新型释氧生物可渗透反应墙修复硝基苯污染地下水

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国内外污染地下水原位修复方法中,生物可渗透反应墙(Bio-PermeableReactive Barrier,BPRB)技术被认为是一种非常有前景的地下水修复技术并被应用于地下水的修复。而该技术中,地下水中贫乏的溶解氧是限制其修复效果的重要因素。与其它增氧手段相比,氧缓释材料法具有操作简便、供氧效率高、成本低、方便管理等优点。本论文拟制备即具有释氧功能又具有生物活性的新型的BPRB装填介质,通过动静态研究其对硝基苯污染地下水的修复效果。论文首先利用聚乙烯醇(Polyving akohol,PVA)作为包埋材料,生物炭作为载体,包埋硝基苯(Nitrobenzene,NB)降解菌得到生物炭固定化材料,研究其对硝基苯的降解效果,不同因素如pH、溶解氧(Dissolved oxygen,DO)及重复利用对降解效果的影响。其次由于在本研究中硝基苯可在好氧条件下被微生物矿化,因此对生物炭固定化材料进行改进,加入过氧化钙、石蜡、电气石制备得到释氧型生物炭固定化材料,研究其pH调节能力、氧释放能力和硝基苯降解能力,获得最佳修复方案。最后进行室内动态模拟实验,研究释氧型BPRB对硝基苯污染地下水的修复效果。通过上述研究,得到以下结论:(1)硝基苯降解菌最佳模拟情况下底物抑制效应方程中的参数值为:vmax=341.57mg·g-1·h-1、Ks=6.98mg/L、Ki=393.44mg/L。游离菌的最大生物降解速率为260mg·g-1·h-1,而生物炭固定化材料的最大速率为720mg·g-1·h-1。生物炭固定化材料内硝基苯的生物降解速率很大程度由颗粒内部传质即扩散过程决定。pH值为6.8左右时,固定化材料对硝基苯具有最好的降解效果。硝基苯降解菌为好氧细菌,因此缺氧条件固定化材料无法更好地降解硝基苯。生物炭固定化材料重复使用20次后仍然保持对硝基苯24h近100%的高降解效率,可以作为生物可渗透反应墙的长期反应介质。(2)不同的释氧型固定化材料释氧能力强弱顺序为10%CaO2>10%CaO2+电气石>10%CaO2+石蜡>10%CaO2+石蜡+电气石>2%CaO2>2%CaO2+石蜡>2%CaO2+电气石>2%CaO2+石蜡+电气石。制备的10%CaO2及10%CaO2+电气石材料效果最好,释氧量分别为10.12和7.29mg/(L·g材料)。释氧速度大小顺序为2%CaO2+电气石>2%CaO2+石蜡+电气石>10%CaO2+石蜡+电气石>2%CaO2>10%CaO2+石蜡>10%CaO2+电气石>2%CaO2+石蜡>10%CaO2。这些材料与水反应后pH值变化与上述顺序类似。释氧型固定化材料对硝基苯的降解效果非常可观,12h降解效率基本可达到100%。添加石蜡的材料其降解效果有所下降,对硝基苯降解效果最好的是10%CaO2和10%CaO2+电气石的材料。(3)四个室内模拟柱装填介质分别为PVA+BC、 PVA+BC+菌、10%CaO2+PVA+BC+菌、10%CaO2+电气石+PVA+BC+菌(为方便实验记录,简称为PB、PBJ、10%CaO2、10%CaO2+电气石)。当模拟柱进水硝基苯浓度为300mg/L时,PB柱对硝基苯的降解效率不断减小,PBJ柱稍微优于PB柱,而10%CaO2柱和10%CaO2+电气石柱则一直保持对硝基苯90%以上的降解率。添加硝基苯降解菌和过氧化钙可以明显提高材料对硝基苯的降解。PB柱内DO浓度一直保持在7~8.5mg/L,PBJ柱较PB柱低,为3~6.5mg/L,两者pH变化不大,基本稳定在7左右。对10%CaO2柱和10%CaO2+电气石柱来说,DO浓度呈先升高后降低的趋势。两个柱子运行初期,柱内DO含量最高可达14mg/L。随着反应的进行,10%CaO2柱和10%CaO2+电气石柱内DO含量降低,远远低于PB柱,甚至比PBJ柱内DO含量还要低。10%CaO2柱和10%CaO2+电气石柱pH变化规律与DO变化基本相同,且最终pH逐渐稳定在7.0左右,无机盐培养基中的磷酸盐和电气石均能对水体碱度提高有缓冲作用。
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