一种地下水硝酸盐污染的生物/超声强化吸附去除系统及其应用的制作方法

1.本发明属于地下水污染修复和风险管控领域，更具体地说，涉及一种地下水硝酸盐污染的生物强化吸附去除系统与方法。
技术背景
2.由于农田氮素肥料的大量使用、畜禽养殖废水的超标排放、污水的不合理灌溉以及垃圾填埋场渗滤液的渗漏，地下水中的硝酸盐不断积累，这严重影响了地下水的使用价值和生态价值。加强地下水污染防治工作，修复已污染的地下水，是当前亟待完成的任务。可渗透反应墙（prb）技术具有处理效率高、对水环境扰动小、运行费用低、应用较为成熟等优点，近年来被广泛应用。prb技术的关键在填料的选择。目前，prb技术去除地下水中硝酸盐的机理主要包括生物和非生物两种。生物法能够利用反硝化细菌的代谢作用永久性的去除地下水中硝酸盐，运行维护成本低，是一种绿色的修复技术。但在实际运行过程中也存在一些问题：第一，地下水中反硝化细菌和有机碳源均较少，需额外补充；第二，反硝化细菌生长需要较高浓度的氮源，而地下水硝酸盐较为分散，导致反硝化细菌活性不高，降解硝酸盐速率较为缓慢；第三，填料层易堵塞，影响出水水质；第四，碳源释放速度难以控制。非生物法中以吸附法最为常见，是指向可渗透反应墙墙体中填充吸附材料，通过吸附作用去除硝酸盐。该方法运行稳定、见效快、不会产生二次污染，但是在运行过程中也存在一些问题：一是只能将硝酸盐富集，不能将硝酸盐转化成无害物质，存在脱附的风险；二是吸附剂吸附量有限，吸附饱和后需及时更换。


技术实现要素：

3.针对现有可渗透反应墙技术存在的填料更换频繁、填料层易堵塞、反硝化细菌活性不高等问题，本发明将提供一种地下水硝酸盐污染的生物/超声强化吸附去除系统与方法，以延长吸附剂的使用寿命，提高反硝化细菌的活性，疏通填料层，推动系统平稳运行。
4.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：一种地下水硝酸盐污染的生物/超声强化吸附去除系统与方法，其特征在于，包括以下结构：场地土壤1、原位观测井2、可渗透反应墙3、超声观测井4、修复后观测井5、超声电极6、超声板7、抽水泵8、填土9；所述原位观测井2设置在可渗透反应墙3上游，监测进水水质；所述修复后观测井5设置在可渗透反应墙3下游，监测出水水质；所述填土9覆盖于修复场地上方；所述抽水泵8连接原位观测井2、超声观测井4、修复后观测井5，用于周期性抽出水样，实现一泵多用，定期抽出相应位置的地下水进行检测分析，动态了解不同位置的水质情况；所述超声观测井均匀分布在可渗透反应墙3中，连接于超声板7、超声电极6，超声发生器连接超声电极，将超声波通过超声电极6、超声板7、超声观测井4的侧壁传至可渗透反应墙3中，通过共振作用实现反硝化细菌的代谢产物的脱离。具体地，所述的可渗透反应墙3置于场地土壤1内，用于吸附和降解地下水中硝酸盐。
5.具体地，所述超声观测井4共设置9个，均匀分布在可渗透反应墙3中。
6.具体地，所述的可渗透反应墙3由树脂、反硝化细菌、碳源、ph调节剂、营养物质组成。
7.进一步地，所述的树脂为具有二甲胺、三甲胺、三乙胺中1种或多种功能团的强碱型阴离子交换树脂。
8.进一步地，所述的反硝化细菌为pseudomonas、bacteroides、alishewanella中的一种或多种的混合菌株组成。
9.进一步地，所述的碳源为乙酸钠、乙酸、葡萄糖、缓释碳源中的一种或几种。
10.进一步地，所述的缓释碳源材料为淀粉、秸秆、丝瓜络、木屑、锯末、棉花、木薯酒糟中的一种或多种。
11.进一步地，所述的营养物质为(nh4)6mo7o
24
.4h2o, zncl2, h3bo3, fecl2.4h2o, cocl2.6h2o, mncl2.6h2o, nicl2.6h2o, mgso4中的任意两种或几种的混合物。
12.进一步地，所述的ph调节剂为三水合磷酸氢二钾、氢氧化钠、碳酸氢钠中的一种或者一种以上的任意组合。
13.具体地，所述的超声观测井4同时是一种投加生物降解促进剂的井，根据污染的具体情况适时适量的投加生物降解促进剂，在生物活性较弱的季节或者入口硝酸盐浓度过高的特殊环境下，通过超声观测井4加量投加生物降解促进剂，强化生物反硝化的过程，提高反硝化效率；具体地，所述的超声观测井4也可通过井壁的共振作用促进缓释碳源材料释放碳源，增强反硝化细菌的活性，提高对瞬时增加的硝酸盐的降解能力。
14.一种地下水硝酸盐污染的生物/超声强化吸附去除系统的使用方法，方法包括以下步骤：
①
确定污染地下水的流向与污染羽，在污染羽的下游设置修复区域，在修复区域上方挖出一个填土9的坑，坑的前方设置30~60度的斜坡；
②
在斜坡的下方，挖取可渗透反应墙3的坑，用于填塞树脂、试剂；
③
设置超声观测井4于可渗透反应墙3的坑中，均匀分布在可渗透反应墙3中，可用作水质监测系统、超声传递系统、生物降解促进剂投加系统、缓释碳源增释系统；
④
在树脂表面接种反硝化细菌；
⑤
附载后的树脂填入可渗透反应墙中，加入碳源、营养物质、ph调节剂；
⑥
地下水中硝酸盐流经墙体，经过物理吸附和生物降解作用被去除；
⑦
运行一段时间后，周期性启动超声系统以及投加反硝化促进剂，利用超声观测井4的井体的超声共振效果，对可渗透反应墙进行超声，保证可渗透反应墙3渗透性能，同时促进缓释碳源材料中碳源的释放，增强反硝化作用。
15.有益效果：（1）将反硝化细菌提前附载在树脂上，无需额外接种反硝化细菌，简化了操作流程；构建了物理吸附-生物降解体系，实现边吸附边再生，延长了填料的使用寿命，避免了填料的频繁更换。
16.（2）引入超声技术，去除树脂表面微生物代谢产物，疏通吸附孔道，同时避免了床层堵塞导致的硝酸盐处理效果不佳。
17.（3）超声观测井一井多用，作为观测井监测可渗透反应墙体不同位置硝酸盐污染情况；作为超声波传递系统，脱除树脂表面附载的多余代谢产物以及促进缓释碳源释碳；作为物料投加井，适时的投加生物降解促进剂，提升反硝化细菌的活性。
附图说明
18.下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明。
19.图1为一种地下水硝酸盐污染的生物强化吸附去除系统的结构示意图。
20.图2为不同硝酸盐处理体系下，残留硝酸盐浓度随时间变化的曲线图。
21.符号说明：1场地土壤、2原位观测井、3可渗透反应墙、4超声观测井、5修复后观测井、6超声电极、7超声板、8抽水泵、9填土。
具体实施方式
22.下面将结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、详细地描述。需要说明的是本发明的实施例仅是本发明的优选实施例，本领域的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.实施例1本发明所述地下水硝酸盐污染的生物/超声强化吸附去除系统结构及工作原理结合图1，本发明所述用于地下水硝酸盐污染的生物/超声强化吸附去除系统，包括场地土壤1、原位观测井2、可渗透反应墙3、超声观测井4、修复后观测井5、超声电极6、超声板7、抽水泵8、填土9。
24.所述可渗透反应墙3置于场地土壤1内，用于填装树脂及生物降解促进剂，通过物理吸附和生物降解去除硝酸盐；所述原位观测井2设置在可渗透反应墙3上游，监测进水水质；所述修复后观测井5设置在可渗透反应墙3下游，监测出水水质；所述填土9覆盖于修复场地上方；所述抽水泵8连接原位观测井2、超声观测井4、修复后观测井5，用于周期性抽出水样；所述超声观测井4共设置9个，均匀分布在可渗透反应墙3中，连接于超声板7、超声电极6，超声发生器连接超声电极，将超声波通过超声电极6、超声板7、超声观测井4的侧壁传至可渗透反应墙3中，将树脂表面附载的微生物代谢产物，如黏液、荚膜、蛋白质、多糖、富里酸等脱除，疏通可渗透反应墙。
25.实施例2可渗透反应墙内所填装树脂的制备方法将包含pseudomonas、bacteroides、alishewanella的混合反硝化细菌以2%的比例接入含有树脂的反硝化培养基中，培养基配方为：三水合磷酸氢二钾2.7 g/l、无水乙酸钠3.85 g/l、硝酸钠0.42 g/l、碳酸氢钠0.6 g/l、营养元素（mgso42g/l, (nh4)6mo7o
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.4h2o2g/l, zncl20.05g/l, h3bo30.3g/l, fecl2.4h2o1.5g/l, cocl2.6h2o10 g/l, mncl2.6h2o0.03g/l, nicl2.6h2o0.03 g/l）1 ml/l，在25℃、150 r/min下恒温振荡培养24 h，使反硝化细菌附载在树脂表面。
26.实施例3附载反硝化细菌的树脂对硝酸盐的处理固液分离后保留附载反硝化细菌的树脂，加入100 ml 300mg/l的硝酸盐溶液，并按上述实施例2的培养基配方加入碳源（无水乙酸钠）、ph调节剂（碳酸氢钠、三水合磷酸氢
二钾）以及营养元素，对照组1为纯吸附过程，使用未附载反硝化细菌的树脂，不加入微生物生长所需的物质，对照组2使用附载反硝化细菌的树脂，但在体系中不加入微生物生长所需的物质，在25℃、150 r/min下恒温振荡培养，每隔一定时间取样，过c18柱、0.22μm滤膜后，测定残留硝酸盐含量，具体数据如图2所示，当运行超过15h以后，生物强化吸附与反硝化作用显示出明显的优势，溶液中的硝酸盐浓度在28h后未检出。
27.图2为纯吸附，附载后吸附以及生物强化吸附体系中残留硝酸盐浓度随时间变化的曲线。纯吸附过程中，树脂对体系中硝酸盐的去除效率可达51.67%，相比较而言，附载菌后的树脂对体系中硝酸盐的去除效率下降了6.56%，说明附载反硝化菌的树脂吸附性能受到了影响，但影响程度不大。从生物强化吸附曲线可以看出，在0~10h内，树脂对硝酸盐的去除率低于对照组，主要以吸附作用为主，10 h以后附载在树脂表面的反硝化细菌活性提升，开始降解树脂上以及体系中残留的硝酸盐，28 h后体系中基本无残存的硝酸盐，生物强化吸附对体系中硝酸盐的去除效率达100%。总体而言，生物强化吸附集吸附和降解于一体，对硝酸盐的去除效率高，作为可渗透反应墙的填料处理硝酸盐污染地下水可行性高，能够延长树脂的使用寿命，避免填料的频繁更换。
28.实施例4超声对缓释碳源材料释碳性能的影响为评判超声对缓释碳源释碳性能的影响，进行如下试验。在反应器中加入一定量的缓释碳源材料（淀粉），并注入1 l纯水，周期性启动超声发生器，12 h后测量溶液中化学需氧量。作为参照，在另一个反应器中，加入同等的缓释碳源材料和纯水，但不对其进行超声，12 h后测量化学需氧量。实验结果表明，不超声情况下化学需氧量为105 mg/l，超声后化学需氧量增加到143 mg/l，说明超声能够促进缓释碳源材料的释碳。
29.实施例5本发明所述地下水硝酸盐污染的生物/超声强化吸附去除系统的具体使用在可渗透反应墙中填装一定量附载反硝化细菌的树脂，按实施例2的配方加入碳源、营养物质、ph调节剂满足反硝化细菌生长繁殖，使硝酸盐污染地下水（300 mg/l）流经可渗透反应墙体，经过树脂的物理吸附和反硝化细菌的生物降解作用去除硝酸盐，第1~29天每天检出的硝酸盐浓度在0~15.18 mg/l范围内。系统运行1个月左右，由于反硝化细菌代谢产物的积累，可渗透反应墙体被堵塞，主要表现在以下两方面：一方面进水井液面较之前明显上升，另一方面出水硝酸盐浓度明显增加且变化幅度大，第30天多次检测到的出水硝酸盐浓度在20.43~156.87 mg/l范围内。启动超声发生器，将超声波通过超声观测井的侧壁传至可渗透反应墙中。通过超声，树脂表面附载的黄色的代谢产物脱落，进水端液面下降，说明超声疏通了填料层的孔隙。超声结束一段时间后，第31~40天每天对出水水质进行检测分析，检出的硝酸盐浓度明显下降，在0~19.18 mg/l范围内，说明超声能够促进系统的长效运行。
30.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。