CN101219832B - 用于硝酸氮污染地下水修复的释碳材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于硝酸氮污染地下水修复的释碳材料，主要由释碳剂、捕氧剂、KH2PO4、微量元素、粗砂、水泥和水构成。释碳剂为微生物的反硝化降解过程提供碳源；捕氧剂起到捕获消耗地下水中溶解氧，创造厌氧环境的作用；KH2PO4和微量元素为微生物的新陈代谢提供所必需的营养元素；粗砂用以增加释碳材料的渗透性；水泥和水则起到将释碳材料中其它各组分粘结在一起的作用。通过对地下水中硝酸氮反硝化降解的对比试验发现，使用本发明的营养复合型释碳材料，可以使原水中的溶解氧的浓度由4.1mg/L降低至0.1mg/L左右，硝酸氮的浓度则由103.4mg/L降至2.5mg/L，降解率高达到97.6％；而对比试验的硝酸氮降解效率仅为50.2％。
Description
技术领域
本发明涉及污染地下水修复技术领域，特别涉及遭受硝酸氮污染地下水的微生物修复过程中溶解氧捕获、碳源及营养供给的复合型材料及制备方法。
背景技术
地下水中硝酸氮污染程度呈逐年累积加重态势。引用硝酸氮浓度过高的水不仅对孕妇和婴幼儿有致命危害，而且会引发一些癌症的发生，甚至会直接导致以地下水为补给的地表水的“富营养化”问题。
目前常采用抽出处理的方式处理硝酸氮污染的地下水：通过抽水井把已污染的地下水抽至地表，然后采用各种污水处理手段将硝酸氮去除。根据硝酸氮去除机理的不同可分为蒸馏法、反渗透法、电渗析法、离子交换法、膜分离法等。但上述方法成本高、工艺复杂，且由于受到反应器负载和处理能力的限制，不适于大面积硝酸氮污染的地下水修复。
利用微生物的反硝化作用也是硝酸氮污染地下水常用的修复方法。该方法通过向硝酸氮污染的含水层中补充微生物新陈代谢过程中所需的碳源，在厌氧条件下利用土著微生物或外加优势菌的反硝化作用来降解硝酸氮。然而，地下水中含有的溶解氧使得地下水环境很难达到厌氧条件，且补充的碳源和外加优势菌在地下水水动力场条件下极易流失，造成了微生物降解效率的低下。也有研究者培养分离出耐氧反硝化菌，在好氧条件下也可达到硝酸氮的降解去除，但是，好氧反硝化条件苛刻以及修复成本昂贵，使得其在污染地下水的现场修复工程中几乎不可能实现。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有硝酸氮污染地下水的微生物修复技术中的缺点，提供一种新颖、高效、经济可行的营养复合型释碳材料及制备方法。该材料用于硝酸氮污染地下水的修复过程时，不仅可以作为微生物的碳源，还可以提供微生物生长繁殖所需的各种营养元素，同时，该材料能够捕获消耗地下水中的溶解氧，创造有利于微生物反硝化降解硝酸氮的厌氧环境。
本发明的营养复合型释碳材料的组成如下：
释碳剂 25％～40％；
捕氧剂 10％～30％；
KH2PO4 5％～10％；
微量元素 1％～5％；
粗砂 10％～18％；
水泥 10％～15％；
余量为水。
本发明的营养复合型释碳材料主要由释碳剂、捕氧剂、KH2PO4、微量元素、粗砂、水泥和水构成。其中释碳剂主要指葡萄糖、柠檬酸钠、锯屑、白糖、小麦粉或玉米粉一种或两种以上混合；捕氧剂主要指次磷酸钠、亚硫酸钠或硫酸亚铁一种或两种以上混合；微量元素主要指MgSO4·7H2O、Fe2(SO4)3、MnSO4·H2O和ZnSO4·H2O的混合物。营养复合型释碳材料中各组分的作用如下：释碳剂为微生物的反硝化降解过程提供碳源；捕氧剂起到捕获消耗地下水中溶解氧，创造厌氧环境的作用；KH2PO4和微量元素为微生物的新陈代谢提供所必需的营养元素；粗砂用以增加释碳材料的渗透性；水泥和水则起到将释碳材料中其它各组分粘结在一起的作用。
本发明是通过下述技术方案加以实现的：将释碳剂、捕氧剂、KH2PO4、微量元素、粗砂、水泥按照一定比例混合均匀，加水送入造粒机造粒，即得营养复合型释碳材料固体颗粒。通过挖——填或其它技术手段，将本发明的释碳材料固体颗粒置于遭受硝酸氮污染的地下含水层。当污染地下水流经该材料时，营养复合型释碳材料中的释碳剂释放出有机碳，同时KH2PO4和其它的无机盐组分溶于地下水中。由于本发明使用了能够捕获地下水中溶解氧的捕获剂，可以消耗地下水中的溶解氧，造成有利于微生物反硝化降解硝酸氮的厌氧环境。另外，由于将粉末状的释碳材料混合物制成固体颗粒，降低了比表面积，减缓了释碳剂的有机碳释放速率，同时避免了在地下水水动力场条件下的流失。当地下水穿过本发明的营养复合型释碳材料固体颗粒后，其中的溶解氧被捕获消耗，同时地下水会带着充足的有机碳以及微生物生长所需的营养元素进入下游区域，最终在微生物的反硝化作用下，使得遭受硝酸氮污染的地下水得到净化。
本发明的独特之处如下几点：
1)由于营养复合型释碳材料中使用了捕氧剂，可以捕获消耗地下水中的溶解氧，创造有利于硝酸氮的反硝化降解的厌氧环境。
2)由于营养复合型释碳材料中同时使用了释碳剂和微生物生长所需的营养元素，使得本发明在用于硝酸氮污染地下水的微生物修复过程时，集碳源和营养供给为一体；
另外，将粉末状的释碳材料混合物制成固体颗粒，降低了比表面积，减缓了释碳剂的有机碳释放速率，同时避免了在地下水水动力场条件下的流失。
3)由于营养复合型释碳材料中使用了水泥作为各组分的粘结剂，起到固体颗粒材料的“骨架”作用，当本发明用于地下水环境中时，不会因为水的作用而坍塌变形。
本发明的营养复合型释碳材料，将改变地下水的氧环境、寡营养状态和碳源供给为一体，构成了反硝化降解地下水中硝酸氮污染物的理想、高效的体系。正是由于上述手段的合理组合，解决了目前利用微生物厌氧降解机制的硝酸氮污染地下水修复技术领域存在的问题，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
实施例1：
营养复合型释碳材料的制备过程是：将葡萄糖、次磷酸钠、KH2PO4、微量元素(由MgSO4·7H2O、Fe2(SO4)3、MnSO4·H2O、ZnSO4·H2O组成)、粗砂、水泥混合均匀，加入水后送入造粒机造粒，即得营养复合型释碳材料的固体颗粒。上述混合物的质量百分比如下：葡萄糖为25％；次磷酸钠为30％；KH2PO4为5％；微量元素为5％(其中MgSO4·7H2O为1.45％、Fe2(SO4)3为1.05％、MnSO4·H2O为1.30％、ZnSO4·H2O为1.20％)；粗砂为15％；水泥为10％；水为10％。
实施例2：
营养复合型释碳材料的制作过程是：将柠檬酸钠、硫酸亚铁、KH2PO4、微量元素(由MgSO4·7H2O、Fe2(SO4)3、MnSO4·H2O、ZnSO4·H2O组成)、粗砂、水泥混合均匀，加入水后送入造粒机造粒，即得营养复合型释碳材料的固体颗粒。上述混合物的质量百分比如下：柠檬酸钠为40％；硫酸亚铁为19％；KH2PO4为10％；微量元素为1％(其中MgSO4·7H2O为0.30％、Fe2(SO4)3为0.15％、MnSO4·H2O为0.40％、ZnSO4·H2O为0.15％)；粗砂为10％；水泥为15％；水为5％。
实施例3：
营养复合型释碳材料的制作过程是：将玉米粉、亚硫酸钠、KH2PO4、微量元素(由MgSO4·7H2O、Fe2(SO4)3、MnSO4·H2O、ZnSO4·H2O组成)、粗砂、水泥混合均匀，加入水后送入造粒机造粒，即得营养复合型释碳材料的固体颗粒。上述混合物的质量百分比如下：玉米粉为35％；亚硫酸钠为10％；KH2PO4为8％；微量元素为3％(其中MgSO4·7H2O为1.00％、Fe2(SO4)3为0.50％、MnSO4·H2O为0.95％、ZnSO4·H2O为0.55％)；粗砂为18％；水泥为13％；水为13％。
实施例4：
营养复合型释碳材料的制备过程是：将葡萄糖、锯屑、次磷酸钠、硫酸亚铁、KH2PO4、微量元素(由MgSO4·7H2O、Fe2(SO4)3、MnSO4·H2O、ZnSO4·H2O组成)、粗砂、水泥混合均匀，加入水后送入造粒机造粒，即得营养复合型释碳材料的固体颗粒。上述混合物的质量百分比如下：葡萄糖为10％；锯屑为15％；次磷酸钠为20％；硫酸亚铁为10％；KH2PO4为5％；微量元素为5％(其中MgSO4·7H2O为1.50％、Fe2(SO4)3为1.00％、MnSO4·H2O为1.35％、ZnSO4·H2O为1.15％)；粗砂为15％；水泥为10％；水为10％。
实施例5：
营养复合型释碳材料的制作过程是：将柠檬酸钠、小麦粉、亚硫酸钠、硫酸亚铁、KH2PO4、微量元素(由MgSO4·7H2O、Fe2(SO4)3、znSO4·H2O、ZnSO4·H2O组成)、粗砂、水泥混合均匀，加入水后送入造粒机造粒，即得营养复合型释碳材料的固体颗粒。上述混合物的质量百分比如下：柠檬酸钠为10％；小麦粉为30％；亚硫酸钠为10％；硫酸亚铁为9％；KH2PO4为10％；微量元素为4％(其中MgSO4·7H2O为1％、Fe2(SO4)3为1％、MnSO4·H2O为1％、ZnSO4·H2O为1％)；粗砂为10％；水泥为15％；水为5％。
实施例6：
营养复合型释碳材料的制作过程是：将玉米粉、锯屑、白糖、次磷酸钠、硫酸亚铁、亚硫酸钠、KH2PO4、微量元素(由MgSO4·7H2O、Fe2(SO4)3、MnSO4·H2O、ZnSO4·H2O组成)、粗砂、水泥混合均匀，加入水后送入造粒机造粒，即得营养复合型释碳材料的固体颗粒。上述混合物的质量百分比如下：玉米粉为10％；锯屑为20％；白糖为5％；次磷酸钠为5％；硫酸亚铁为4％；亚硫酸钠为1％；KH2PO4为8％；微量元素为3％(其中MgSO4·7H2O为0.95％、Fe2(SO4)3为0.45％、MnSO4·H2O为0.95％、ZnSO4·H2O为0.65％)；粗砂为18％；水泥为13％；水为13％。
通过对地下水中硝酸氮反硝化降解的对比试验发现，使用本发明的营养复合型释碳材料，可以使原水中的溶解氧的浓度由4.1mg/L降低至0.1mg/L左右，硝酸氮的浓度则由103.4mg/L降至2.5mg/L，降解率高达到97.6％；而对比试验的硝酸氮降解效率仅为50.2％。
本发明提出的营养复合型释碳材料及制备方法，已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的制作方法进行改动或适当变更与组合，来实现本发明技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中
Claims (2)
1.一种用于硝酸氮污染地下水修复的释碳材料，其特征是组成和重量百分比含量如下：
释碳剂 25％～40％；
捕氧剂 10％～30％；
KH2PO4 5％～10％；
微量元素 1％～5％；
粗砂 10％～18％；
水泥 10％～15％；
余量为水；
其中微量元素是指MgSO4·7H2O、Fe2(SO4)3、MnSO4·H2O和ZnSO4·H2O的混合；释碳剂为葡萄糖、柠檬酸钠、锯屑、白糖、小麦粉或玉米粉的一种或两种以上混合；捕氧剂为次磷酸钠、亚硫酸钠或硫酸亚铁一种或两种以上混合。
2.由权利要求1用于硝酸氮污染地下水修复的释碳材料的制备方法，其特征是将释碳剂、捕氧剂、KH2PO4、微量元素、粗砂、水泥按照比例混合均匀，加水送入造粒机造粒，即得释碳材料固体颗粒。
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