一种地下水硝酸盐甲烷氧化菌修复系统及构建方法

1.本发明涉及一种地下水硝酸盐甲烷氧化菌修复系统及构建方法，属于地下水处理技术领域。


背景技术：

2.地下水属于重要的饮用水水源，具有循环更新慢的特点，在受到污染后难以在短时间内恢复，硝酸盐污染属于地下水污染的一种类型，分为点源污染和面源污染。点源污染主要包括由城市污水、工业污水、生活污水以及一些金属矿山排水等，面源污染主要包括污水不合理灌溉、大量氮肥施用、垃圾渗滤液的下渗等。地下水中硝酸盐污染日益严重，危害水生生物安全，并威胁人类健康。美国epa规定了最高极限值为10mgno
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n/l，欧盟组织提出的允许水平值为 5.6mgno
3-‑
n/l；饮用水中硝酸盐的限值为10mg/l，当受到地下水源的水质限制时限值为20mg/l。因此，开发地下水硝酸盐污染的高效修复技术迫在眉睫。
3.目前，地下水硝酸盐修复方法按反应原理可分为物理法、化学法、生物法，按处理场所不同又可分为异位修复及原位修复。物理法主要有离子交换树脂法、吸附法、电渗析法、反渗透膜法。离子交换树脂法是使水中no
3-阴离子交换剂上的同性离子进行交换从而达到脱氮效果；吸附法利用吸附剂与no
3-离子之间的范德华力去除水中硝酸盐；电渗析法是利用离子交换膜对溶液中离子的选择透过性，使阴、阳离子发生离子迁移而去除no
3-；反渗透法是利用压力差将no
3-从溶液中分离出来。化学法主要包括还原剂还原法、催化还原法，常见的去除no
3-的还原剂有活泼性金属、甲酸、甲醇、氢气等。生物法是利用微生物促进地下水中反硝化作用，使硝态氮转化为氮气或有机氮化合物从而实现脱氮，根据电子供体类型的不同，可将生物法分为自养反硝化和异养反硝化，反硝化作用在维护生态系统良性循环及消除地下水硝酸污染中发挥重要作用。生物法具有低耗高效、无二次污染，在生活污水、工业废水和地下水修复等领域运用广泛。
4.异位修复是将被污染的地下水抽出后由地表处理设施及工艺对被污染水进行处理，之后集入供水管道或回灌入地下。原位修复是指在地下水被抽出地表之前对其进行处理，原位修复的技术载体分别为原位反应带和可渗透反应墙，原位反应带是利用注射井向含水层中注射药剂、微生物等，在含水层中形成一个或多个反应带，从而实现在含水层空间内的原位处理；可渗透反应墙是设置在地下水径流路径上，污染物经过可渗透反应墙中填充的反应介质时被处理或拦截。
5.然而，现有的地下水硝酸盐修复技术应用范围受限，并存在一定缺陷，如离子交换树脂法的树脂再生剂需要用高浓度盐或酸，易产生高浓度废水；吸附法所采用的吸附材料受到吸附能力的限制，需要更换或再生，在地下水no
3-修复应用中会增加运行维护成本；电渗析法与反渗透膜法同属于膜分离法，膜分离法对离子不具有选择性，在去除水中no
3-同时去除了其它无机盐，且效率低、成本高昂，不适用于大规模的地下水硝酸盐污染修复；化学法会产生副产物，易造成二次污染；异养生物反硝化是把异养反硝化菌应用到除去地下水硝酸盐污染的过程中，利用有机物为电子供体，但有机碳源的不足会引起亚硝酸盐增多累
积等现象，会加重地下水的毒性；异位修复多用于点源污染治理，抽提回灌过程对场地环境扰动较大，处理系统的定期维护与监测导致运行成本的增高。


技术实现要素：

6.针对现有的物理法、化学法和异位修复过程中面临的效率低、成本高、易产生二次污染以及对环境扰动大的问题，本发明提供一种地下水硝酸盐甲烷氧化菌修复系统及构建方法，该系统具有工艺简单、占地面积小、对地下水环境干扰小、建设和运行费用低、处理效率高及能源消耗小等优点，该方法利用甲烷为唯一碳源，在有效去除地下水硝酸盐的同时减少甲烷的排放，实现甲烷的资源化利用，能有效促进地下水修复和生态环境保护。
7.本发明的技术方案：一种地下水硝酸盐甲烷氧化菌修复系统，包括曝气系统和地下水修复系统，所述曝气系统包括通过进气管依次连接在一起的甲烷储气罐、进气泵、流量计和曝气装置；所述地下水修复系统为可渗透反应墙，且可渗透反应墙设置在地下水流经路线上，所述可渗透反应墙是由沿着流经方向依次设置的滤水层ⅰ、反应层以及滤水层ⅱ构成，所述滤水层ⅰ和滤水层ⅱ内部填充有填料ⅰ，反应层内部填充有填料ⅱ，所述曝气装置布置地下水修复系统的反应层下方，在滤水层ⅰ、滤水层ⅱ以及反应层两侧均设有过水孔。
8.进一步，所述可渗透反应墙的顶部安装有密封盖。
9.进一步，所述曝气装置为微孔曝气管或微孔曝气盘。
10.进一步，所述滤水层ⅰ和滤水层ⅱ厚度为1.5～3.5m，两侧均匀开设圆形或方形过水孔，开孔率为20～45％，孔径为10～50mm，所述填料ⅰ为砾石或卵石，粒径为30～50mm。
11.进一步，所述反应层的厚度为8～16m，所述填料ⅱ为石英砂或火山石，粒径为10～20mm。
12.进一步，所述地下水修复系统沿着地下水流经路线设置有2～7 级，每级间隔2～6m。
13.同时，本发明还提供一种基于上述地下水硝酸盐甲烷氧化菌修复系统的地下水硝酸盐甲烷氧化菌修复方法，包括以下步骤：
14.步骤一：首先在地下水修复系统的反应层内投加甲烷氧化菌作为接种微生物，然后启动曝气系统，对地下水修复系统进行3～5天的微生物挂膜；
15.步骤二：微生物挂膜结束后，通过流量计控制甲烷浓度，使甲烷浓度为3％～5％；
16.步骤三：定期检测各级地下水修复系统出水的氨氮、总氮和甲烷出气量，根据实际情况调整曝气系统的曝气强度和流量；
17.步骤四：系统运行稳定后，观察地下水修复系统中填料表面微生物的生长情况，分析填料表面上微生物的形态，并采用16srrna高通量测序分析微生物种群结构，使填料表面富集出甲烷氧化菌，这样便可通过甲烷氧化菌氧化甲烷生成有机物，产生的有机物作为反硝化菌脱氮所需的碳源，将尾水中的硝酸盐氮转化为氮气，以达到硝酸盐脱氮的目的。
18.上述方法中，所述甲烷氧化菌的接种浓度为0.05～0.8mg干质量 /m3。
19.上述方法中，所述曝气系统的曝气强度为1.0～4.0l/(min
·
m2)。
20.由于采用了上述技术方案，本发明的优点在于：
21.(1)有效解决地下水硝酸盐生物修复方法的需额外添加碳源和加重水质毒性的问题，同时实现温室气体甲烷的资源化利用；
22.(2)能有效解决地下水硝酸盐物理化学修复方法的效率低、运行成本高、易产生二次污染等问题，系统出水水质稳定，无二次污染；
23.(3)能有效解决地下水硝酸盐异位修复技术对环境扰动大的问题，系统管理维护简单，运行成本低，对生态环境保护具有重要意义。
附图说明
24.图1是本发明的结构示意图；
25.图2是实施例一中硝酸盐氮和总氮的去除率示意图；
26.图3是实施例二中硝酸盐氮和总氮的去除率示意图；
27.图4是实施例三中硝酸盐氮和总氮的去除率示意图。
28.附图中的标记为：1-甲烷储气罐，2-进气泵，3-气体流量计，4
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进气管，5-曝气管，6-滤水层i，7-反应层，8-滤水层ii，9-填料i， 10-填料ii，11-密封盖。
具体实施方式
29.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
30.实施例一：
31.参见图1，本发明的一种地下水硝酸盐甲烷氧化菌修复系统，包括曝气系统和地下水修复系统，所述曝气系统包括通过进气管4依次连接在一起的甲烷储气罐1、进气泵2、流量计3和曝气装置5；所述地下水修复系统为可渗透反应墙，且可渗透反应墙设置在地下水流经路线上，所述可渗透反应墙的顶部安装有密封盖11；所述可渗透反应墙是由沿着流经方向依次设置的滤水层ⅰ6、反应层7以及滤水层ⅱ8构成，所述滤水层ⅰ6和滤水层ⅱ8内部填充有填料ⅰ9，反应层7内部填充有填料ⅱ10，所述曝气装置5布置地下水修复系统的反应层7下方，在滤水层ⅰ6、滤水层ⅱ8以及反应层7两侧均设有过水孔。
32.所述曝气装置5为微孔曝气管；所述滤水层ⅰ6和滤水层ⅱ8厚度为1.5m，两侧均匀开设圆形或方形过水孔，开孔率为20％，孔径为 10mm，所述填料ⅰ9为砾石或卵石，粒径为30mm；所述反应层7的厚度为8m，所述填料ⅱ10为石英砂或火山石，粒径为10mm；所述地下水修复系统沿着地下水流经路线设置有3级，每级间隔2m。
33.采用上述地下水硝酸盐甲烷氧化菌修复系统进行地下水硝酸盐修复时，包括以下步骤：
34.步骤一：首先在地下水修复系统的反应层7内投加甲烷氧化菌作为接种微生物，所述甲烷氧化菌的接种浓度为0.05mg干质量/m3，然后启动曝气系统，所述曝气系统的曝气强度为1.0l/(min
·
m2)，对地下水修复系统进行3天的微生物挂膜；
35.步骤二：微生物挂膜结束后，通过流量计3控制甲烷浓度，使甲烷浓度为3％；
36.步骤三：定期检测各级地下水修复系统出水的氨氮、总氮和甲烷出气量，根据实际情况调整曝气系统的曝气强度和流量；
37.步骤四：系统运行稳定后，观察地下水修复系统中填料表面微生物的生长情况，分析填料表面上微生物的形态，并采用16srrna高通量测序分析微生物种群结构，使填料表面富集出甲烷氧化菌，这样便可通过甲烷氧化菌氧化甲烷生成有机物，产生的有机物作为反
硝化菌脱氮所需的碳源，将尾水中的硝酸盐氮转化为氮气，以达到硝酸盐脱氮的目的。
38.地下水处理系统：生物膜反应器，采用鹅卵石填料层和石英砂为微生物负载填料，进气为3％甲烷和97％氮气的混合气体；
39.地下水处理效果：如图2，进水总氮32mg/l，硝酸盐氮30mg/l，经过反应器接种启动到运行30d期间，总氮平均去除率为36.74％，最高可达48.5％，硝酸盐氮平均去除率为36.64％，最高可达49.27％。
40.实施例二：
41.参见图1，本发明的一种地下水硝酸盐甲烷氧化菌修复系统，包括曝气系统和地下水修复系统，所述曝气系统包括通过进气管4依次连接在一起的甲烷储气罐1、进气泵2、流量计3和曝气装置5；所述地下水修复系统为可渗透反应墙，且可渗透反应墙设置在地下水流经路线上，所述可渗透反应墙的顶部安装有密封盖11；所述可渗透反应墙是由沿着流经方向依次设置的滤水层ⅰ6、反应层7以及滤水层ⅱ8构成，所述滤水层ⅰ6和滤水层ⅱ8内部填充有填料ⅰ9，反应层7内部填充有填料ⅱ10，所述曝气装置5布置地下水修复系统的反应层7下方，在滤水层ⅰ6、滤水层ⅱ8以及反应层7两侧均设有过水孔。
42.所述曝气装置5为微孔曝气盘；所述滤水层ⅰ6和滤水层ⅱ8厚度为3.5m，两侧均匀开设圆形或方形过水孔，开孔率为45％，孔径为 50mm，所述填料ⅰ9为砾石或卵石，粒径为50mm。所述反应层7的厚度为16m，所述填料ⅱ10为石英砂或火山石，粒径为20mm。所述地下水修复系统沿着地下水流经路线设置有5级，每级间隔4m。
43.采用上述地下水硝酸盐甲烷氧化菌修复系统进行地下水硝酸盐修复时，包括以下步骤：
44.步骤一：首先在地下水修复系统的反应层7内投加甲烷氧化菌作为接种微生物，所述甲烷氧化菌的接种浓度为0.6mg干质量/m3，然后启动曝气系统，所述曝气系统的曝气强度为3.0l/(min
·
m2)，对地下水修复系统进行4天的微生物挂膜；
45.步骤二：微生物挂膜结束后，通过流量计3控制甲烷浓度，使甲烷浓度为4％；
46.步骤三：定期检测各级地下水修复系统出水的氨氮、总氮和甲烷出气量，根据实际情况调整曝气系统的曝气强度和流量；
47.步骤四：系统运行稳定后，观察地下水修复系统中填料表面微生物的生长情况，分析填料表面上微生物的形态，并采用16srrna高通量测序分析微生物种群结构，使填料表面富集出甲烷氧化菌，这样便可通过甲烷氧化菌氧化甲烷生成有机物，产生的有机物作为反硝化菌脱氮所需的碳源，将尾水中的硝酸盐氮转化为氮气，以达到硝酸盐脱氮的目的。
48.地下水处理系统：生物膜反应器，采用鹅卵石填料层和石英砂为微生物负载填料，进气为3％甲烷和97％氮气的混合气体；
49.地下水处理效果：如图3，进水总氮22mg/l，硝酸盐氮20mg/l，经过反应器接种启动到运行30d期间，总氮平均去除率为49.64％，最高可达56.14％，硝酸盐氮平均去除率为50.97％，最高可达56.99％。
50.实施例三：
51.参见图1，本发明的一种地下水硝酸盐甲烷氧化菌修复系统，包括曝气系统和地下水修复系统，所述曝气系统包括通过进气管4依次连接在一起的甲烷储气罐1、进气泵2、流量计3和曝气装置5；所述地下水修复系统为可渗透反应墙，且可渗透反应墙设置在地下水
流经路线上，所述可渗透反应墙的顶部安装有密封盖11；所述可渗透反应墙是由沿着流经方向依次设置的滤水层ⅰ6、反应层7以及滤水层ⅱ8构成，所述滤水层ⅰ6和滤水层ⅱ8内部填充有填料ⅰ9，反应层7内部填充有填料ⅱ10，所述曝气装置5布置地下水修复系统的反应层7下方，在滤水层ⅰ6、滤水层ⅱ8以及反应层7两侧均设有过水孔。
52.所述曝气装置5为微孔曝气管；所述滤水层ⅰ6和滤水层ⅱ8厚度为3m，两侧均匀开设圆形或方形过水孔，开孔率为30％，孔径为 25mm，所述填料ⅰ9为砾石或卵石，粒径为40mm。所述反应层7的厚度为10m，所述填料ⅱ10为石英砂或火山石，粒径为15mm。所述地下水修复系统沿着地下水流经路线设置有7级，每级间隔3m。
53.采用上述地下水硝酸盐甲烷氧化菌修复系统进行地下水硝酸盐修复时，包括以下步骤：
54.步骤一：首先在地下水修复系统的反应层7内投加甲烷氧化菌作为接种微生物，所述甲烷氧化菌的接种浓度为0.8mg干质量/m3，然后启动曝气系统，所述曝气系统的曝气强度为4.0l/(min
·
m2)，对地下水修复系统进行5天的微生物挂膜；
55.步骤二：微生物挂膜结束后，通过流量计3控制甲烷浓度，使甲烷浓度为5％；
56.步骤三：定期检测各级地下水修复系统出水的氨氮、总氮和甲烷出气量，根据实际情况调整曝气系统的曝气强度和流量；
57.步骤四：系统运行稳定后，观察地下水修复系统中填料表面微生物的生长情况，分析填料表面上微生物的形态，并采用16srrna高通量测序分析微生物种群结构，使填料表面富集出甲烷氧化菌，这样便可通过甲烷氧化菌氧化甲烷生成有机物，产生的有机物作为反硝化菌脱氮所需的碳源，将尾水中的硝酸盐氮转化为氮气，以达到硝酸盐脱氮的目的。
58.地下水处理系统：生物膜反应器，采用鹅卵石填料层和石英砂为微生物负载填料，进气为3％甲烷和97％氮气的混合气体；
59.地下水处理效果：如图4，进水总氮12mg/l，硝酸盐氮10mg/l，经过反应器接种启动到运行30d期间，总氮平均去除率为90.72％，最高可达98.41％，硝酸盐氮平均去除率为91.73％，最高可达98.83％。