本实用新型专利技术涉及一种氧化环境地下水中生物除氧脱氮装置，其为双层双介质渗透反应格栅；该渗透反应格栅由上游松树皮层和下游零价铁层构成。该装置布设在硝酸盐氮污染的氧化环境地下水污染羽下游土壤及地下水层内，通过好氧异养菌有氧呼吸、异养脱氮和自养脱氮三种主要途径实现氧化环境地下水中生物除氧脱氮。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）
【技术实现步骤摘要】
本技术涉及对污染地下水进行生物修复的除氧脱氮装置，具体涉及一种新型的生物除氧-异养/自养脱氮联用的组合装置。
技术介绍
硝酸盐氮(NO3-N)是世界范围内地下水中最普遍的污染物之一，其污染已经成为了世界性的环境和健康问题。除南极洲之外，在其他6 大洲的地下水中均发现了高浓度的Ν03-Ν。人体摄入高NO3-N会引起严重疾病甚至死亡。长期暴露于NO3-N和亚硝酸盐氮(NO2-N)会引起多尿、脾出血、“蓝婴症”等。在1945-1970年期间，全世界有2000例“蓝婴症”，其中有8%死亡。此外，NO3-N和NO2-N是亚硝基化合物(N-nitroso Compounds, NOCs)的前体物。NOCs能引起高血压、癌症、畸形和突变。随着全球经济的发展，农业氮肥、灌溉污水、垃圾场地等使用量逐渐增加，导致NO3-N大量进入地下环境。因此可以预见NO3-N对公众健康和环境的危害必将日趋扩大。根据所需碳源种类的不同，生物脱氮分为异养脱氮(Heterota)PhicDenitrification, HD)和自养脱氮(Autotrophic Denitrification, AD)。异养脱氮指异养脱氮菌利用有机碳基质作为电子供体和能量源并趋于利用有机碳作为细胞碳源将NO3-N还原为气态氮的过程。异养脱氮在土壤、沉积物、地下水中相对普遍存在，然而地表下可获得的有机碳随着深度的增加而减少，导致了脱氮速率逐渐降低，甚至在深含水层中不发生生物脱氮。可见，地下水中可利用的内在有机碳源制约了异养脱氮技术的应用。近来，众多研究者评估了以纤维素为基础的外加固体有机碳源用于异养脱氮的潜在应用。棉花是最纯净的纤维素类碳源，具有最高的外比表面积，展现出非常优异的NO3-N 去除能力，不引起亚硝酸盐积累，但是棉花会导致运行初期反应器出水溶解性有机碳(Dissolved Organic Carbon, DOC)增高,更主要的是其硬度较小，很难大规模应用于实际工程。小麦杆用于生活饮用水生物脱氮时，在第一周内脱氮速率最高，随后呈现减少趋势，小麦杆不能长期稳定持续的供给有机碳。Saliling et al.考察了硬木屑和小麦杆，结果显示140天后硬木屑和小麦杆分别损耗了 16. 2% 和 37. 7%,因此他们的使用寿命有限。Volokita et al.利用报纸作为碳源时开展的生活饮用水脱氮研究中发现，尽管反应柱可以完全脱氮且无NO2-N积累，但是初期(〈12天)出水DOC较高，并且随着时间的推移脱氮能力出现不可逆的降低。Greenan et al.评价了 4种有机碳源在生物过滤器中的脱氮效果，去除能力由高至低依次为玉米杆〉纸板〉木屑+豆油〉木屑，异化硝酸盐还原对去除率的贡献仅占l%。纤维素固体有机碳源有待于进一步研究与发展。自养脱氮指自养脱氮菌利用二氧化碳或碳酸氢根作为碳源同时利用氢或还原性硫作为电子供体和能量源将NO3-N还原为气态氮的过程。氢自养脱氮而言，由于存在以下四个重要因素，严重的制约了该技术的应用I.氢气溶解度低，利用率低，气相到液相的基质传递和物质转移受限；2.需要注射系统，氢气价格昂贵，工程造价和运行维护费用高； 3.地下水中可获得的二氧化碳有限；4.氢气在使用、运输和储藏过程中与O2混合后易燃易爆。Till et al.提出了零价铁(Zero Valent Iron, ZVI)支持的自养脱氮法，该法可以克服上述氢传质限制等缺点。ZVI在厌氧腐蚀过程中能够产生阴极氢，而且水中细菌利用氢化酶可加速阳极ZVI的溶解。在自养脱氮过程中生物与非生物的NO3-N还原会导致水中pH值增高。针对这一问题，Rust et al.研发的一种胶囊式KH2PO4缓冲剂可将pH值维持在理想的范围之内, ,铁矿(FeS2)作为 pH缓冲剂能有效控制pH值增加。据文献，AD较之HD的优点是生物量少；堵塞少；一些有机碳的毒理危害小；脱氮水中有机碳含量少；后续处理简单。自养脱氮菌生长代谢较异养脱氮菌缓慢，世代时间长。不过自养脱氮菌与异养脱氮菌因碳源和电子受体的不同而不存在竞争，因此两种菌可以在系统中共生。DeliaRocca et al.提出了一种异养与自养脱氮相结合的方法来处理生活饮用水,。在他们的研究中，铁刨花和棉花被分别置于实验柱底层和顶层，采用底部进水方式。铁刨花减少水中DO来支持生物脱氮，还会产生阴极氢来促进自养脱氮，而棉花用来支持异养脱氮。实验结果表明，该法可以取得较高的脱氮速率，ZVI增强了生物脱氮，但是在流速低或进水NO3-N高的情况下，出水中发现高浓度NH4-N, NH4-N显著降低脱氮性能和抑制微生物活性。Su and Puls报道棉桃堆肥单一体系比棉桃堆肥+ZVI或棉桃堆肥+沉积物双重体系及棉桃堆肥+ZVI+沉积物三重体系的NO3-N去除速率要高。这暗示了 ZVI钝化了棉桃堆肥+ZVI体系中的生物脱氮。地表水和雨水入渗补给及污水回灌等会导致地下水富含溶解氧(DissolvedOxygen, DO)而形成氧化环境。氧会对地下水化学成分和元素迁移带来巨大的影响，更重要的是会限制生物脱氮，主要基于三种原因脱氮酶活性的可逆抑制；基因表达调控；与硝酸根的电子竞争。因此，生物脱氮需在缺氧或者厌氧环境中进行。G0mezet al.调查了乙醇、甲醇和蔗糖作为液体碳源时溶解氧对地下水中硝酸盐去除的影响 0结果显示，DO的存在减少了无机氮的去除率并且引起了出水中亚硝酸盐的增加，同时还发现乙醇和甲醇支持的生物脱氮受DO的影响程度小于蔗糖。不难看出，不同碳源去除DO的能力不同和受DO的影响程度不同。以铁刨花、纳米铁、颗粒铁、铸铁、铁屑和铁粉等形式存在的ZVI用于NO3-N化学还原和自养脱氮的研究已引起研究者的关注，然而以海绵铁形式存在的ZVI尚未见报道。以上研究表明，寻找释碳稳定、使用寿命长、廉价、硬度高的固体有机碳源，探索新的ZVI存在形态，探讨生物除氧脱氮机理，研发高效无毒无氮副产物的生物除氧-异养/自养脱氮联用的新型组合技术，将对地下水污染修复具有重要的理论价值和实际意义，也为生物脱氮的技术应用提供一个更好的发展前景。渗透反应格栅(PermeableReactive Barriers，PRBs)是20世纪80年代由US EPA提出的一种地下水污染的原位修复技术，其主要由透水的反应介质组成，当污染地下水在自身水力梯度作用下流经栅体时，污染物与介质发生沉淀、吸附、氧化还原和生物降解反应等一系列反应，使地下水得到净化。该技术生态环境扰动小，不需要泵抽和地上处理系统，还可以就地处理，避免了集输过程的二次污染，节约了动力费用和运行费用。这些优点使得PRB技术在地下水原位修复技术中具有广泛的应用前景。1996年I月，在新西兰建成了一个长35m、宽I. 5m、深I. 5m的浅层地下水脱氮 PRB，其内填充锯屑。运行结果表明，可利用的有机碳在运行初期的200天内逐渐减少，随后保持相对稳定，地下水在PRB底部发生了绕流现象。1992 1993年期间，在4个野外试验场开展了 PRB生物脱氮研究，利用锯屑、落叶堆肥物、谷粒、粗纹理木材的覆盖物、硬木锯屑等作为碳源。运行显示，脱氮速率可达15 30mg N/L/d。不难看出，工程应用中的PRB大多采用单层单一反本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种氧化环境地下水中生物除氧脱氮装置，其为双层双介质渗透反应格栅，其特征在于，该渗透反应格栅由上游松树皮层和下游零价铁层构成。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：黄国鑫，刘菲，胡红岩，朱玲玲，孔祥科，秦晓鹏，张英，
申请(专利权)人：中国地质大学北京，中国肉类食品综合研究中心，
类型：实用新型
国别省市：
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