HatCreek煤作为固相有机省略源去除地下水中硝酸盐氮的基础研究李頔

DenitrificationofGroundwaterUsingHatCreekLigniteasSolidPhaseOrganicCarbonSourceLIDi1,GUOQiong2,JIANGTing-liang1,WANGHe-li1*,K.L.Pinder21Schoolofwaterresourcesandenvironment,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing),Beijing,China,1000832DepartmentofBiological&ChemicalEngineering,theUniversityofBritishColumbia,Vancouver,B.C.V6T1Z3,[e-mail][e-mail]:Thestudydiscussesthedifferentperformanceofnitrateremovalfromgroundwaterwithextracar-bonsourceaddingornot,whichiscarriedoutbyusingHatCreekCoalandBio-ceramicasfilterbedintwoseparatedprocesses.Theexperimentalresultsindicatedthatbothstuffingcanbeusedasbiologicaldenitrifi-cationcarrierfilterwithextracarbonsourceandremovedthenitrateeffectively.TheextracarbonsourcedoesnotaffectthenitrateremovaleffectofBio-ceramic.Onthecontrary,HatCreekCoalplayedtheroleasbothcarbonsourceandbiofilmcarrier.Fortreatinggroundwaterwithlownitratepollution,thequalityofeffluentcouldachievedGB/T14848-93Ⅲstandardofgroundwater.Keywords:groundwater;nitratepollution;denitrification;solidphaseorganiccarbonsourceHatCreek煤作为固相有机碳源去除地下水中硝酸盐氮的基础研究李頔1，郭琼1，姜廷亮1，王鹤立1*，K.L.Pinder21中国地质大学（北京）水资源与环境学院，北京，中国，1000832加拿大不列颠哥伦比亚大学生物与化学工程系,温哥华,加拿大,[e-mail][e-mail]【摘要】研究对比了有无外加碳源两种情况下，HatCreek煤和陶粒滤床对地下水中硝酸盐的去除效果。结果表明，在外加碳源的条件下，两种材料均可作为生物反硝化的载体填料，有效去除硝酸盐；在无外加碳源的情况下，陶粒滤床对硝酸盐无明显去除效果，而HatCreek煤则可以同时发挥固相有机碳源和生物膜载体的双重作用，对较低浓度的硝酸盐污染地下水修复，出水水质可达到GB/T14848-93Ⅲ类地下水标准。【关键词】地下水；硝酸盐污染；生物反硝化；固相有机碳源1引言近年来，由于生活污水和工业废水的排放及渗漏，农村地区大量化肥和农药的施用，粪便垃圾、固体废弃物的淋滤下渗，大气氮氧化合物干湿沉降，污水的不合理回灌，以及地下水的超量开采等，导致地下水中硝酸盐氮浓度呈上升趋势[1]，并成为一个重要的环境问题。目前硝酸盐去除技术有离子交换法、反渗透法、电解法、化学还原法、生物脱氮法等。但从彻底消除地下水中硝酸盐污染和降低脱硝成本这两个方面看，生物反硝化方法是目前已投入实用的最经济和有效的方法[2]。但地下水中有机碳含量低，通常需要外加碳源以满足生物反硝化对碳源的需求。已有试验研究结果表明，常用液态碳源如甲醇、乙醇等供碳效果较好，但存在管理和运行复杂、投资大且出水中常有液态碳源残留等缺点[3-5]；而固态碳源多为天然材料如锯屑、稻草、树皮等，其碳释放量具有不可控性，易造成二次污染和含水层堵塞等问题[6]。资助信息：国家自然科学基金(2007A090302101)；国家水体污染控制与治理科技重大专项(2008ZX07212-003)；“十一五”国家科技支撑计划项目（2006BAJ08B09-04）本研究以加拿大距离温哥华32km的CacheCreek地区出产的褐煤（以下称HatCreek煤）作为固相有机ConferenceonEnvironmentalPollutionandPublicHealth978-1-935068-16-7©2010SciRes.1123碳源和生物膜载体去除地下水中硝酸盐。HatCreek煤是含有有机成分的亚稳定固体材料，含有C、N、P等成分，可以向微生物提供少量营养[7-8]；由于HatCreek煤是有机物但是具有比其他有机填料如堆肥、泥煤、木屑等更为坚硬的结构，因而此种煤有望作为载体提供更好的微生物接触表面[9]，为固相生物反硝化的实际应用提供新的碳源和载体。2试验材料与方法2.1试验材料试验选用粒径为10-40mm的不规则颗粒状HatCreek煤作为滤层填料，同时选取无释碳能力的生物陶粒作为对比。生物陶粒密度为1.62g/cm3，堆积密度为0.72g/cm3，比表面积约为4m2/g，内孔隙率约为28%。试验进水由自来水配置而成，以KNO3为氮源，K2HPO4为磷源。NO3--N为30mg/L和50mg/L两个浓度，磷的浓度为5mg/L。本试验所用的污泥取自于北京市清河污水处理厂曝气池，污泥浓度8g/L。2.2试验装置试验装置采用4根内径60mm的有机玻璃柱制成，总高度为450mm，填料高度为300mm，出水液面高度为50mm以保证缺氧环境，反应柱顶端与大气连通以排除反硝化产生的氮气。4根反应柱由两组配水箱经两台双通道恒流泵分别供水，如图1所示。出水进水恒流泵取样口承拖板1号2号4号3号配水箱B配水箱AFigure1.TestEquipment图1.试验装置2.3分析方法水质指标的检测方法均参照《水和废水检测分析方法》（第四版）执行，具体方法如表1。Table1.Methodofwaterqualitydetection表1.水质指标检测方法项目检测方法硝酸盐氮紫外分光光度法CODMn酸性法pHPHS-25型pH计温度温度计3结果与分析3.1反应器的启动载体材料填入反应器后用NO3--N浓度为30mg/L的试验配水浸泡3天，每天检测进出水NO3--N浓度。运行期第4-6天，在进水中添加浓度150mg/L的甲醇并在每个反应器内接种200mL污泥，此三天内停止对NO3--N浓度的检测。运行期第7天开始连续进水，NO3--N浓度为30mg/L，此后连续运行一个月，水力停留时间为24h。05101520253035400369121518212427运行时间（d）出水NO3--N浓度（mg/L）0102030405060708090100NO3--N去除率（%）进水煤出水陶粒出水煤去除率陶粒去除率Figure2.VariationofNO3--Ninreactorstartingperiod图2.反应器启动阶段NO3--N变化由图2可知，在20-25℃未接种反硝化细菌的情况下，以陶粒为载体填料的反应器对NO3--N的平均去除率约为15%，而以煤为载体填料的反应器对NO3--N的平均去除率不到10%，且在前三天去除率基本稳定。这表明，载体本身对NO3--N有一定的去除作用，但这一作用主要是物理吸附，对于给定的固-液体系，两个反应器在三天内均达到吸附平衡。接种反硝化细菌后，两反应器内NO3--N去除率达到了50%，但在反应器启动前八天，NO3--N去除率又有所下降，接近20%。约15天后两个系统的去除率都开始回升并趋于稳定，说明接种物逐渐适应反应器内的环境，反硝化菌数量开始增加。到第26天，去除率ConferenceonEnvironmentalPollutionandPublicHealth978-1-935068-16-7©2010SciRes.1124均达到80%以上，反应器启动完成。3.2以甲醇为外加碳源的硝酸盐去除率对比试验在进水NO3--N浓度分别为30mg/L和50mg/L，水力停留时间为24h的条件下，加入不同体积的甲醇，控制进水甲醇浓度分别为150mg/L，100mg/L，50mg/L和0mg/L，每天检测NO3--N浓度。由图3-图6可以看出，外加碳源的量对反硝化作用有明显影响。在进水NO3--N浓度为30mg/L条件下，由图3、图4可知，当甲醇浓度大于100mg/L时，外加碳源充足，分别装有陶粒和煤的两反应器均表现出很高的反硝化效率且差异不大，NO3--N平均去除率在80%以上，最高可达92%。当甲醇浓度降为50mg/L时，反硝化效率显著下降，两反应器的NO3--N去除率降为40%-60%，但两反应器间仍未出现明显差异。而未添加甲醇时，两反应器的反硝化作用出现明显差异：以煤为填料的反应器其NO3--N去除率略有下降，约为40%-50%；而以生物陶粒为填料的反应器其NO3--N去除率下降到了20%左右。由图3、图4对比分析可知，在碳源充足的情况下，反硝化速率快、效果好，这主要是因为甲醇是易生物降解的低级醇类，极易被反硝化细菌利用，因此具有较高的生物利用率。当甲醇浓度降到50mg/L时，碳源不足，反硝化细菌的内源反硝化增强，反硝化效率降低。虽然煤可以溶出少量有机物，但此时反硝化细菌优先利用易生物降解的甲醇，而对于难降解有机物的利用率很低，因此两反应器的硝酸盐去除率没有明显差异。当未添加甲醇时，以陶粒为载体的反应器内反硝化菌以内源反硝化为主，但反硝化效率很低；而以煤为载体的反应器内，因为反硝化细菌可以利用煤中的固相有机碳源，反硝化效率比以陶粒为载体的反应器明显提高。当进水NO3--N浓度增加为50mg/L后，如图5、图6所示，在甲醇浓度大于100mg/L时，其对硝酸盐去除率的影响与NO3--N浓度为30mg/L时相似。但当甲醇浓度降到50mg/L，两反应器的NO3--N去除率下降到了20%左右。除去甲醇后，以煤为载体的反应器NO3--N去除率仍维持在20%左右，而以陶粒为载体的反应器NO3--N去除率降为10%左右。分析其原因，主要是因为进水硝酸盐浓度提高，细菌的分解负荷增加，与此同时，在低碳源的情况下，菌体生长受到抑制，不能有效利用煤中的固相碳源，反硝化效率降低。010203040506070809010002468101214161820222426283032运行时间（d）NO3--N去除率（%）150mg/L100mg/L50mg/L0mg/LFigure3.NitrateremovalratebyHatCreekligniteunderconditionofinfluentNO3--Nconcentrationof30mg/Landdifferentconcentrationofexternalcarbonsources图3进水NO3--N浓度为30mg/L时不同浓度外加碳源条件下HatCreek煤对硝酸盐的去除率010203040506070809010002468101214161820222426283032运行时间（d）NO3--N去除率（%）150mg/L100mg/L50mg/L0mg/LFigure4.NitrateremovalratebyceramicunderconditionofinfluentNO3--Nconcentrationof30mg/Landdifferentconcentrationofexternalcarbonsources图4进水NO-3