地下水硝酸盐生物处理技术研究进展-张建美

［收稿日期］２０１３－０９－２０［基金项目］国家自然科学基金项目（４１３７１４６４）；湿地生态与农业利用教育部工程研究中心开放基金项目。［作者简介］张建美（１９７６－），女，博士，讲师，现主要从事水环境及水处理方面的教学与研究工作。地下水硝酸盐生物处理技术研究进展张建美（长江大学地球环境与水资源学院，湖北武汉４３０１００）郝会玲（中国地质大学（北京）水资源与环境学院，北京１０００８３）［摘要］生物处理技术具有高效、低耗的特点，在地下水硝酸盐处理过程中有着广泛的应用前景。简要阐述了硫自养反硝化、氢自养反硝化以及异养反硝化的原理，概述了近些年来国内外地下水硝酸盐生物处理技术的研究现状，指出了不同生物处理技术存在的主要问题及其解决途径。最后指出了地下水硝酸盐生物处理技术需深入研究的内容，同时展望了以后的发展前景。［关键词］地下水；硝酸盐；生物反硝化；碳源［中图分类号］Ｘ５２３［文献标志码］Ａ［文章编号］１６７３－１４０９（２０１４）０１－００２４－０４地下水作为一类重要的淡水资源，在世界各国有着广泛的应用。然而近几十年来，由农业氮肥的使用、畜牧业的发展、污水灌溉、生活污水排放等引起的地下水硝酸盐污染成为一个严重的环境问题。饮用水中硝酸盐含量过高容易引起高铁血红蛋白症，甚至会诱发癌症，对人体造成危害［１，２］。鉴于此，世界各国对饮用水中的硝酸盐氮（ＮＯ－３—Ｎ）浓度均制定了标准值，世界卫生组织（ＷＨＯ）规定的最高限值为１１．３ｍｇ／Ｌ［３］。我国从２００７年７月起实施的生活饮用水卫生标准（ＧＢ５７４９—２００６）也将硝酸盐的最高允许浓度从原来的２０ｍｇ／Ｌ降至１０ｍｇ／Ｌ。因此，去除地下水中的硝酸盐使其含量满足饮用水标准至关重要。地下水硝酸盐处理技术包括物理法、化学法及生物法。物理法包括离子交换法、反渗透膜法和电渗析法等，虽然这些方法具有较成熟的经验，去除硝酸盐的效率高，但是并没有彻底将硝酸盐从环境中去除，只是将其从地下水中转移到其他介质中或变成浓缩液。化学法主要是利用还原剂将硝酸盐还原，常用的还原剂有金属Ｆｅ、Ａｌ等。化学修复技术能快速去除硝酸盐，适应不同反应条件，但是引入新的化学药剂作为还原剂容易形成副产物，造成二次污染［４］。地下水硝酸盐生物处理是指利用微生物的反硝化作用，将地下水中的硝酸盐氮最终转化为Ｎ２的过程，由于生物处理具有高效、低耗的特点，得到了广泛的关注。根据处理过程中反硝化菌利用的碳源形式，生物反硝化可分为自养反硝化和异养反硝化２种。１自养反硝化自养反硝化是指反硝化菌以Ｓ、Ｈ２等还原型无机物作为电子供体、以ＣＯ２、ＣＯ２－３、ＨＣＯ－３等无机碳作为能源物质去除硝酸盐的过程。自养反硝化微生物产量低、污泥量少、无有机碳源的二次污染问题，有良好的应用前景。根据电子供体的不同，自养反硝化又可分为硫自养反硝化和氢自养反硝化。１．１硫自养反硝化硫自养反硝化是在厌氧或缺氧条件下，某些无机化能营养型、光能营养型的硫氧化细菌利用硝酸盐作为电子受体，单质硫或还原性硫化物作为电子供体，将硝酸盐氮还原为氮气的过程。硫自养反硝化的原理如下［５］：５５Ｓ＋５０ＮＯ－３＋３８Ｈ２Ｏ＋２０ＣＯ２＋４ＮＨ＋４→４Ｃ５Ｈ７Ｏ２Ｎ＋２５Ｎ２＋５５ＳＯ２－４＋６４Ｈ＋万东锦等［６］利用硫自养反硝化法去除地下水中的硝酸盐，发现在地下水不经任何预处理的条件下，该方法能有效地去除地下水中的硝酸盐。自然界中大多数自养反硝化细菌最合适的ｐＨ值为中性，但是，硫自养反硝化是一个产酸的过程，因此有人在反应过程中添加了石灰石，缓冲反应过程中ｐＨ值的降低。Ｓｉ－·４２·长江大学学报（自科版）２０１４年１月号理工上旬刊第１１卷第１期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＹａｎｇｔｚｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔＳｃｉＥｄｉｔ）Ｊａｎ．２０１４，Ｖｏｌ．１１Ｎｏ．１ｅｒｒａ－Ａｌｖａｒｅｚ等［７］把硫和石灰石（体积比为１∶１）加入到生物反应器中作为反硝化的电子供体，当反应器的容积负荷和进水硝酸盐浓度分别为２１．６ｍｍｏｌ／（Ｌ·ｄ）和７．３ｍｍｏｌ／Ｌ时，硝酸盐几乎被完全去除，且反应过程中基本没有亚硝酸盐和硫化物的积累。硫自养反硝化产生高浓度的硫酸盐，因此硫的投加量需要严格控制，否则加入的过量硫需要进行后续处理，而生成的ＳＯ２－４也会造成地下水的二次污染。１．２氢自养反硝化氢自养反硝化是指利用氢气作为电子供体，硝酸盐作为电子受体将硝酸盐还原为Ｎ２的过程，反应方程式如下［８］：２ＮＯ－３＋５Ｈ２＋２Ｈ＋→Ｎ２＋６Ｈ２ＯＨ２本身清洁无害，不存在因投加过量而造成污染的问题，但是由于氢气在水体中溶解度很小，如何能够使氢气在水中有较高的利用效率是制约该技术发展的关键。供氢方式一般可分为外部供氢和内部供氢，夏四清等［９］用０．０５ＭＰａ的氢分压向反应器内注入氢气，研究了氢自养反硝化细菌的反硝化性能。但外部直接供