CN105800797A - 一种改性纤维素缓释碳材料及应用该材料的可渗透反应墙结构 - Google Patents

一种改性纤维素缓释碳材料及应用该材料的可渗透反应墙结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种改性纤维素缓释碳材料及应用该材料的可渗透反应墙结构，可渗透反应墙结构包括沿地下水流向依次设置的石英砂层、模拟含水层和可渗透反应层，且石英砂层、含水层和可渗透反应层之间设置有网状格栅；石英砂层相对可渗透反应层的侧壁上设有进水口，顶部设取样口；可渗透反应层内设反应介质层，所述反应介质层以改性纤维素为填料，为颗粒状，包括蔗渣、麦秸和聚羟基脂肪酸脂(简称PHA)。本发明以改性纤维素为填料，具有制备简单、原料来源丰富，成本低廉，使用寿命长的特点，能显著加强微生物附着生长的速度和提供稳定的固相有机碳源，对地下水中硝酸盐具有良好的去除效果，提高可渗透反应墙对污染地下水的修复能力。

Description

一种改性纤维素缓释碳材料及应用该材料的可渗透反应墙结构
技术领域
本发明属于地下水污染控制修复及环境保护技术领域，具体地，涉及一种改性纤维素缓释碳材料及应用该材料的可渗透反应墙结构。
背景技术
目前，世界范围内的地下水硝酸盐污染问题日益严重，很多国家都已经投入大量的人力物力对污染的地下水进行修复。
可渗透反应墙(PermeableReactiveBarrier,PRB)技术是一种为达到一定环境污染治理目标而将特定反应介质安装在地面以下的污染处理***,它阻断污染带、将其中的污染物转化为环境可接受的形式，但不破坏地下水流动性。具体地说，PRB中含有降解各种污染物的氧化还原剂、螯合剂、络合剂、吸附剂、沉淀剂或微生物，当污染物随水流通过预先设置好的PRB时，各种污染物可以被还原、吸附、沉淀或生物降解。
大量研究证实，PRB可以除去地下水中共存的重金属(如Cr6+)和有机物(如苯、乙苯、二甲苯和多氯联苯等)，PRB对地下水中的污染物去除种类和和效果主要与渗透介质材料有关。目前,可用于PRB渗透介质的材料主要有羟基磷酸盐、黏土矿物、过氧化镁、过氧化钙、零价铁、Fe(Ⅱ)矿物及双金属等。在实际应用中可以根据所处理的地下水的污染物种类选择不同的介质材料。PRB技术在修复地下水的多种污染中得到了研究和实际应用，但目前该技术仍然面临一些缺陷和问题，影响着该技术的进一步发展和实际应用的推广。
由于农村地区大量化肥和农药的施用、生活污水和工业废水的排放及渗漏、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问题，地下水遭受到了严重的硝酸盐污染。饮用高含量硝酸盐的地下水会给人类健康造成严重危害。目前，地下水硝酸盐污染的修复方法主要有物理化学修复技术、化学修复技术和生物修复技术。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己投入实用的最经济和最有效的方法。目前生物反硝化法主要利用异养生物脱氮技术。它主要依靠异养细菌和合适的碳源，但由于地下水体中有机碳源含量较低，难以满足反硝化作用对碳源的要求，导致生物反硝化过程受到限制。其中，液相有机碳源如甲醇、乙醇、葡萄糖和乙酸等，由于反应速度快，导致需要经常补充碳源，不利于地下水的长期处理，且未完全反应的液态有机碳也可能造成地下水的二次污染。天然固相有机碳源如棉花、报纸、麦秆和稻草等，消耗较快，不能长期持续提供有机碳源和作为微生物附着的载体，并且反应受温度和水力停留时间影响较大，长期使用效果欠佳。因此，如何实现碳源材料的固定与缓慢释放是可渗透反应墙中技术应用面临的技术难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种改性纤维素缓释碳材料，能显著增强微生物附着生长的速度和提供稳定的固相有机碳源，以及一种成本低、综合处理效率高、单位体积可处理污水量大的可渗透反应墙结构。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
一种改性纤维素缓释碳材料，其特征在于：包括蔗渣、麦秸和PHA，将蔗渣、麦秸粉碎后，与PHA混合，得到改性纤维素缓释碳材料。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的改性纤维素缓释碳材料为颗粒状，按体积比蔗渣：麦秸：PHA＝0.1：0.4：0.5混合。
上述的改性纤维素缓释碳材料的释放碳源速率为0.1-0.2mg/d/g。
上述的改性纤维素缓释碳材料的平均粒径为1-2mm。
一种应用改性纤维素缓释碳材料的可渗透反应墙结构，包括沿地下水流向依次设置的石英砂层、含水层和可渗透反应层，可渗透反应层内设反应介质层，反应介质层以改性纤维素缓释碳材料为填料。
石英砂层、含水层和可渗透反应层之间均设置有网状格栅。
石英砂层远离可渗透反应层的一端设有进水口，石英砂层顶部设取样口。
进水口上设置有一流量计。
石英砂层为5cm厚，粒径为0.5-1.0mm，起过滤、缓冲和保护作用；含水层由粒径＜0.25mm砂组成，厚度为10cm；可渗透反应层由改性纤维素缓释碳材料和石英砂混合组成，入可渗透反应墙装置，做夯实处理来控制其容重，厚度为45cm。
可渗透反应层的渗透系数为含水层的1.5-2.5倍。
进水口与出水口均罩有网塞，以防止石英砂溢出堵塞管道。用转子流量计控制流速为45-85cm3/d。
本发明提出的是一种改性纤维素缓释碳材料以及以改性纤维素为填料的可渗透反应墙结构。在深入研究传统纤维素的固定与缓释机理的基础上，提出了利用传统纤维素与缓释碳材料复合的观点，实现固相有机碳的固定与缓慢释放方法，有利于延长以改性纤维素材料为填料的可渗透反应墙的运行周期，降低地下水污染修复成本。
本发明的缓释碳材料，能显著增强微生物附着生长的速度和提供稳定的固相有机碳源，进而提高硝酸盐去除效果。本发明的缓释碳材料其原料易得，效果好，安全环保，使用这种以改性纤维素缓释碳材料的可渗透反应墙技术来修复受硝酸盐污染的地下水，在大幅降低地下水中硝酸盐污染物的含量的同时，能够延长可渗透反应墙运行寿命30-50倍，而且不会造成地下水的二次污染。
附图说明
图1可渗透反应墙结构；
图2是运行过程中PRB反应器中COD变化图。
图3是运行过程中PRB反应器中硝酸盐及去除效率变化图。
其中的附图标记为：石英砂层1、含水层2、可渗透反应层3、网状格栅4。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
缓释碳源复合材料既要作为微生物附着生长的载体又要作为固相有机碳源，所以原料的选取主要分成两类：一类是具有缓慢释碳性能的材料，另一类是维持材料颗粒结构稳定性的骨架材料。碳源材料选取成本低廉的天然固相材料：麦秸、甘蔗；骨架材料选取可生物降解材料：PHA。本实施例处理污水为人工模拟地下水，模拟受硝酸盐污染地下水，其组成如下：KNO3：50mg/L、KH2PO4：3mg/L、K2HPO4：3mg/L、葡萄糖：400-600mg/L、调节pH在7.2-7.5之间、水温13-15℃。
清水冲洗洗净麦秸、甘蔗表面附着的泥土和沙尘，蒸馏水清洗干净后，在干燥箱中于100℃烘24h，将烘干后的麦秸、甘蔗粉碎过筛取100目筛，密封储存备用。
实验装置为有机玻璃柱，如图1所示，高80cm，直径10cm。试验装置由A、B、C三部分组成。A为5cm厚的石英砂层，粒径为0.5-1.0mm，起过滤、缓冲和保护作用；B为模拟含水层，由粒径＜0.25mm砂组成，厚度为10cm；C为可渗透反应层，是本试验的主体部分，该反应器以上述改性纤维素为反应介质，和石英砂混合均匀，装入有机玻璃柱，做夯实处理来控制其容重，厚度为45cm，使可渗透反应层C的渗透系数为模拟含水层B的1.5-2.5倍。进水口与出水口均罩有网塞，以防止石英砂溢出堵塞管道。用转子流量计控制流速为45-85cm3/d。
如图2所示，出水COD高于进水COD，说明混合材料可释放出碳源用于反硝化。当进水COD降为0mgL-1，出水COD仍有在100mgL-1。随后出水COD一直稳定在20-30mgL-1。根据之前的研究，缓释碳材料的释放性能存在不稳定问题。因此，在启动过程中葡萄糖的提供是必要的，有利于反硝化细菌的培养并缩短停滞期。先前的已有研究表明PHA等有机高分子材料可驱动微生物产生脱氮行为。在接下来的55天实验中，进水COD为0mgL-1，出水中仍有稳定的COD，这说明以改性纤维素材料为填料的反应渗透墙装置可长时间处理硝酸盐污染地下水。
如图3所示为PRB运行70天硝酸盐去除的变化过程。最初进水硝态氮浓度约为10mgL-1，出水硝态氮浓度为0mgL-1，去除率为100％。随着进水硝态氮浓度的增加，去除效果下降，出水中硝态氮浓度上升，去除率相应地跌至70％。随着缓释碳材料的耗尽和硝态氮负荷的提高，硝态氮的去除效果变得更糟并在第50天左右并降至15％。硝态氮去除效果变差的原因可以解释为缓释碳源的耗尽和硝酸盐负荷的增加。
同时本实施例还分析了可渗透反应墙中的微生物群落，并从微生物角度解释以改性纤维素材料为填料制备的反应墙装置的优越性。从菌属角度看，各主要菌属所占比例经分析如下：Azospira(24.10％)，Rhizomicrobium(12.74％)，Acidovorax(6.70％)，Dechloromonas(3.00％)，ClostridiumIII(2.32％)和Clostridiumsensustricto(1.33％)。Azospira和Rhizomicrobium是主要负责反硝化菌属，因为硝态氮被高效地去除在该***中。同时也有研究者指出在葡萄糖存在的条件下，Rhizomicrobium可利用硝态氮作为电子受体被还原成亚硝态氮。然而当进水中葡萄糖为0mgL-1，Rhizomicrobium仍然存在，说明Rhizomicrobium可利用改性纤维素释放出的碳源进行反硝化脱氮。反硝化过程中可能会伴随一些其他生化反应的发生并产生酸，Azospira可降解酸并进一步优化水质。同时Azospira可降解PHA等，说明此反应渗透墙具有较高的可生物降解性，减少二次污染的发生可能性。
本实施例说明以改性纤维素为填料制备的可渗透反应墙结构，可以快速、高效、稳定降解被硝酸盐污染的地下水。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种改性纤维素缓释碳材料，其特征在于：包括蔗渣、麦秸和PHA，将蔗渣、麦秸粉碎后，与PHA混合，得到改性纤维素缓释碳材料。
2.根据权利要求1上述的一种改性纤维素缓释碳材料，其特征在于：改性纤维素缓释碳材料为颗粒状，按体积比蔗渣：麦秸：PHA＝0.1：0.4：0.5混合。
3.根据权利要求1上述的一种改性纤维素缓释碳材料，其特征在于：改性纤维素缓释碳材料的释放碳源速率为0.1-0.2mg/d/g。
4.根据权利要求1上述的一种改性纤维素缓释碳材料，其特征在于：改性纤维素缓释碳材料的平均粒径为1-2mm。
5.一种应用改性纤维素缓释碳材料的可渗透反应墙结构，其特征在于：包括沿地下水流向依次设置的石英砂层(1)、含水层(2)和可渗透反应层(3)，所述的可渗透反应层(3)内设反应介质层，所述的反应介质层以权利要求1-4任一所述的改性纤维素缓释碳材料为填料。
6.根据权利要求5所述的应用改性纤维素缓释碳材料的可渗透反应墙结构，其特征在于：所述的石英砂层(1)、含水层(2)和可渗透反应层(3)之间均设置有网状格栅(4)。
7.根据权利要求5所述的应用改性纤维素缓释碳材料的可渗透反应墙结构，其特征在于：所述的石英砂层(1)远离可渗透反应层(3)的一端设有进水口，石英砂层(1)顶部设取样口。
8.根据权利要求7所述的应用改性纤维素缓释碳材料的可渗透反应墙结构，其特征在于：所述的进水口上设置有一流量计。
9.根据权利要求6所述的应用改性纤维素缓释碳材料的可渗透反应墙结构，其特征在于：所述石英砂层(1)为5cm厚，粒径为0.5-1.0mm；含水层(2)由粒径＜0.25mm砂组成，厚度为10cm；可渗透反应层(3)由改性纤维素缓释碳材料和石英砂混合组成，厚度为45cm。
10.根据权利要求9所述的应用改性纤维素缓释碳材料的可渗透反应墙结构，其特征在于：可渗透反应层(3)的渗透系数为含水层(2)的1.5-2.5倍。
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