专利名称：利用小麦秸秆原位或异位修复地下水硝酸盐污染的方法
技术领域：
本发明涉及水中硝酸盐氮的原位或/和异位去除方法，属于水处理技术的应用领域。本发明其特征在于以小麦秸秆或/和其预处理产物作为反硝化碳源，在反硝化细菌菌群的作用下，通过生物反硝化去除地下水中的污染物硝态氮。本发明不需额外补充液体碳源，生物处理单元简化，可用于原位修复，也可建立抽出式异位修复反应器，反应速度快，二次污染少。
背景技术：
随着现代农业人工合成氮肥的大量施加和大规模人工固氮活动(如工业固氮) 的出现，地球上固氮能力远远大于反硝化(脱氮)的能力，使氮素流动的平衡向地下水方向移动从而造成水体硝酸盐污染。由于硝酸盐对人和动物的种种危害，许多国家以及世界卫生组织(WHO)都为饮用水中硝酸盐的含量制定了标准。世界卫生组织(WHO)现行的标准制定于1984年，对饮用水中硝酸盐氮含量的指导性标准为IOmg N03__N/L，推荐标准为 5mgN03_-N/L。美国环保局(EPA) 1985年的标准是IOmg N03__N/L。我国新修订的生活饮用水卫生标准(GB5749-2006)规定饮用水中的NOf-N不应超过10mg/L。在世界范围内，硝酸盐污染状况已非常严重。在美国大部分地区，约10% -25% 的地下水硝酸盐氮浓度超过了 10mg/L。英国的东部和南部地区地下水硝酸盐氮浓度达到 33. 87-45. 16mg/L。德国约50 %的农用井硝酸盐氮浓度超过13. 54mg/L0我国是个农业大国，氮肥年使用量约占世界总量的30%，目前已经成为化肥年产量和使用量最多的国家，在这样的背景下，我国地下水硝酸盐污染问题日益严重。根据2005年4月21日，中国地质调查局最新公布的我国地下水资源与环境调查成果显示我国浅层地下水资源污染比较普遍，全国浅层地下水大约有50%的地区遭到一定程度的污染，约有一半城市市区的地下水污染比较严重，地下水水质呈下降趋势。目前，比较成熟的脱硝工艺可以分为物理法、生物法和化学还原法。物理法主要包括吸附法、离子交换法和膜分离法。与其他物理化学方法相比，生物反硝化法具有两个突出的优点，一是实现了硝酸盐氮的转化，能够使其彻底还原为氮气，避免了二次污染；二是对原水水质适应性强，只要运行参数调整适当，可以有针对性地使硝酸盐氮完全无害化。生物反硝化工艺前期工程投入费用较高，但运行费用较其它方法更为经济，非常适合大规模的给水处理，因此在世界范围内取得了最为广泛的应用。碳作为微生物生长的必要元素，在反硝化过程中扮演着重要角色。异养反硝化需要外加有机物作为碳源，常用液体碳源有甲醇、乙醇、乙酸、葡萄糖等有机物质，固体碳源有锯末、报纸等，异养反硝化中有机物的终产物为(X)2和H2O,同时一部分碳元素通过同化反硝化成为细菌的组成元素。小麦是我国北方地区主要农作物，传统采用露天焚烧处理小麦秸秆，不仅污染周边大气，而且农田因焚烧破坏了其中的有益成分及微生物菌群，同时也是生物质能源-小麦秸秆的浪费。
发明内容
本发明基于以上技术背景，提供一种可行性强且具有经济价值的利用小麦秸秆原位或异位修复地下水硝酸盐污染的方法，既可以无害化利用小麦秸秆，又可减少硝酸盐污
^fe ο本发明的技术原理是利用小麦秸秆或其预处理产物为异养反硝化碳源，建立原位脱氮墙/异位脱氮反应器，添加富含反硝化细菌的细菌溶液，通过生物作用原位/异位脱除水中的硝酸盐污染物。为实现上述目的，本发明采取如下技术方案在受硝酸盐污染的地下水来水或出水路径上可设置原位脱氮墙，装填小麦秸秆或 /和其预处理产物作为反硝化碳源。所采用的小麦秸秆在预处理之前首先切成l-5cm的小段，之后可利用粉碎机将其粉碎备用。所述的小麦秸秆和/或其预处理产物是指利用纤维素酶对小麦秸秆进行初步水解成葡萄糖或其他单糖的固体产物及水解液，同时，预处理方法还包括汽爆法，湿氧化法， 超声、微波辅助法及化学法(即利用稀的酸碱溶液进行化学预处理)。所添加的富含反硝化细菌的细菌溶液可来源于污水处理厂污泥，富含微生物的土壤、湿地、江、河、湖、沟等底部淤泥，可通过添加模拟硝酸盐配水，N、P等营养物质及有机碳源富集培养驯化反硝化细菌。所述的原位脱氮墙可由小麦秸秆或/和其预处理产物与一定比例的砂土、纤维素酶、反硝化细菌溶液混勻构筑，其中小麦秸秆或/和其预处理产物与砂土重量比为0. 2-1 ； 微生物添加量为0. l_lg/g(干秸秆)；添加纤维素酶的量为10-50U/g(干秸秆)。本发明还可建立异位脱氮反应器，具体是将受污染地下水抽出，建立间歇型或连续型反应器，对受污水体进行反硝化处理，处理完毕后，将水回灌或达标排放供绿化、景观等用水。反硝化装置可采用多种形式，如反应釜，反应槽，固定床，膨胀床，流化床及膜生物反应器等。同时，异位脱氮反应器可以多组并联使用以扩大其处理能力。本发明所述的反应器内需将小麦秸秆或/和其预处理产物与一定比例的载体、纤维素酶、反硝化细菌溶液混勻装填，其中载体包括活性炭颗粒、多孔生物球、发泡颗粒等， 小麦秸秆或/和其预处理产物与载体重量比为0. 2-1 ；微生物添加量为0. l_5g/g(干秸秆)；添加纤维素酶的量为10-50U/g(干秸秆)。若采用膜生物反应器形式，可取消装填载体，在反应器内加入小麦秸秆或/和其预处理产物纤维素酶、反硝化细菌溶液，出水采用微滤膜过滤，过滤孔径为0. 1-0. 8 μ m。与已有技术相比，本发明突出的优点是生物处理单元简化，易于操作，占地面积小，可以实现了地下水硝酸盐污染的原位修复。同时，小麦秸秆是北方农村地区主要农作物，来源广泛，价廉易得，通过对秸秆进行预处理，添加纤维素酶的方法使小麦秸秆的纤维素、半纤维素和木质素更容易水解被细菌利用，此外，小麦秸秆和/或其预处理产物属固体碳源，较液体碳源相比，溶出COD较低，可有效避免二次污染。
图1原位脱氮墙示意图
图2异位脱氮反应器示意图附图标记图1 :1.水平线；2.脱氮墙；3.反应区域；4.进水水流；5.出水水流图2 :1.进水槽；2.进水泵；3.脱硝反应柱；4.出水
具体实施例方式实施例1在硝酸盐污染严重的某农田区地下水来水和出水路径上设置小麦秸秆反应墙，其中小麦秸秆和其预处理产物与砂土重量比为0. 5 ；微生物添加量为0. 5g/g(干秸秆)；纤维素酶的添加量为40U/g(干秸秆)，进水硝酸盐氮含量为40mg/L，经过砂土和小麦秸秆混填的20cm厚的反应墙后，出水硝态氮浓度降低至5mg/L。实施例2建立异位脱氮反应器，呈圆柱状，柱内装填小麦秸秆，微生物添加量为lg/g(干秸秆)；纤维素酶的添加量为30U/g(干秸秆)，进水硝酸盐氮含量为30mg/L，反应器下部进水，上部出水，反应器启动时间为20天，当水力停留时间为池时，出水硝态氮浓度降低至 3mg/L,出水中未检出亚硝酸根。
权利要求
1.利用小麦秸秆原位或异位修复地下水硝酸盐污染的方法，其特征在于以小麦秸秆或 /和其预处理产物作为反硝化碳源，在反硝化细菌菌群的作用下，通过生物反硝化原位或异位修复地下水中硝态氮的污染。
2.根据权利要求1所述的小麦秸秆和/或其预处理产物有如下准备方法首先小麦秸秆切成l_5cm的小段，之后可利用粉碎机将其粉碎，利用纤维素酶对其进行初步水解成葡萄糖或其他单糖的固体产物及水解液，同时，预处理方法还包括汽爆法，湿氧化法，超声、微波辅助法及化学法(即利用稀的酸碱溶液进行化学预处理)。
3.按照权利1所述的所述的反硝化细菌菌群可来源于污水处理厂污泥，富含微生物的土壤、湿地、江、河、湖、沟等底部淤泥，可通过添加模拟硝酸盐配水，N、P等营养物质及有机碳源富集培养驯化反硝化细菌。
4.根据权利要求1所述的原位修复地下水硝酸盐污染的方法，其特征在于在受硝酸盐污染的地下水来水或出水路径上设置原位脱氮墙，装填小麦秸秆或/和其预处理产物作为反硝化碳源。
5.按照权利4所述的所述的原位脱氮墙可由小麦秸秆或/和其预处理产物与一定比例的砂土、纤维素酶、反硝化细菌溶液混勻构筑，其中小麦秸秆或/和其预处理产物与砂土重量比为0. 2-1 ；微生物添加量为0. l_5g/g(干秸秆)；纤维素酶的添加量为10-50U/g(干秸秆)。
6.根据权利要求1所述的异位修复地下水硝酸盐污染的方法，具体是将受污染地下水抽出，建立间歇型或连续型反应器，对受污水体进行反硝化处理，处理完毕后，将水回灌或达标排放供绿化、景观等用水；反硝化装置可采用多种形式，如反应釜，反应槽，固定床，膨胀床，流化床及膜生物反应器等。
7.根据权利要求6所述的异位修复地下水硝酸盐污染反应器，其特征在于需混勻装填麦秸秆或/和其预处理产物与一定比例的载体、纤维素酶和反硝化细菌溶液，其中载体包括活性炭颗粒、多孔生物球、发泡颗粒等，小麦秸秆或/和其预处理产物与载体重量比为 0. 2-1 ；微生物添加量为0. l_lg/g(干秸秆)；纤维素酶的添加量为10-50U/g(干秸秆)。
全文摘要
利用小麦秸秆原位或异位修复地下水硝酸盐污染的方法，其特征在于以小麦秸秆或/和其预处理产物作为反硝化碳源，在反硝化细菌菌群的作用下，通过生物反硝化去除地下水中的污染物硝态氮。本发明方法一方面使小麦秸秆等农业废弃物得到资源再利用，另一方面可消除地下水硝酸盐污染。本发明属于水处理技术的应用领域，不需额外补充碳源，生物处理单元简化，可用于原位修复，也可建立抽出式异位修复反应器，反应速度快，二次污染少。
文档编号C02F3/34GK102491536SQ20111042299
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月16日 优先权日2011年12月16日
发明者万东锦, 刘文举, 刘永德, 孙旭镯, 张迎明, 李波, 王宁, 陈静 申请人:河南工业大学