微米铁复合生物碳源对地下水中1,2-二氯乙烷的高效去除

1,2-二氯乙烷(1,2-DCA)是一类地下水中常见的难降解饱和氯代烃,为探究厌氧条件下零价铁(ZVI)协同生物作用对其降解规律,采集北京市某氯代烃污染场地地下水及含水层土壤,利用微宇宙实验体系,通过添加由微米级零价铁(mZVI)、生物碳源及营养组成的复合药剂,考察不同条件下1,2-DCA的去除效果,并对地下水理化参数的变化进行长期监测。结果表明:复合药剂添加量为3%时,恒温、避光、匀速震荡的反应条件下,15d内地下水中的1,2-DCA即可降至低于检出限。中性pH及SO42-的存在更有利于1,2-DCA的脱氯降解。30d后仅检测到体系中明显的乙烯产生,推测双脱氯消除为1,2-DCA在该体系内的主要降解途径。此外,复合药剂加入后,地下水可长时间维持较低的氧化还原电位(-100~-300mV)、溶解氧(0.5mg·L-1)以及适宜的pH值(6.5~7.5),利于厌氧微生物活性的维持及脱氯反应的进行。     

采用零价铁-缓释碳修复氯代烃污染地下水的中试研究

针对受氯代烃污染的地下含水层,采用零价铁-缓释碳技术进行修复中试研究。中试期间,向地下9～18 m受氯代烃污染的含水层(体积900 m3)注入7 200 kg零价铁-缓释碳药剂。对地下水中污染物进行定期监测,结果显示:零价铁-缓释碳技术可以高效地将地下含水层中的氯代烃污染物脱氯降解。其中1,2-二氯乙烷的去除率达99.90%以上,1,1-二氯乙烷的去除率达86.00%以上,氯仿的去除率达98.00%以上。在零价铁-缓释碳还原体系存在的条件下,1,2-二氯乙烷、1,1-二氯乙烷和氯仿三种污染物的半衰期分别为46,115,70 d。研究证明:零价铁-缓释碳技术可以高效地修复被氯代烃污染的地下含水层,并且修复期较短,对氯代烃类污染场地地下水的修复有重要的实用价值。     

基于正交试验法的零价铁降解水环境中的氯代烃

氯代烃的生产和应用给环境水体带来的污染日益严重,可利用零价铁零价铁对其进行还原脱氯以达到去除的目的。本文采用正交试验法,将零价铁对氯代烃的去除率作为考察指标,研究pH值、零价铁粒径和振荡速率3个因素对氯代烃去除率的影响,结果表明:3个影响因素的重要性表现为pH值零价铁粒径振荡速率,且pH值具有极显著影响;最优水平下的零价铁对氯代烃具有较好的降解效果,且零价铁对TCE和PCE的降解符合准一级反应。     

不同pH条件下三氯乙烯及其脱氯产物对苯或甲苯厌氧生物降解的影响

将零价铁渗透反应格栅和生物降解格栅联用,先利用氯代烃易还原脱氯的性质通过零价铁渗透反应格栅去除氯代烃,后利用BTEX易生物降解的性质通过生物降解格栅去除BTEX,可以有效去除地下水中由氯代烃和BTEX这两种性质迥异的污染物形成的混合污染羽.但在联合格栅技术中,零价铁渗透反应格栅后的强碱性环境(pH9)、氯代烃脱氯还原中间产物(cis-1,2-DCE)的积累和可能出现的TCE穿透均可对生物降解格栅中BTEX的生物降解产生影响.针对上述问题,本文研究了不同pH条件下TCE和cis-1,2-DCE对苯或甲苯厌氧生物降解的影响.结果发现,碱性pH条件有利于苯或甲苯的生物降解,但不同pH条件下TCE或cis-1,2-DCE的加入对苯或甲苯的生物降解均产生抑制(除pH=7.9,cis-1,2-DCE=100μg·L-1时的甲苯),且TCE对苯和甲苯生物降解的抑制要明显强于cis-1,2-DCE;不同pH条件下,TCE 100和500μg·L-1对苯生物降解的抑制作用没有明显差异,但对甲苯生物降解的抑制却随着TCE浓度的增加而增加;pH=7.9时,cis-1,2-DCE的加入有利于甲苯的生物降解,之后随着pH的增加又转变为抑制.另外,在苯或甲苯厌氧生物降解过程中,可能存在cis-1,2-DCE与苯或甲苯的共代谢生物降解,且甲苯更有利于cis-1,2-DCE的共代谢降解.     

ANAMMOX菌铁自养反硝化工艺的稳定性

在非严格厌氧的连续流反应器中,通过调节进水pH、外加一定浓度的Fe~(2+)以及定期更换新鲜铁粉这3种运行方式探讨维持厌氧氨氧化(ANAMMOX)菌利用零价铁去除硝酸盐反应体系长期稳定运行的适宜条件.结果表明,随着反应进行、受零价铁表面钝化的影响,该体系硝酸盐去除率逐渐下降,反应器难以持续运行.在一定范围内降低进水pH(5～7),或者额外投加一定量的Fe~(2+)对改善该反应体系的稳定性效果不显著.通过定期更换新鲜铁粉的方式,可以有效提高硝酸盐去除率、增强反应器稳定性.相比对照组可稳定运行7 d,实验组可至少稳定运行60 d,硝酸盐平均去除率提高22. 23%.因此,采取适宜措施保证体系内有足够具有活性的零价铁、消除零价铁钝化的不利影响,是ANAMMOX菌利用零价铁去除硝酸盐反应体系高效、稳定运行的关键.     

工业铁屑(零价铁)还原硝基苯影响因素研究

通过静态试验,研究了初始硝基苯浓度、零价铁含量和pH值对零价铁还原硝基苯的影响.结果表明,在pH值为7,硝基苯初始浓度为311.25mg/L条件下,零价铁含量分别是100、50和25g/L时,硝基苯的降解速率常数分别是-0.02991、-0.0165和-0.00783min-1,零价铁含量越大硝基苯的降解速率越大;在pH值为7,零价铁含量为50g/L条件下,硝基苯的初始浓度分别是127.5,311.25,467.01mg/L时,硝基苯的降解速率常数分别是-0.01532、-0.01235和-0.00891min-1;在硝基苯初始浓度为311.5mg/L,零价铁含量为50g/L条件下,pH值为2.94时,硝基苯的降解速率最大,pH值为7其次,pH值为11.89时的降解速率最小,酸性环境利于零价铁还原硝基苯的进行.由此可见,硝基苯浓初始浓度、零价铁含量和pH值对硝基苯的还原具有重大影响.     

pH值对纳米零价铁吸附降解2,4-二氯苯酚的影响

在不同pH条件下,对纳米铁(颗粒粒径为30～40 nm)及其降解2,4-二氯苯酚反应体系进行取样,并进行透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜-能谱联用(SEM-EDX)以及电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)等形貌观测与分析表征,以考察pH值在纳米零价铁降解氯酚反应过程中的影响和作用.结果表明,在降解2,4-二氯苯酚的过程中纳米铁由分散的颗粒逐渐团聚,其表面逐渐氧化,并最终被呈针状结晶的碱式氧化亚铁(FeOOH)覆盖,从而阻碍了降解反应的进一步进行.在酸性体系中,纳米零价铁的氧化和团聚现象有所缓解,尽管会造成一部分铁量的损失,但反应产生大量的亚铁离子参与并促进了脱氯降解反应的进行,反应过程中溶液pH值有逐渐升高的趋势.不同pH条件下,纳米铁对氯酚的去除率随pH值的降低而升高,酸性条件有利于提高氯酚的还原降解速率,当pH=3时,24 h内氯酚的去除率可达到90%以上.     

氯代烃污染土壤的纳米零价铁厌氧修复研究

有机氯代烃引发的土壤环境污染问题已日趋严重。以纳米零价铁厌氧还原技术为核心的厌氧降解修复技术已逐渐成为有机氯代烃污染土壤厌氧降解研究的热点。有机氯代烃自身分子结构的差异性决定了有机氯代烃的挥发性、持久性及生物毒性等理化性质差异巨大,最终影响到污染土壤厌氧修复技术的优化。文章系统梳理、总结了不同分子结构的有机氯代烃污染土壤的纳米零价铁厌氧修复研究进展,分析了不同分子结构的有机氯代烃的厌氧降解途径,比较了不同分子结构有机氯代烃的厌氧降解效果,以期能够为深入开展有机氯代烃污染土壤的纳米零价铁修复研究工作提供借鉴。     

乳化纳米铁(EZVI)强化地下水氯代烃还原脱氯

对氯代烃污染地下水进行厌氧微生物还原脱氯时,存在微生物驯化时间长、pH值持续降低、有毒中间产物累积等限制修复效率的问题,为解决上述问题,本课题组制备了一种乳化油(EVO)包覆纳米零价铁(NZVI)的修复试剂,即乳化纳米铁(EZVI),其可以抑制NZVI钝化,增强反应速率并促进厌氧微生物脱氯反应.通过静态批实验探究了EZVI与三氯乙烯的反应动力学及EZVI对四氯乙烯(PCE)还原脱氯的中间代谢产物,并阐明了该过程机理.结果表明EZVI可以有效延缓NZVI钝化、提高反应活性,反应符合一级反应动力学,k_obs=0.182d^-1;EZVI还原PCE可以减少中间产物二氯乙烯的积累,10天内去除PCE达到97.2%,比EVO还原体系提高了68.9%;反应过程中pH值保持在6.5~7.5,ORP值在-50~10mV,提供了良好的还原环境,有效促进了厌氧微生物脱氯反应进行.     

电子供体刺激下厌氧微生物对1, 2-二氯乙烷的降解效果

通过添加电子供体进行原位生物刺激可有效降解地下水中的氯代烃,目前国内外常采用接种高效微生物的方法强化这一降解过程,鲜见仅利用实际污染场地含水层土著菌开展的生物降解试验.从北京市某氯代烃污染场地采集地下水样品,仅接种场地含水层沉积物,利用微宇宙实验体系,初步探讨了添加不同种类和质量浓度的电子供体对地下水中1,2-二氯乙烷的去除效果影响.结果表明:①同时添加初级生长基质和电子供体对反应体系进行生物刺激可显著降解地下水中的1,2-二氯乙烷.60 d后,添加1 g/L醋酸钠的反应体系中1,2-二氯乙烷的去除率最高,可达93.9%;添加1 g/L的乳酸钠反应体系次之,去除率为82.2%;添加1 g/L的乳酸的反应体系去除率最低,为61.8%.并且添加醋酸钠的试验体系可长时间维持中性pH及较低的氧化还原电位.②相同条件下,对同种电子供体来说,添加量为1 g/L的试验组中1,2-二氯乙烷的降解效果优于添加量为2 g/L的试验组,推测较高质量浓度的电子供体可对微生物的生命活动产生抑制.③对反应体系中间产物进行监测,仅监测到了乙烯的产生,表明在试验周期内无明显毒副产物积累,1,2-二氯乙烷的降解较为彻底.研究显示,醋酸钠为该试验体系中最适电子供体,添加适宜质量浓度醋酸钠对土著菌进行生物刺激可实现对1,2-二氯乙烷的绿色降解.      

微米零价铁对剩余活性污泥和餐厨垃圾厌氧联合消化的加强效果及机制

针对剩余活性污泥和餐厨垃圾厌氧联合消化产气效率不高的问题,通过投加微米零价铁,研究其对厌氧联合消化的强化效果及作用机制.结果说明,零价铁的添加强化了厌氧联合消化的产甲烷阶段,但对溶解、水解及酸化阶段没有明显影响.当零价铁的投加量为10 g·L^-1时,经过15 d的厌氧消化,累积甲烷产量（以VS计）达到238.68 mL·g^-1,相比于空白组提高了20.05%.机制分析表明：零价铁提高了系统的电子传递体系（ETS）活性,当零价铁投加量为10 g·L^-1时,最终的ETS活性（以INTF/TS计）达到21.50 mg·（g·h）^-1,而空白组仅为13.43 mg·（g·h）^-1.此外,零价铁还强化了细菌和产甲烷菌之间的直接性种间电子传递（DIET）,微生物群落的变化显示DIET相关的微生物,例如Syntrophomonas、Methanosarcina和Methanobacterium,在有零价铁添加的条件下显示出更高的丰度.     

纳米零价铁(NZVI)对厌氧产甲烷活性、污泥特性和微生物群落结构的影响

重点比较了纳米零价铁(NZVI)和微米级铁(ZVI)短期暴露条件下,厌氧产甲烷过程中污泥产甲烷活性、污泥生理生化特征、细胞膜磷脂组成和微生物群落结构的变化.结果表明,NZVI组中累积产甲烷量随着NZVI投加浓度的增加降低.5 000mg·L~(-1)ZVI组累积产甲烷量未受影响.5 d时NZVI(100~5 000 mg·L~(-1))组铁离子浓度是空白组的1.6~7.4倍,5 000mg·L~(-1)ZVI组铁离子浓度略高于空白组.5 000 mg·L~(-1)NZVI组胞外聚合物总量大幅下降为空白组的21.1%,而活菌比仍可保持在空白组的79.7%.辅酶F420和辅酶M含量在5 000 mg·L~(-1)NZVI组中为空白组的40.2%和61.6%,但100 mg·L~(-1)NZVI组和5 000 mg·L~(-1)ZVI组中辅酶F420含量升高为空白组的1.3倍.不同实验组污泥支链脂肪酸和不饱和脂肪酸的总含量为:ZVI-5 000(21.18%)空白组(19.37%)NZVI-1000(16.69%)NZVI-5000(15.94%)NZVI-100(12.08%).NZVI可使环境中铁离子浓度升高和细胞膜流动性下降,降低细胞活性和产甲烷关键辅酶活性,从而对产甲烷过程造成抑制;主成分分析和冗余分析表明,厌氧系统中微生物群落组成可受到NZVI的影响发生较大变化,Nakamurella、Bacillus、Trichococcus和Petrimonas对NZVI耐受性高.     

浑河中游1,2-DCA在地下水中运移规律的模拟分析

为研究有机组分在地下水中的运移规律及影响因素,并预测水质的破坏程度,利用数值模拟方法建立浑河中游区域特征有机污染组分1,2-DCA(1,2-二氯乙烷)的溶质运移模型,分析1,2-DCA在浑河中游地下水中的运移规律,并预测了其对地下水水质的影响. 细河与浑河中1,2-DCA的补给浓度(以ρ计)分别为4.50和6.40μg/L,预测期为10a,在运移模型中考虑弥散、吸附、降解作用的影响. 模拟结果显示,预测期内1,2-DCA在细河污染区的最大影响面积为1.80km2,峰值浓度(以ρ计)为3.50μg/L,污染物向北西方向运移;在浑河污染区的最大影响面积为3.78km2,峰值浓度为5.00μg/L,污染物向西南方向运移,表明污染物对地下水水质影响程度较低. 预测初期的200d内,吸附及生物降解的共同作用使细河、浑河污染晕中心的ρ(1,2-DCA)分别下降了0.12、0.10μg/L;随后,对流-弥散作用成为溶质运移的主要驱动力,并且使1,2-DCA的污染程度持续增强;黏土对1,2-DCA的运移具有阻滞作用,1,2-DCA在细河污染晕的扩散幅度略低于浑河.      

饱和砂质土壤中不同流速条件下1, 2-二氯乙烷的运移及模拟

采用室内土柱试验方法,研究了孔隙水流速对1,2-二氯乙烷(1,2-DCA)在饱和砂质土壤中运移行为的影响.借助CXTFIT模型,通过示踪剂(KBr)穿透试验,获取了土柱内部条件参数,包括弥散系数D和孔隙水流速v,以及可动水和不可动水的分配比例.应用示踪剂试验获取的参数,分别使用平衡模型和非平衡两点模型对1,2-DCA在不同孔隙水流速下的穿透曲线进行了拟合.结果表明,平衡模型不能很好地模拟本文试验条件下1,2-DCA的运移,而非平衡两点模型拟合精度较高.试验条件下,流速对1,2-DCA运移影响显著.孔隙水流速较高时穿透时间较短,穿透曲线峰值更高.土壤对1,2-DCA的吸附作用是影响穿透特征的主要因素,高流速条件下,吸附作用的影响较小.     

污泥生物炭硼掺杂改性及其对水中1,2-二氯乙烷吸附行为和机制

以市政污泥为前驱体，采用硼酸掺杂改性共热解法，制备了污泥生物炭(BC600)和B掺杂污泥生物炭(BBC600),采用SEM、BET、FTIR、Zeta电位和静态接触角等手段对材料进行了结构表征，研究了BC600和BBC600对水中1,2-二氯乙烷(1,2-DCA)的吸附行为、机制和影响因素.结构表征结果表明，B掺杂改性后，生物炭中B元素含量、比表面积和孔容分别提高了76%、48%和30%;B掺杂改性对生物炭表面电荷及亲疏水性影响不大，BC600和BBC600表面均带有负电荷，接触角均<90°,两者均具有较好的亲水性.吸附实验结果表明，BBC600对1,2-DCA的吸附性能优于BC600,缘于BBC600更大的比表面积和强度更高的含氧官能团；准一级动力学方程可以较好描述BC600吸附1,2-DCA过程，准二级动力学方程能较好拟合BBC600吸附1,2-DCA过程，颗粒内扩散不是影响吸附速率的唯一限速步骤；碱性条件下生物炭材料更加分散和稳定，且其含氧官能团去质子化，供电子能力增强，有利于对1,2-DCA的吸附；腐殖酸(HA)对BC600吸附1,2-DCA呈现低浓度促进，高浓度抑制的作...     

ANAMMOX培养物中硫酸盐型氨氧化生物转化机制

厌氧条件下,ANAMMOX培养物中发生的硫酸盐型氨氧化（SRAO）现象被认为是由ANAMMOX细菌（AnAOB）介导的自养生物转化过程.在这个过程中,作为电子供体的氨被电子受体硫酸盐氧化.在某一些自然环境中观察到的氨与硫酸盐转化现象也被认为是由于上述生物转化作用而导致的.然而,在不同研究中,关于氨与硫酸盐的转化摩尔比（N/S）、硫酸盐还原的中间产物和最终产物的认定均有存在较大差异.因此,氨和硫酸盐在ANAMMOX培养物中的转化机制仍不明确.为探明ANAMMOX污泥中SRAO现象背后的基质转化途径,在不同厌氧状态（微氧：-100 mV < ORP < 0 mV,0.5 mg·L^-1 < DO < 1 mg·L^-1;缺氧：-300 mV < ORP < -100 mV,0.2 mg·L^-1 < DO < 0.5 mg·L^-1;厌氧：ORP < -300 mV,DO < 0.2 mg·L^-1）以及不同污泥组成（ANAMMOX污泥和混合污泥）的条件下开展连续流实验和批次实验.结果表明,SRAO现象只能在缺氧条件且存在异养硫酸盐还原细菌（SRB）的混合污泥中发生;在ANAMMOX污泥中无论处于哪种厌氧状态,均不会发生SRAO现象.微生物群落变化与功能基因表达分析表明,ANAMMOX污泥和混合污泥中均存在以Nitrosomonas和Nitrosospira为主的携带amoA基因的氨氧化细菌（AOB）,可将氨氧化生成亚硝酸盐,为AnAOB代谢提供底物.Desulfomicrobium、Desulfovibrio以及Desulfonatronum等携带apsA基因的SRB只存在于混合污泥中,它们利用微生物衰亡释放的有机物将硫酸盐还原.AnAOB并不能以硫酸盐为电子受体氧化氨维持代谢.因此,在ANAMMOX污泥中观察到的SRAO现象（即氨与硫酸盐的同步转化）实际上是氨氧化、ANAMMOX和异养硫酸盐还原这3个过程联合的结果,上述生物转化过程分别由AOB、AnAOB和SRB完成.     

场地地下水1,2-二氯乙烷污染的修复实验与数值模拟研究

为筛选适宜的地下水中1,2-DCA(1,2-二氯乙烷)污染的修复方法,本文开展原位修复包括化学氧化清除技术、监测自然衰减技术及其集成技术的有效性研究。首先通过室内实验,研究高铁酸钾和过氧化氢这两种不同氧化剂对1,2-DCA化学清除的效率以及清除过程中对地下水化学环境的影响。结果表明,高铁酸钾和过氧化氢均能有效的进行化学清除工作,且在60 d后对1,2-DCA的去除率都超过了95%。在反应最佳作用时间内,菌落总数会急速下降,随着时间推移和氧化剂的消耗,菌落总数重新大幅度的回升,这表明即使在化学氧化清除效果减弱之后,依旧可以进行自然降解修复。在此基础上,利用野外水文地质资料与水化学监测资料,建立地下水污染修复数值模拟模型,并通过数值模拟结果分析评价监测自然衰减、化学氧化清除和化学氧化-自然衰减三种不同修复技术的可行性及效果差异,为场地地下水有机污染修复技术的筛选提供不可或缺的依据。     

静置/好氧/缺氧序批式反应器（SBR）脱氮除磷效果研究

以静置段代替传统厌氧段,采用后置缺氧方式,考察了静置/好氧/缺氧序批式反应器(SBR)(R1)的生物脱氮除磷(BNR)性能,并与传统厌氧/好氧/缺氧序批式反应器(SBR)(R2)进行对比.两反应器进水乙酸钠、氨氮(NH+4-N)及磷酸盐(PO3-4-P)浓度均分别为350 mg·L-1(以COD计)、40 mg·L-1及12 mg·L-1,水力停留时间(HRT)为12 h.研究结果表明,R1长期运行中磷的去除率与R2相当,分别为92.4%和92.1%,而总氮(TN)去除率则较R2高,分别为83.5%和77.0%.R1静置段省去搅拌但仍能起到厌氧段的作用,为好氧快速摄磷奠定了基础,同时R1缺氧段发生反硝化摄磷,使出水磷降至0.91 mg·L-1.好氧段内R1发生了同步硝化-反硝化(SND),贡献了18.0%的TN去除量,R2也存在SND,但脱氮贡献率较少,仅为9.8%.R1和R2后置缺氧反硝化均以糖原驱动,反硝化速率分别为0.98、0.84 mg·g-1·h-1(以每g VSS产生的N(mg)计),出水TN分别为6.62、9.21 mg·L-1.研究表明,静置段代替传统厌氧段后,可获得更好的脱氮效果,且工艺更为简化.