（环境工程专业论文）地下水硝酸盐污染原位修复实验研究.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 主席： 委员： 答辩委员会签名： ( 工作单位，职称) o 彳显 安徽国祯集团 教授级高工 安徽省环保厅 高工 去己娘 安徽省环科院 高工 瓢矽窝杠伽工业大学教授 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得合肥工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：7 墨0 叠 签字日期：m 1 年乒月o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 盒鲤王些走堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 盒壁王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： a 曲蔼 签字日期：切1 1 年年月j o 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师繇易参 ， v 签字日期：劢1 1 年孕月3 0 日 电话： 邮编： 地下水硝酸盐污染原位修复实验研究 摘要 硝酸盐是我国地下水污染的主要成分。生物法脱氮因其经济、环保、易操 作，逐渐成为地下水脱氮的主要发展趋势。 本课题在前人研究的基础上，应用微生物反硝化原理和原位修复理论，结 合地下水硝酸盐污染的实际状况，通过室内模拟实验，试图寻求一种新的高效 廉价的反硝化碳源，以达到治理地下水硝酸盐污染的目的。 根据现场调研和分析，结合原位修复影响因素探究，进行了地下水原位修 复的可行性研究。结果表明：研究区地下水环境有利于反硝化作用的进行，碳 源为反硝化作用的主要限制因子。 通过摇瓶实验，筛选出最优碳源乙酸钠。投加多种碳源进行硝酸盐降解时 效性、用量及廉价易得性的对照试验，得出乙酸钠为高效廉价的有机碳源；通 过最佳配入量比的探究实验，得出乙酸钠的最佳投加浓度为0 3 3 9 l ；通过不同 浓度梯度硝酸盐氮的降解实验，得出该配入量比适用于硝酸盐氮浓度_ 5 0 m g l 的情况，对研究区硝酸盐污染修复有很强的实用性；考虑到现场条件的复杂性， 为最大程度的利用微生物，同时开展了复合碳源对地下水反硝化作用影响的试 验研究，在有效碳源投加量相同的情况下，乙酸钠+ 乙醇对硝酸盐氮的降解效 率达1 0 0 ，降解速率也较快，但是投加复合碳源时氨氮浓度较高。 在砂柱、砂槽模拟修复实验中对乙酸钠投加量进行了探究。砂柱实验中， 在流量为1 2 l d ，进水硝酸盐氮浓度为5 0 m g l ，乙酸钠投浓度为0 2 4 9 l 时， 硝酸盐得到了有效的降解，同时不会造成二次污染；在不同水力停留时间下即 泵的转速2 5 r r a i n 时，出水三氮和t o c 均达标。 在砂槽实验中，前期进行了一次性投加实验，在流量为1 2 l d ，进水硝酸 盐氮浓度为5 0 m g l ，投加1 5 9 乙酸钠时，出水三氮和t o c 均达标；通过后期 的连续性投加实验，确定每三天投加1 0 9 乙酸钠。 针对污染的实际情况，在室内模拟修复实验的基础上所得实验参数对地下 水硝酸盐污染野外修复实验具有一定参考价值。 关键词：硝酸盐；生态修复；反硝化；碳源 e x p e r i m e n t a ls t u d y o ni n - s i t ub i o l o g i cr e m e d i a t i o n m e t h o df o rn i t r a t eo fc o n t a m i n a t e dg r o u n d w a t e r a bs t r a c t n i t r a t ei st h em a i np o l l u t a n to fg r o u n d w a t e rc o n t a m i n a t i o n b i o l o g i c a ln i t r o g e n r e m o v a lt e c h n o l o g yh a sb e c o m et h em a i nt r e n do fd e n i t r i f i c a t i o nb e c a u s eo ft h e i rn a p d r eo f e c o n o m i ca n de n v i r o n m e n t a l b a s e do nt h ep r e v i o u ss t u d i e so ft h i st o p i c ，a p p l i e dm i c r o b i o l o g yd e n i t r i f i c a t i o n p r i n c i p l e sa n de c o l o g i c a lr e s t o r a t i o nt h e o r y , c o m b i n e dw i t ht h ea c t u a l s t a t eo fn i t r a t e p o l l u t i o n , w eb u i l tp h y s i c a lm o d e l so fe c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n i no r d e rt os e e kac h e a pa n d e f f i c i e n td e n i t r i f i c a t i o nc a r b o ns o u r c ea n da c h i e v et h ep u r p o s e so fn i t r a t ep o l l u t i o nc o n t r o l a n de c o l o g i c a lb a l a n c er e s t o r a t i o n , w ec a r r i e do u tt h el a b o r a t o r ys i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s w ec a r r i e do u ts t u d ya b o u tt h ev a r i o u sf a c t o r st oe x p l o r et h ef e a s i b i l i t yo fi n - s i t u r e m e d i a t i o no fg r o u n d w a t e ra c c o r d i n gt ot h ef i e l di n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i s t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h eg r o u n d w a t e re n v i r o n m e n tw a sc o n d u c i v et od e n i t r i f i c a t i o na n dt h eo r g a n i c c a r b o ni st h em a i nl i m i t e df a c t o r w es e l e c t e dt h eo p t i m a lc a r b o ns o u r c 宅a c e t a t eb yt h es h a k ef l a s ke x p e r i m e n t s w e o b t a i n e dt h a ts o d i u ma c e t a t ew a sac h e a pa n de f f i c i e n to r g a n i cc a r b o ns o u r c eb ya d d i n ga v a r i e t yo fc a r b o ns o u r c e sf o rt i m e l i n e s so fn i t r a t ed e g r a d a t i o n , t h en a t u r eo fc h e a p n e s sa n d e a s yt og e t t h eo p t i m a ld o s a g eo fs o d i u ma c e t a t ew a s0 3 3 9 lt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t s a b o u tb e s td o s i n gr a t i o t h ed o s i n gr a t i ov c a sf i tf o rt h es i t u a t i o nt h a tn i t r a t ec o n c e n t r a t i o n w a sl e s st h a n5 0 m g lt h r o u g hn i t r a t e n i t r o g e nd e g r a d a t i o ne x p e r i m e n t so fd i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o ng r a d i e n ta n dh a das t r o n ga p p l i c a b i l i t yf o r t h er e m e d i a t i o no fn i t r a t ep o l l u t i o n i nt h es t u d ya r e a i no r d e rt op l a yt h em a x i m u mu s eo fm i c r o - o r g a n i s m s ，w ec a r r i e do u t e x p e r i m e n t a ls t u d y o fc a r b o ns o u r c e so ng r o u n d w a t e rd e n i t r i f i c a t i o nc o n s i d e r i n gt h e c o m p l e x i t yo ff i e l dc o n d i t i o n s a tt h ee f f e c t i v ed o s a g eo fc a r b o ns o u r c e s ，t h en i t r a t e n i t r o g e nd e g r a d a t i o ne f f i c i e n c yo fs o d i u ma c e t a t ea n de t h a n o lw a s 10 0 a n dt h e d e g r a d a t i o nr a t ew a sa l s of a s t e r b u tt h ea m m o n i ac o n c e n t r a t i o nw a sh i g hw h e na d d i n g c a r b o ns o u r c e s w ec a r r i e do u ts a n dc o l u m n sa n ds a n db o xr e m e d i a t i o ne x p e r i m e n t st od e t e r m i n et h e d o s a g eo fs o d i u ma c e t a t e i ns a n dc o l u m ne x p e r i m e n t , n i t r a t eh a da ne f f e c t i v ed e g r a d a t i o n w i t h o u tc a u s i n gs e c o n d a r yp o l l u t i o nw h e nt h ef l o wr a t ew a s12 l d , i n f l u e n tn i t r a t e c o n c e n t r a t i o nw a s5 0 m g la n dt h ec o n c e n t r a t i o no fs o d i u ma c e t a t ew a s0 2 4 9 l t h e e f f l u e n tn i t r o g e na n dt o cw e r el e s st h a ns t a n d a r d sa td i f f e r e n th r ta sw e l la sw h e nt h e s p e e do f t h ep u m pw a sn om o r et h a n2 5 r r a i n i nt h es a n dt a n ke x p e r i m e n t s ，w ec a r r i e do u to n e t i m ed o s i n ge x p e r i m e n t sw h e nt h e f l o wr a t ew a s1 2 l 也t h ei n f l u e n tn i t r a t ec o n c e n t r a t i o nw a s5 0 m g la n dt h ed o s a g eo f s o d i u ma c e t a t ew a s15 9a n dt h ee f f l u e n tn i t r o g e na n dt o cw e r el e s st h a ns t a n d a r d s w e d e t e r m i n e dt oa d d10g r a m so fs o d i u ma c e t a t ep e rd a yi nt h el a t e rc o n t i n u o u sd o s i n g e x p e r i m e n t t h ee x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r sw h i c hb a s eo nt h ei n d o o rs i m u l a t i o ne x p e r i m e n ta n d c o m b i n ew i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o no fp o l l u t i o nh a v eac e r t a i nr e f e l e n c ev a l u eo nf i e l d m m e d i a t i o no fg r o u n d w a t e rn i t r a t ep o l l u t i o n k e yw o r d s ：n i z a m ；e c o l o g i c a lr e s t o r a t i o n ；d e n i t r i f i c a t i o n ；c 盯b o n 致谢 本文的研究工作是在导师汪家权教授的亲切关怀和精心指导下完成的。 特别感谢汪老师在我学习和实验过程中给予的悉心指导。在论文的选题和 实验的开展过程中汪老师提出了许多宝贵的意见，将使我终身受益。汪老师渊 博的知识和严谨的治学态度，使我终生难忘! 在此，特向汪老师表示我最衷心 的感谢! 在实验阶段，曾得到环境教研室其他老师和实验室李云霞老师等的帮助， 在此向她们表示最诚挚的感谢；还要感谢我的同学潘哲、胡明明，师妹王曼曼， 师弟余三江、褚华南，他们在试验过程中给予了极大的热情并为我提供了很多 帮助。 在三年的学习期间，还得到了其他很多同学的帮助，在此也向他们表示我 最诚挚的谢意! 特别感谢我的家人在我求学过程中给予的支持、理解和鼓励， 正是他们无私的爱和关心使我能够顺利完成学业。 感谢所有帮助过我的老师和同学! 感谢论文评审委员和答辩委员会委员对论文的批评和指正，谢谢! 作者：阴娟 2 0 1 1 年3 月1 0 日 1 1 z i 1 3 地下水硝酸盐污染的修复技术6 1 3 1 化学修复技术6 1 3 2 物理修复技术7 1 3 3 生物修复技术7 1 4 研究技术思路9 1 4 1 研究方法和内容。9 1 4 2 研究技术路线l0 1 4 3 拟解决的问题和预期效果1 0 第二章地下水原位修复可行性研究1 2 2 1 研究背景12 2 1 1 研究区地质构造和水文地质条件1 2 2 1 2 研究区水文气象条件及地下水补给、排泄1 2 2 1 3 地下水水质情况和水动力学特征1 2 2 2 地下水原位修复影响因素研究1 3 2 2 1d o 对地下水反硝化作用的影响1 3 2 2 2p h 值对地下水反硝化作用的影响1 5 2 2 3 温度对地下水反硝化作用的影响1 5 2 2 4 微量元素对地下水反硝化作用的影响1 7 2 2 5 不同碳源对地下水反硝化作用的影响1 7 2 2 6 小结l8 2 3 地下水原位修复可行性分析1 8 2 3 1 地下水硝酸盐污染原位修复原理1 8 2 3 2 原位修复技术可行性研究1 9 2 3 3 原位修复可生化性研究一2 0 第三章地下水原位修复碳源遴选实验研究2 1 3 1 地下水质量标准2 l 3 2 实验材料与方法2 1 3 2 1 实验的主要设备和器材。2 1 3 2 2 分析方法2 l 3 2 3 实验药品2 2 3 3 地下水原位修复碳源的实验研究2 2 3 3 1 实验装置与材料2 2 3 3 2 实验结果与讨论2 3 3 3 3 小结3 9 第四章地下水原位修复砂柱模拟实验研究4 0 4 1 实验装置与材料4 0 4 2 实验结果与讨论。4 l 4 3 小结。4 5 第五章地下水原位修复砂槽模拟实验研究4 6 5 1 实验装置与材料4 6 5 2 实验结果与讨论4 7 5 2 1 乙酸钠的一次性投加实验4 7 5 2 2 乙酸钠的连续性投加实验。4 9 5 - 3 小结一5 2 第六章结论与展望5 3 6 11 1 2 i 论! ；3 6 2 存在的不足5 4 6 3 展望。5 4 参考文献。5 5 攻读硕士学位期问发表的论文一6 0 ：； 1 ( 1 图l4 2 2 高氧条件下硝酸盐氮浓度变化趋势图1 5 2 3 硝酸盐氮浓度变化趋势图1 6 2 4 硝酸盐氮浓度变化趋势图1 7 3 1 硝酸盐氮浓度变化趋势图一2 3 3 2 亚硝酸盐氮浓度变化趋势图2 4 3 3 氨氮浓度变化趋势图2 4 3 4t o c 浓度变化趋势图2 5 3 5 硝酸盐氮浓度变化趋势图2 6 3 6 亚硝酸盐氮降解趋势图2 6 3 7 氨氮浓度变化趋势图2 7 3 8t o c 浓度变化趋势图2 7 3 - 9 硝酸盐氮浓度变化趋势图2 9 3 1 0 亚硝酸盐氮浓度变化趋势图3 0 3 1 1 氨氮浓度变化趋势图3 1 3 1 2t o c 浓度变化趋势图一3 l 3 1 3 硝酸盐氮浓度变化趋势图一3 2 3 1 4 亚硝酸盐氮浓度变化趋势图3 2 3 15 氨氮浓度变化趋势图3 3 3 16 t o c 浓度变化趋势图3 3 3 一1 7 硝酸盐氮浓度变化趋势图一3 4 3 18 亚硝酸盐氮浓度变化趋势图3 4 3 19 氨氮浓度变化趋势图3 5 3 - 2 0 t o c 浓度变化趋势图3 5 3 2 1 硝酸盐氮浓度变化趋势图一3 6 3 2 2 亚硝酸盐氮浓度变化趋势图一3 6 3 2 3 氨氮浓度变化趋势图3 7 3 2 4t o c 浓度变化趋势图3 7 3 2 5 硝酸盐氮浓度变化趋势图3 9 3 2 6 亚硝酸盐氮浓度变化趋势图3 9 3 2 7 氨氮浓度变化趋势图3 9 3 2 8t o c 浓度变化趋势图3 9 4 1 砂柱反应装置图4 0 4 2 硝酸盐氮浓度前期变化趋势图4 1 4 3 硝酸盐氮浓度变化趋势图4 2 4 4 亚硝酸盐氮浓度前期变化趋势图4 3 4 5 亚硝酸盐氮浓度变化趋势图4 4 4 6 氨氮浓度前期变化趋势图4 3图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 图4 7 氨氮浓度变化趋势图4 4 图4 8t o c 浓度前期变化趋势图4 3 图4 9t o c 浓度变化趋势图4 4 图5 1 砂槽的实验装置图4 6 图5 2 一次性投加1 0 9 乙酸钠时总出水1 3 出水三氮和t o c 的变化5 0 图5 3 一次性投加15 9 乙酸钠时总出水口出水三氮和t o c 的变化5 1 图5 4 连续性投加乙酸钠时出水三氮和t o c 的变化5 2 图5 5 硝酸盐氮浓度动态变化趋势图5 4 表3 4 不同碳源的经济效益分析2 8 表5 1 硝酸盐氮背景浓度值4 7 表5 2 硝酸盐氮背景浓度值4 8 2 9 l l 2 一l 2 2 2 种非常重要的资源【1 1 。目前， 也相应的增加。世界上大约有 约1 0 1 2 亿) 以地下水作为主 要饮用水源；美国将近9 0 的农村地区和5 0 的城市以地下水作为饮用水水源；有 的国家几乎全部依靠地下水进行生产和生活。在国内，1 3 的水资源和近2 0 的供 水量来自地下水。在干早一半干旱的北方地区的部分城市和农村，地下水是唯一的 供水水源。如内蒙古的呼和浩特市，其饮用水完全来自于地下水的供给【2 , 3 1 。地下水 资源不仅在数量上具有非常重要的地位，还具有水质好、分布广泛、便于开采等优 点。地下水已经成为我国经济、社会发展和人民生产、生活所不可替代的重要资源 【4 】 0 目前，在全球气候变化和人类频繁活动等因素影响下，区域水循环发生了深刻 的变化；经济的飞速发展使得污染源、污染物的多样化、复杂化趋势日渐明显；地 下水在城市供水中的比例急剧上升，开发利用程度日益加剧；地下水资源缺乏科学 有效的规划和管理，导致地下水出现了严重的环境问题，如水位持续降低、严重超 采和全球性污染等。此外，与地下水有关的环境问题在部分城市和地区日益严重， 如地面塌陷和沉降、土壤盐渍化和沙漠化等问题【5 】。 随着经济的飞速发展和城市化步伐的加快，生活垃圾产生量急剧增加。我国绝 大多数垃圾都是运往郊外进行露天堆放。目前，垃圾堆积如山已使2 0 0 多座城市面 临被“垃圾山 包围的处境【6 l 。经济发展与环境保护的矛盾愈发明显。 研究区所处城市饮用水的2 3 来自于地下水，人均饮用水占有量非常低，仅相 当于全国平均值的1 8 和世界平均值的1 3 0 ，是一个水资源严重匮乏的城市【7 】。该 城市固体垃圾可分为生活垃圾、建筑垃圾( 工业垃圾包含在建筑垃圾中) 和混合性 垃圾。近年来，随着居民生活水平的不断提高，垃圾总量已接近4 1 0 7 吨。如此大 的垃圾量导致水体受到不同程度的污染，已对该市的发展造成了严重的影响。尽管 该市垃圾无害化处理效率和处理水平都在不断提高，但在短期内，已有的垃圾填埋 场对环境的污染影响难以彻底消除，污染影响程度和污染范围还在日益扩大。 我国现有的垃圾堆放场大多数都是将垃圾直接露天堆放，没有经过科学严谨的 设计、未采取任何防渗和卫生防护措施，对周围的大气、水体以及土壤环境系统均 造成了严重的污染1 8 j 。垃圾的不合理堆放对水体的污染主要源自于产生的垃圾渗滤 液。它是一种污浊液体，是垃圾压实和生物降解过程中生成的水、自然降水、地表 水、地下水经垃圾层渗出的，成分相当复杂，包含大量的无机盐、有机物及多种多 样含量超标的重金属物质【9 】。垃圾渗滤液一旦进入地下含水层，污染的修复治理非 常困难，经济代价和环境代价都非常的高。 n a + n 0 3 一n b o d s 总铁 s s 总硬度 m 9 2 + c a 2 + c l - t p 5 0 0 2 5 1 0 0 0 0 5 0 0 3 5 0 0 2 5 0 5 0 0 3 0 垃圾渗滤液进入地下水形成污染羽，由三部分组成：厌氧带、过渡带和好氧带 ( 图1 1 ) 。污染羽后端是厌氧带，其内微生物主要进行厌氧呼吸；中间过渡带内缺 氧微生物主要进行兼氧性呼吸；前端的好氧带内微生物主要进行好氧呼吸。在污染 羽后端，厌氧带的形成主要是由有机物耗氧降解消耗含水层的0 2 而导致的。在缺氧 带内，硝化细菌的新陈代谢非常微弱，故n h 4 + - n 可以稳定存在。随着时间的推移， 渗滤液随着水流向下游迁移。迁移过程中有机物浓度不断降低，当耗氧速率 2 0 r a g l ) 的将近占了2 2 ，且地下水中n 0 3 - 含量呈逐年上升趋势。资料 显示：我国北方地区的地下水n 0 3 污染普遍比较严重，尤其是在以地下水作为 4 生活饮用水水源的农村地区。例如东北地区的吉林市，地下水n 0 3 - n 超标率 为2 0 ；西南地区的拉萨市，地下水n 0 2 - n 超标率在1 5 3 0 。随着经济的 发展，n 0 3 已成为世界范围内地下水中( 特别是浅层地下水) 最普遍的污染因 子，且污染程度呈不断增加的趋势。 地下水中n 0 3 浓度的提高会对人们的身体健康造成严重的伤害【州。n 0 3 。 本身对人体没有毒害作用，但其在人体内经n 0 3 还原菌作用后会被还原为n 0 2 ( 毒性是n 0 3 毒性的1 1 倍) 。这是因为血液中的亚铁血红蛋白经n 0 2 氧化后可 变为高铁血红蛋白，导致生成的红血球不再具有携带0 2 的能力；n 0 2 - 还可与血 红蛋白发生不可逆反应，形成同样不具备携带0 2 能力的硝基血红蛋白，从而导 致人体因为缺氧出现窒息现象。成年人血液中高铁血红蛋白的含量s 1 ，主要 是因为成年人体内有些酶可促使高铁血红蛋白发生可逆反应转换回亚铁血红蛋 白。但是，这种特定的酶在婴幼儿体内含量甚微，致使他们对n 0 3 的耐受力较 低。临床上的高铁血红蛋白症就是在高铁血红蛋白含量较高时，婴儿出现的粘 膜变蓝以及消化和呼吸系统疾病【2 5 1 。当饮用水中n 0 3 - - n 含量达到9 0 1 4 0 m g l 时，婴儿即能出现高铁血红蛋白症( 俗称蓝婴病) ，当血液中高铁血红蛋白的含 量达到7 0 时，将引发窒息死亡1 2 0 3 。美国在1 9 5 4 年便对因饮用水中含高浓度 n o a 。n 引起的婴儿高铁血红蛋白症的病例进行了报道。某些特殊群体( 长期暴 露在化学药物下) ，会大大增加患高铁血红蛋白症的机率。因此建议年龄 1 0 m g l ) 污染的水。人类若长期饮用 n 0 3 。或n 0 2 超标的水，智力会下降；儿童长期饮用此类水，听觉和视觉的条件 反射会受到破坏。医学研究发现：饮用水高n 0 3 - 与糖尿病、高血压的高发率有 很密切的关系。即使在某些碘含量很高的地区，饮用水中的高n 0 3 含量也会导 致地方性甲状腺肿，且会干扰人体对维a 的有效吸收，导致产生维a 缺乏症， 出线血质下降、心动过速等临床现象。 流行病学研究表明：n 0 3 摄入量大的人群，癌症的发病率也相应较高。这 是因为：n 0 3 。在人体内转化为n 0 2 - 后，在各种有机含氮化合物( 胺、尿素、氰 胺等) 的作用下会形成亚硝基化合物，其致癌、致畸、致突变性会诱导人体产生 肠道、胃、神经系统、骨骼、皮肤等肿瘤疾病，并且其化学稳定性很强，很难 在人体内转化【2 7 , 2 8 1 。日本、英国等国家均报道：n 0 3 、n 0 2 与胃癌发病率的相 关性很大。江苏泰县、山西阳城、河南林县等地区的癌症高发率与当地水源中 高n 0 3 。含量密切相关。据统计，n 0 3 - 和n 0 2 是目前所有污染物中致癌率最高的 2 9 1 。水体中硝酸盐含量过高还会诱发鱼虾等水生生物发生病变，导致严重的经 济损失【3 们。 受n 0 3 。污染的地下水会直接或间接的危害人体健康，所以世界各国对饮用 水中n 0 3 的含量都有一个标准浓度限值。世界卫生组织规定n 0 3 - n 浓度 1 0 m g l ，推荐标准浓度为5 m g l ，n 0 2 。n 浓度5 0 9 1 m g l 3 l 】。美国e p a 等环 5 境组织规定了最高n 0 3 - - n 限值为l o m g l ，n 0 2 - n 限值为l m g l 3 2 3 3 】。欧盟组 织提出的n 0 3 - n 最高允许值为5 0 m g l ，推荐允许浓度值为5 6 m g l ，n 0 2 - - n 推荐允许浓度值为0 0 3 m g l 。我国饮用水n 0 3 - n 浓度由1 9 8 6 年开始实施的饮 用水水质标准( g b 5 7 4 9 1 9 8 5 ) 2 0 m g l 提高到2 0 0 7 年7 月开始执行的饮用水净 水水质标准( c j 9 4 2 0 0 6 ) l o m g l 。美国 5 0 ，n 0 3 - n 检测的最大浓度为4 6 4 m g l ，由于这些井位于研究区填埋场中间，致使其 n h 4 + - n 检测浓度远远大于附近其他监测井，最大检测浓度为6 5 1 m g l ，远远 超过了标准限值。 2 2 地下水原位修复影响因素研究 有关资料表明：碳源、c n 比、温度、p h 、d o 等是生物反硝化作用强弱的 重要影响因素p5 。其中最主要的是反硝化菌群的活性、营养碳源及其配比。反 硝化菌群的活性强弱决定着生物脱氮作用强度的大小，是生物脱n 作用的首要 条件；o c 的存在，是生物反硝化作用的促进条件。这些要素均可在实验室中通 过模拟地下水条件来实现。基于此，我们对反硝化作用的影响因素开展了相应 的实验探究。 2 2 id o 对地下水反硝化作用的影响 d o 的存在对反硝化过程有很大影响。如果反应器中d o 浓度太高，会对 反硝化菌的异化作用产生抑制作用。它的反应机制有两种：一是阻碍并抑制了 硝酸盐还原酶的形成；二是d o 充当电子受体，从而竞争性的阻碍了硝酸盐还 原反应的发生。前人对脱氮有机物纯种培养的研究表明：地下水环境中反硝化 作用的d o 浓度小于2 0 m g l ，厌氧或半厌氧环境利于反硝化作用的进行。过 高浓度d o 的存在阻碍了把末端电子传输给硝酸盐还原所需酶的形成，在反硝 化过程中d o 过高时，反硝化菌将首先利用d o 作为电子受体，从而竞争性地 阻碍了硝酸盐的还原，影响了硝酸盐氮的去除率。故一般情况下，反硝化系统 内的d o 浓度应保持低于2 0 m g l ，否则会影响反硝化作用的正常进行惭】。 一般情况下，地下水中d o _ 2 0 m g l ，但是考虑到浅层地下水中d o 浓度 有时会高于2 0 m g l ，此处我们设定了低浓度和高浓度d o 条件对照组进行实 验研究。在实验前期先测定水样d o 值，为下面的对照实验做准备。 ( 1 ) 低浓度d o 条件对反硝化作用的影响 为了探讨研究区地下水中主要污染物硝酸盐的降解情况，取2 5 0 m l 一定浓 度的地下水水样倒入血清瓶中，在瓶中加入大量葡萄糖作为有机营养碳源。瓶 中d o _ 2 m g l ，用封口膜密封，保持低氧环境。取样检测硝酸盐氮、亚硝酸盐 氮和氨氮的浓度变化情况，硝酸盐氮浓度变化趋势如图2 1 所示： 1 3 3 0 2 5 2 0 - _ 】 旨1 5 c ) 1 0 5 0 024681 01 2 t d 图2 1 低氧条件下硝酸盐氮浓度变化趋势图 f i g u r e2 - 1t h ec o n c e n t r a t i o nc u r v eo f n i t r a t en i t r o g e nu n d e ra n a e r o b i cc o n d i t i o n s 从图2 1 可以看出：在低氧条件下，整个试验体系硝酸盐氮浓度不断降低。 第7 天时，硝酸盐氮浓度已降至初始浓度的1 2 5 ，第1 1 天去除率已达1 0 0 ， 降解效果非常好，完全达到了去除地下水中硝酸盐的目的。硝酸盐降解呈阶段 性，0 l 天反硝化菌处于调整适应期，降解速率相对较低，在l 3 天降解速率 最大，体系中微生物的活性最强。其后，随着体系中硝酸盐浓度不断降低，降 解速率也随之降低。 为研究低氧条件下反应体系中的条件变化状况，我们还采用六位参数水质 检测仪检测了水样中p h 值和o r p ( 氧化还原电位) 的变化。从它们的变化趋 势可以看出：在整个试验期间，地下水p h 值都保持在在6 5 7 5 之间，o r p 1 5 0 m v ，实验体系保持了较好的低氧条件。 研究证明：研究区地下水中含有降解硝酸盐的土著微生物且适应性和活性 均较强。在低d o 浓度条件下，微生物可通过外加碳源强化反硝化作用在较短 的时间内降解去除硝酸盐。 ( 2 ) 高浓度d o 条件对反硝化作用的影响 除d o 浓度不同外，其余条件均与低氧条件对反硝化作用的影响实验一致。 高浓度d o 条件下硝酸盐氮浓度变化趋势如图2 2 所示： 从图2 2 可以看出：在对照组实验中，硝酸盐氮降解效率很低，在第11 天 时去除效率仅达3 7 ，远低于低氧条件下的硝酸盐氮去除率。硝酸盐氮降解速 率在整个试验期间处于波动状态，并且降解速率很低。这说明：在d o 浓度较 高的条件下，反硝化菌体内酶的活性受到了影响，使其无法发挥正常功能，反 硝化作用受到了抑制，硝酸盐在这种条件下很难实现完全降解。 1 4 3 0 2 5 2 0 一 兽1 5 o 1 0 5 o o246 81 0 1 2 t d 图2 2 高氧条件下硝酸盐氮浓度变化趋势图 f i g u r e2 - 2t h ec o n c e n t r a t i o nc u f v eo fn i t r a t en i t r o g e nu n d e ra e r o b i cc o n d i t i o n s 地下水中的d o 一般在2 0 m g l 以下，可完全满足生物反硝化作用的进行。 地下水中含有的低d o 浓度为微生物原位修复提供了必要的条件。为了模拟地 下水环境，我们后期的模拟修复实验均采用n a 2 s 0 3 调节水样d o 浓度，使其保 持在2 0m g l 以下。 2 2 2p h 值对地下水反硝化作用的影响 p h 值是影响反硝化效率、反硝化速率和反硝化最终产物的一个重要因素。 有研究表明，反硝化作用进行的最佳p h 值为6 5 8 o ，与地下水环境很相近。 在此范围内，反硝化速率较大，反硝化效率较高；当p h 值不在此范围内，反 硝化速率降低。与此同时，环境p h 值会影响反硝化反应的最终产物，当p h 值 8 0 时，会导致亚硝酸盐的累积， p h 值越高，亚硝酸盐的累积量越多，主要是因为：硝酸盐还原酶对环境p h 值 没有亚硝酸盐还原酶敏感，过高或过低的p h 值均抑制了亚硝酸盐还原酶的活 性，而对硝酸盐还原酶的活性影响不是很大。 环境的酸碱条件对微生物降解有非常重要的影响，过高或过低的p h 值均 抑制了微生物的反硝化作用。研究区地下水的p h 范围非常适合反硝化作用的 快速和高效进行。 2 2 3 温度对地下水反硝化作用的影响 反应温度与微生物的生长、繁殖关系密切。温度决定着酶的活性和微生物 的生长繁殖速度等，对污染物的去除起着非常重要的作用。据研究：一般情况 下，当温度在2 0 c 3 5 范围内，可获得较好的处理效果，生物反硝化作用随 温度的升高而增强。但是当不在适宜范围内即超过最高生长温度时，会使微生 物的酶系统因p r 变性而迅速失去活性；过低的温度虽然不会使微生物死亡，但 会使其新陈代谢活力降低，生长繁殖基本处于停滞状态。与其他的生物处理过 程相比较，温度对反硝化作用的影响要更大一些，其最适宜的运行温度范围在 2 0 3 5 之间。当温度 1 5 时，反硝化速率明显下降；当温度 5 时，多 数情况下反硝化速率极低1 6 酬。 本次研究中，我们选用研究已经非常成熟的常规碳源一乙醇投加到摇瓶中， 模拟地下水水温，分别在2 6 和1 6 下进行对照试验。乙醇初始t o c 浓度均 为1 0 0 m g l ，2 6 时硝酸盐氮浓度变化趋势如图2 3 ： 6 0 5 0 o4 0 旨3 0 j2 0 1 0 o 7 0 6