CN103803704B - 一种用于地下水硝酸盐污染的可渗透反应介质材料 - Google Patents

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Abstract

一种用于地下水硝酸盐污染的可渗透反应材料，由石英砂、反硝化细菌、壳聚糖、CaCl2、海藻酸钠、包覆型纳米铁及pH为7的Na2HPO4-NaH2PO4缓冲溶液组成；按质量比为1～3:0.1～0.5:1～3:1.5～3:0.5～1:0.5～1.5:50。本发明还公开了制备上述可渗透反应材料的方法。本发明的可渗透反应介质材料既可为微生物生长释放碳源，又可强化地下水还原环境，提高反硝化速率，净化水质，有效避免硝酸盐还原产物的二次污染问题。

Description

一种用于地下水硝酸盐污染的可渗透反应介质材料
技术领域
本发明属于地下水污染修复技术领域，具体地涉及一种用于地下水硝酸盐污染的可渗透反应介质材料。
本发明还涉及上述可渗透反应介质材料的制备方法。
背景技术
氮肥的过量施用、大量工农业废水与废物的排放、再生水灌溉、畜禽养殖以及垃圾填埋等生产生活方式严重威胁地下水环境，使地下水中硝酸盐污染日益突出，已成为世界广泛关注的环境问题。
生物反硝化和化学反硝化法是当前去除地下水中硝酸盐的主要方法。生物反硝化法是一种非常理想的方法，也是自然界氮素循环的重要环节之一，而且生物反硝化生成的最终产物为氮气，不会对环境造成二次污染。但由于地下水环境水温低，微生物生长所需的有机碳源含量少，反应硝化细菌活性偏低、数量少，使原位硝酸盐污染修复过程耗时长，对高浓度硝酸盐污染水体中去除效果更差。
相比之下，化学还原法是利用活泼金属单质与硝酸盐之间的氧化还原反应将硝酸盐氮转化为氨氮，进而被金属单质的还原产物或被其他与金属混合使用的高效吸附材料所吸附，并最终随着修复材料的更换、处理或再生而得到去除，从而实现硝酸盐污染地下水修复的目的。该技术不仅能还原一些含氧酸根离子(如NO3 -)，还可以稳定重金属(如As、Cr、Hg)或降解氯代烃类、硝基苯类化合物。特别是以Fe0为填料的原位PRB(PermeableReactive Barrier，PRB)修复技术得到广泛应用。但Fe0被氧化后容易和地下水中的一些离子作用生成沉淀从而导致反应材料板结，造成反应墙堵塞，影响了地下水的修复能力。因此，针对日益严峻的地下水硝酸盐污染形势，迫切需要一种经济可行、效果显著、绿色环保的地下水硝酸盐可渗透反应墙介质材料。
发明内容
本发明的目的在于提供一种经济可行、效果显著、绿色环保的用于地下水硝酸盐污染的可渗透反应介质材料。
本发明的又一目的在于提供一种制备上述可渗透反应介质材料的方法。
为实现上述目的，本发明提供的用于地下水硝酸盐污染的可渗透反应材料，由石英砂、反硝化细菌、壳聚糖、CaCl2、海藻酸钠、包覆型纳米铁及pH为7的Na2HPO4-NaH2PO4缓冲溶液组成；按质量比为1～3:0.1～0.5:1～3:1.5～3:0.5～1:0.5～1.5:50。所述的可渗透反应材料中，石英砂的粒径为0.5～1mm，反硝化细菌为粉末状。
本发明提供的制备上述可渗透反应材料的方法：
1）按质量比为1～3:0.1～0.5:1～3:1.5～3:0.5～1:0.5～1.5:50比例取石英砂、反硝化细菌、壳聚糖、CaCl2、海藻酸钠、包覆型纳米铁及pH为7的Na2HPO4-NaH2PO4缓冲溶液；
2）将海藻酸钠、壳聚糖、石英砂和Na2HPO4-NaH2PO4缓冲溶液于30～40℃恒温下混匀，得到混合液，冷却至室温；
3）将包覆型纳米铁和反硝化细菌加入混合液中，搅拌混合均匀，制得造粒浆液；
4）将取好的CaCl2固体溶于纯水，制得质量浓度为3～6%的CaCl2交联剂水溶液
5）将步骤3的造粒浆液滴加到步骤4的CaCl2交联剂水溶液中，在室温下交联，制得球形颗粒；
6）将球形颗粒洗净，于室温下风干，得到目标产物。
所述的方法中，步骤2中是以90～200r/min进行混匀。
所述的方法中，步骤5中的造粒浆液是以1～3滴/s的速度滴加到CaCl2交联剂溶液中，制得粒径为2～6mm的球形颗粒。
所述的方法中，步骤6是用纯水将球形颗粒洗净。
本发明的可渗透反应介质材料，具有如下几个优点：
1、本发明的可渗透反应材料添加的包覆型纳米Fe0可与硝酸盐发生氧化还原反应，亦可降低地下水中溶解氧含量，为反硝化细菌生长提供良好的厌氧环境，提高反硝化速率，提高氮气转化率，减少NH4-N的产生，避免对环境造成二次污染；
2、可渗透反应材料中包覆的微生物碳源可实现微生物的快速活化，效率高，整个应用过程中无需添加额外碳源。
具体实施方式
本发明的可渗透反应介质材料，是由石英砂、反硝化细菌粉末、壳聚糖、CaCl2、海藻酸钠、包覆型纳米铁及pH缓冲溶液经混合、造粒、风干制得，既可为微生物生长释放碳源，又可强化地下水还原环境，提高反硝化速率，净化水质，避免硝酸盐还原产物的二次污染问题。
石英砂（0.5～1mm）为反硝化细菌生长载体，壳聚糖为反硝化细菌生长提供碳源，CaCl2作为交联剂，海藻酸钠溶于水呈溶胶状态将各组分稳定固化；包覆型纳米铁稳定性高，既为还原剂又为除氧剂，为反硝化细菌生长提供良好的还原环境；缓冲溶液是pH为7的Na2HPO4-NaH2PO4溶液，为细菌生长提供适宜pH。
本发明的制备方法：
1）按质量比为1～3:0.1～0.5:1～3:1.5～3:0.5～1:0.5～1.5:50比例取石英砂、反硝化细菌、壳聚糖、CaCl2、海藻酸钠、包覆型纳米铁及pH为7的Na2HPO4-NaH2PO4缓冲溶液；
2）将海藻酸钠、壳聚糖、0.5～1mm的石英砂和缓冲溶液于自动搅拌器内在30～40℃恒温条件下以90～200r/min充分混匀，反应30～40min，得到混合液，冷却至室温；
3）将包覆型纳米铁和反硝化细菌粉末加入混合液中，充分搅拌混合均匀，制得造粒浆液；
4）将取好的CaCl2固体溶于纯水，制得质量浓度为3～6%的CaCl2交联剂水溶液
5）将步骤3的造粒浆液以1～3滴/s的速度滴加到步骤4制得的CaCl2交联剂水溶液中，在室温下交联24～36h，制得粒径为2～6mm的球形颗粒；
6）用纯水将球形颗粒洗净，放在通风处在15～20℃下风干8～12h，即得多孔可渗透反应介质材料，冷冻备用。
为了更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但本发明要求保护的范围不局限于实施例所阐述的范围。
实施例1
称取2kg海藻酸钠，2kg壳聚糖，4kg石英砂（0.5mm）混合均匀后，倒入100L pH=7的Na2HPO4-NaH2PO4缓冲溶液，在40℃、100r/min的恒温搅拌器下反应30min，得到混合液，冷却到室温；然后将0.5kg反硝化细菌粉末和1kg包覆型纳米铁（50nm）加入到上述混合液，搅拌均匀，制得造粒浆液；之后将此造粒浆液滴加到质量体积浓度为5%的CaCl2交联剂水溶液中，室温下交联24h，造粒成粒径为3～5mm的球形颗粒；放在通风处20℃下风干8h，即得可渗透反应介质材料（3～5mm），冷冻备用。
将所制备的50kg可渗透反应介质材料和100kg沸石（3mm）（质量比为1:2）作为可渗透反应墙的活性介质材料，修复硝酸盐浓度为60mg/L的地下水，反应装置运行一个月期间，硝酸盐氮的去除率维持在85%～95%之间，亚硝酸盐氮和氨氮浓度低于1mg/L，材料稳定，出水澄清，pH在7～7.8之间。
实施例2
称取1kg海藻酸钠，4kg壳聚糖，6kg石英砂（0.5mm）倒入100L pH=7的Na2HPO4-NaH2PO4缓冲溶液，在40℃、100r/min的恒温搅拌器下反应30min，得到混合液，冷却到室温；然后将0.5kg反硝化细菌粉末和1kg包覆型纳米铁（50nm）加入到上述混合液中，搅拌均匀，制得造粒浆液；将此造粒浆液滴加到质量体积浓度为5%的CaCl2交联剂水溶液中，室温下交联24h，造粒成粒径为4～6mm的球形颗粒；放在通风处20℃下风干8h，即得可渗透反应介质材料（4～6mm），冷冻备用。
将所制备的50kg可渗透反应介质材料和100kg沸石（3mm）（质量比为1:2）作为可渗透反应墙的介质材料，修复硝酸盐浓度为40mg/L的地下水，反应装置运行一个月期间，硝酸盐氮的去除率维持在80-90%之间，亚硝酸盐氮和氨氮浓度低于0.5mg/L，材料稳定，出水澄清，pH在7～7.8之间。

Claims (6)

1.一种用于地下水硝酸盐污染的可渗透反应材料，由石英砂、反硝化细菌、壳聚糖、CaCl2、海藻酸钠、包覆型纳米铁及pH为7的Na2HPO4-NaH2PO4缓冲溶液组成；
按质量比为1～3:0.1～0.5:1～3:1.5～3:0.5～1:0.5～1.5:50。
2.根据权利要求1所述的可渗透反应材料，其中，石英砂的粒径为0.5～1mm，反硝化细菌为粉末状。
3.一种制备权利要求1所述可渗透反应材料的方法：
1）按质量比为1～3:0.1～0.5:1～3:1.5～3:0.5～1:0.5～1.5:50比例取石英砂、反硝化细菌、壳聚糖、CaCl2、海藻酸钠、包覆型纳米铁及pH为7的Na2HPO4-NaH2PO4缓冲溶液；
2）将海藻酸钠、壳聚糖、石英砂和Na2HPO4-NaH2PO4缓冲溶液于30～40℃恒温下混匀，得到混合液，冷却至室温；
3）将包覆型纳米铁和反硝化细菌加入混合液中，搅拌混合均匀，制得造粒浆液；
4）配置质量浓度为3～6%的CaCl2交联剂水溶液；
5）将步骤3的造粒浆液滴加到步骤4的CaCl2交联剂水溶液中，在室温下交联，制得球形颗粒；
6）将球形颗粒洗净，于室温下风干，得到目标产物。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，步骤2中是以90～200r/min进行混匀。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，步骤5中的造粒浆液是以1～3滴/s的速度滴加到CaCl2交联剂水溶液中，制得粒径为2～6mm的球形颗粒。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，步骤6是用纯水将球形颗粒洗净。
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纳米铁系材料与反硝化细菌复合去除地下水硝酸盐氮研究;夏宏彩等;《环境科学学报》;20101231;第30卷(第12期);摘要 *

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