乙醇在地下水硝酸盐污染去除中的影响因素研究

乙醇在地下水硝酸盐污染去除中的影响因素研究李晓力，陈余道，林鹏(桂林理工大学，广西桂林541004)摘要:乙醇作为有机碳源，可以有效的促进地下水中微生物的反硝化作用。进行了两次砂柱多孔介质中的投注实验，投注液为乙醇和硝酸盐的混合溶液。实验结果发现反硝化作用本身并不消耗溶解氧，而高浓度乙醇的催化氧化作用是砂柱中溶解氧的主要消耗来源。进水乙醇浓度较低时，中间产物亚硝酸盐先积累后消耗，反应稳定后不会存在于地下水中。尽管两次实验乙醇浓度并不相同，但参与反应过程的实际C/N均在2．55左右。整个反硝化作用符合零级动力学反应特征，是一个恒定速率的过程。关键词:生物降解;硝酸盐;反硝化;砂柱多孔介质;动力学中图分类号:X131．2文献标识码:B文章编号:1001-9235(2014)03-0112-04收稿日期:2014-02-27作者简介:李晓力，男，安徽合肥人，主要从事水文与水资源研究。0前言地下水中硝酸盐污染的去除方法很多，包括物理、化学和生物法等，而生物法中利用地下水中土著微生物促进反硝化作用进行原位修复是一类比较经济实用的方法。地下水中微生物的反硝化作用需要提供合适的碳源，目前常见的固态碳源有棉花、报纸和秸秆等［1－5］。而液态有机碳源的选择主要包括甲醇［6］、乙醇［7］、乙酸［8］和葡萄糖［9］。其中乙醇作为碳源投放在地下水中，硝酸盐去除率高，对环境的影响也不明显［10－11］，通过微元体、沙柱和含水砂槽实验研究发现乙醇作为电子供体，去除地下水中硝酸盐的过程不需要外来菌种，具有很大的应用潜力［12］。本次试验就是在前人成果的基础上，通过两次砂柱实验对乙醇增强微生物反硝化作用过程中溶解氧(DO)的影响，反应中间产物亚硝酸盐的变化规律以及反应碳氮质量比(C/N)对整个反应过程的影响等进行研究。1研究方法1.1实验装置实验选用厚度为4mm的有机玻璃管，长1200mm，内径为40mm，内部装填物为取自大河村漓江一级阶地河边的细河砂(粒径＜0.5mm)和粗砂(2mm＜粒径＜2.5mm)。最下端铺设10mm厚的粗砂，中间为1100mm的细河砂，最上层90mm的粗砂。实验砂柱下端连接蠕动泵，通入实验溶液。溶液原水取自当地地下水，并经过了一周的静置，使其溶解氧达到饱和状态(8ppm＜DO＜8.5ppm)。以120ml/h的流速从底部为砂柱连续通入浓度为500±10mg/l的KNO3溶液30d，使其均匀充满整个砂柱，长期对上端出水取样确定其离子组分浓度和DO数值(表1)。图1实验砂柱示意把实验砂柱看做多孔柱状体，假设砂柱中孔隙的分布是均匀且各向同性，那么其间水溶液的运动就可以看做是一维稳定流。在进水溶液中添加一定浓度KBr作为示踪剂进行示踪渗透实验［13］，利用达西定律计算出砂柱的有效孔隙度，并确定此流速下的溶质在砂柱中的平均滞留时间(表1)。1.2实验原理对于地下水中高浓度的硝酸盐污染，只要适当的添加有机碳源，就可以大大促进反硝化微生物的作用。在前人论证添加乙醇作为有机碳源可行性的基础上，从乙醇以及中间反应产物乙酸与硝酸盐反应的化学方程式也可以看出。211人民珠江2014年第3期·PEAＲLＲIVEＲdoi:10.3969/j.issn.1001-9235.2014.03.035表1实验砂柱背景参数Nitrate/(mg·l－1)EtOH/(mg·l－1)Nitrite/(mg·l－1)Acetate/(mg·l－1)DO/ppm有效孔隙度/%滞留时间/h500±100002.739.845C2H5OH+12NO－3→6N2+10HCO－3+9H2O+2OH－(1)5CH3COO－+13H++8NO－3→4N2+10CO2+14H2O(2)理论上，1mol的乙醇可以去除2.4mol的硝酸盐，1mol的乙酸可以去除1.6mol的硝酸盐。而同时乙醇被催化氧化会生成乙醛，进一步催化氧化会产生乙酸，反应方程式为:2C2H5OH+O2→2CH3CHO+2H2O(3)2CH3CHO+O2→2CH3COOH(4)前人的实验［12］中，投入的乙醇量与待去除的硝酸盐量远远超过了反应式中的比例，而实验过程中乙醇的反硝化反应、乙醇的催化氧化以及乙酸的反硝化反应是可能同时进行的，因此通过本文实验探寻反应实际所需的碳氮比。1.3实验设置第一次实验在进水背景溶液的基础上，取食用酒二锅头(56°)作为实验用乙醇来源，使进水溶液中乙醇浓度达到500mg/l左右，调整流速为12ml/h，理论平均滞留时间为40h。前20h每4h取一次样品，20h后每1h取一次样品一次，60h后取样间隔为2h，实验总长为80h。每次取样量为12ml。第二次实验针对初次实验中出水DO远低于进水值，可能存在有机碳源残留或者反硝化细菌生长耗氧的问题，所以将砂柱内水流放空并打开砂柱两端暴露在空气中一周，再