

1．3．2 零价铁-微生物反硝化技术

1．3．3 组合脱氮修复技术研究现状

1．3．4 存在的主要问题

1．4 研究目的、内容及技术路线

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

1．4．3 技术路线

第2章 氢自养反硝化菌的分离鉴定及脱氮特性研究

2．1 试验材料与仪器

2．1．1 菌种来源

2．1．2 培养基成分

2．1．3 试验试剂与仪器设备

2．1．4 试验分析指标及方法

2．2 试验方法

2．2．1 菌株的驯化培养与纯化

2．2．2 氢自养反硝化菌的筛选

2．2．3 菌株的鉴定

2．2．4 单因素试验

2．2．5 正交试验

2．3 结果与讨论

2．3．1 氢自养反硝化菌的驯化、分离

2．3．2 氢自养反硝化菌的筛选

2．3．3 菌株鉴定及其系统发育分析

2．3．4 单因素试验

2．3．5 正交试验结果分析

2．4 本章小结

第3章 改性纳米铁材料的制备及还原地下水硝酸盐的影响因素研究

3．1 试验材料与制备方法

3．1．1 试剂与仪器设备

3．1．2 材料制备方法

3．2 试验方法

3．2．1 材料表征

3．2．2 分散性和稳定性测试

3．2．3 改性纳米铁材料还原地下水硝酸盐的影响因素研究试验

3．3 结果与讨论

3．3．1 表征结果

3．3．2 沉降性和稳定性试验分析

3．3．3 改性纳米铁材料还原地下水硝酸盐的影响因素研究试验

3．4 本章小结

第4章 不同体系还原地下水硝酸盐产物的比较研究

4．1 不同体系还原地下水硝酸盐试验方法

4．2 不同体系还原地下水硝酸盐效果的比较

4．3 不同体系还原地下水硝酸盐产物的比较

4．4 不同体系还原地下水硝酸盐总氮的变化

4．5 本章小结

第5章 氢自养反硝化-改性纳米铁耦合体系脱氮性能研究

5．1 试验设计

5．2 耦合体系脱氮条件研究

5．2．1 温度的影响

5．2．2 初始pH的影响

5．2．3 改性纳米铁投加量的影响

5．3 耦合体系脱氮反应动力学及脱氮机理探讨

5．3．1 不同温度对耦合体系脱氮速率的影响

5．3．2 不同初始pH值对耦合体系脱氮速率的影响

5．3．3 不同油酸包覆纳米铁投加量对耦合体系脱氮速率的影响

5．3．4 耦合体系脱氮机理探讨

5．5 本章小结

结论

1．结论

2．建议与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果