纳米乳化油修复硝酸盐污染地下水过程中的微生物特征模拟实验研究

为探寻纳米乳化油原位修复地下水硝酸盐氮污染过程中微生物堵塞的形成原因,本研究采用市售的反硝化细菌接种微生物,以纳米乳化油为碳源,中砂为介质,分别建立2组反应器进行模拟实验,分析不同反应器中硝氮的降解情况,同时采用MiSeq高通量测序技术表征不同反应器的微生物菌落结构和多样性.结果表明,纳米乳化油作为碳源具有良好的降解效果,添加纳米乳化油的反应器,反应周期内硝酸盐氮的总降解效率为91.76%,而对照反应器的降解效率仅为38.11%.在硝酸盐氮降解过程中,均存在以蛋白质和多糖为主的代谢产物胞外聚合物增加的趋势,且蛋白质的含量均显著高于多糖.反应结束时,实验组和对照组的胞外聚合物累积量分别为384.49 mg和279.45 mg,单位质量硝氮降解产生的胞外聚合物分别为1.79 mg·mg^-1和39.43 mg·mg^-1.高通量测序结果显示,添加纳米乳化油会引起细菌浓度的升高及细菌群落多样性的降低,但具有反硝化作用的微生物相对丰度增加.实验组和对照组反应器中共同的优势菌门为Proteobacteria、Bacteroidetes和Actinobacteria,相对丰度分别为73.35%、6.77%、8.49%及33.46%、47.15%、7.15%,纳米乳化油的添加会刺激Proteobacteria等具有较高反硝化作用的微生物增多,因此,以纳米乳化油作为碳源能够有效提高硝酸盐氮的降解效率,但与此同时纳米乳化油也会刺激微生物的生长及影响微生物群落演变.Sphingamonas、Rhodopseudomonas和Microbacterium菌属相对丰度增加,会引起粘性代谢产物增多,造成多孔介质渗透性下降和生物堵塞.     

纳米乳化油修复地下水硝酸盐过程中产气及微生物增殖代谢对多孔介质堵塞的模拟评估

为有效评估纳米乳化油原位处理地下水硝酸盐过程中,产气及微生物增殖代谢对含水层多孔介质的堵塞作用,以纳米乳化油为碳源,采用市售反硝化菌剂接种微生物进行硝酸盐降解批实验研究,探讨产气及微生物增殖代谢的动态变化及特征,并基于Kozeny-Carman(K-C)方程、Clement、Pham及Kozeny Grain(KG)模型,对假定含水层一维流模拟柱,预估产气及微生物增殖代谢造成的渗透性损失,识别堵塞过程及主导因素.结果显示,反硝化菌降解效果良好,硝氮总去除率达90.23%.CO_2及N_2为主要产气成分,降解1 mg硝氮对应的平均CO_2产气量为0.71 mL,平均N_2产气量为0.14 mL;微生物代谢产物胞外聚合物以蛋白质及多糖为主,降解1 mg硝氮平均蛋白产量为0.64 mg,平均多糖产量为0.16 mg.在含水层不与外界交换气体的假设前提下,K-C方程预测显示产气可在2个周期内造成渗透性完全损失,Clement、Pham及KG模型评估的微生物增殖代谢造成中、细砂渗透性损失分别为10.87%～31.10%、12.77%～48.32%,分析认为初期细胞生物量是导致渗透性骤降的关键因素,后期为细胞生物量和胞外聚合物共同作用.此外,封闭体系中产气是堵塞的主导因素,随着含水层开启程度增加,产气的贡献占比会下降,微生物的贡献占比提高.因此,对于相对封闭的含水层系统,探索增强其开放状况是缓解堵塞的有效途径之一.     

咸水中胶体迁移-沉积对砂介质渗透性损失的

采用室内土柱试验,研究咸水中胶体迁移引起砂介质渗透性变化的特征,通过胶体迁移-沉积作用的分析对砂介质渗透性损失的机理进行了探讨.结果表明:砂介质渗透性随孔隙体积数变化的动态特征符合Boltzmann函数;砂介质渗透性总的损失率为37.4%;渗透系数的损失量随孔隙体积数的增加而增加.胶体在砂介质中的穿透曲线呈"S"型,其中的2个拐点将曲线分成开始穿透、快速穿透和平稳穿透3个阶段,但并没有完全穿透,其迁移过程中发生了沉积.胶体沉积作用是砂介质渗透性降低的主要原因.     

咸水中胶体迁移-沉积对砂介质渗透性损失的数学模型

采用室内土柱试验,研究咸水中胶体迁移引起砂介质渗透性变化的特征,通过胶体迁移-沉积作用的分析对砂介质渗透性损失的机理进行了探讨.结果表明:砂介质渗透性随孔隙体积数变化的动态特征符合Boltzmann函数;砂介质渗透性总的损失率为37.4%;渗透系数的损失量随孔隙体积数的增加而增加.胶体在砂介质中的穿透曲线呈"S"型,其中的2个拐点将曲线分成开始穿透、快速穿透和平稳穿透3个阶段,但并没有完全穿透,其迁移过程中发生了沉积.胶体沉积作用是砂介质渗透性降低的主要原因.     

乳化纳米铁浆液在含水层中的迁移特征研究

本文主要研究地下水修复试剂乳化纳米铁（EZVI）在含水层中的迁移特性和影响因素.一维模拟柱实验考察EZVI的穿透曲线和模拟柱中分布情况.结果表明：乳化植物油对纳米铁的改性显著提高了纳米铁在含水层中的迁移能力,EZVI的迁移距离为未改性纳米铁的2~3倍;EZVI中的乳化植物油会随水流迁移,分别形成纳米铁反应带和植物油反应带;岩性对迁移的影响表现为介质粒径越大,越有利于EZVI的迁移,且EZVI在粗砂中的迁移能力是细砂的1.9倍;注入速率通过影响纳米铁迁移到含水层介质表面的几率影响迁移行为,注入速率越大,迁移距离越长;共存离子对乳化纳米铁的迁移性能影响不大,会引起微量的铁的损失.最佳迁移效果的条件是3cm/min的注入速度,2g/L的注入浓度.     

非均性多孔介质中生物炭胶体的迁移行为研究

生物炭颗粒在多孔介质中的迁移行为不仅决定了其在环境中的归趋,也极大地影响了被吸附污染物的环境行为.以往的研究主要集中在生物炭胶体在均性多孔介质中的迁移行为,但实际环境介质通常是非均性的,目前对生物炭胶体在非均性多孔介质中的迁移行为知之甚少.本研究采用两种不同粒径的石英砂构建了上下两层非均性填充柱（上层细颗粒,下层粗颗粒）,研究了生物炭胶体在非均性多孔介质中的迁移和截留行为,考察了溶液离子强度和pH对生物炭胶体迁移能力的影响.研究结果表明在非均性多孔介质中,生物炭胶体具有很高的迁移能力,在离子强度为1~50 mmol·L^-1,pH为4.0~11.0条件下,生物炭胶体的迁移率达40.2%~88.0%.非均性介质中生物炭胶体的截留曲线表现为非单调型曲线,截留量峰值往往出现在细-粗石英砂的交界面处（细石英砂侧）,这与非均性介质中显著的电荷异质性、介质尺寸异质性和迁移过程中传质通量异质性有关.生物炭胶体在上层细石英砂中的截留量显著大于其在下层粗石英砂中的截留量,表明上层细石英砂是影响生物炭胶体迁移行为的关键层.随着溶液离子强度增加,生物炭胶体自团聚作用增强,其与石英砂介质间界面作用能垒降低,因而生物炭胶体的迁移能力减弱.由于生物炭胶体与细石英砂间的物理张力作用趋于显著,增加离子强度提高了生物炭胶体在上层细石英砂中的截留比率.中性和碱性条件下生物炭胶体的迁移能力较强,而在酸性条件下,生物炭胶体表面电负性显著降低,团聚体粒径增大,生物炭胶体的迁移能力较弱.降低溶液pH增加了生物炭胶体在上层细石英砂中的截留比率.本研究的结果将有利于人们更好地了解生物炭胶体在复杂多孔介质中的迁移行为,为全面评估生物炭的潜在环境风险提供理论支持.     

多聚物吸附纳米零价铁在多孔介质中的迁移

针对纳米零价铁在多孔介质中的迁移特点,本文通过实验室柱实验和腐蚀实验分析了不同聚丙烯酸（PAA）包覆浓度下的纳米零价铁（nZVI）在石英砂介质中的迁移和其接触不同电解质溶液6h的反应活性.利用迁移距离和穿出率,表征了不同纳米铁材料的迁移性能.应用pH值、氧化还原电位（ORP）、Fe²⁺浓度、X射线衍射（XRD）和Fe⁰含量随时间变化图像表征纳米零价铁腐蚀程度.实验结果表明,PAA显著提高了纳米零价铁材料的迁移距离.10%聚丙烯酸包覆浓度下,实验室合成纳米零价铁的迁移效果最佳,穿出率可达58.65%.在6h的腐蚀实验中,10%聚丙烯酸包覆的零价铁含量有一定的降低,但是零价铁损失相对于20% PAA包覆的零价铁少.综合考虑迁移性和反应活性,10% PAA包覆浓度下实验室合成纳米零价铁是适用于地下水污染原位修复的最佳材料.     

纳米乳化油强化硝酸盐反硝化产气变化研究

为探究纳米乳化油原位修复硝酸盐污染地下水过程中产气对含水介质渗透性的影响,以硝酸盐为目标污染物,采用活性污泥滤液接种,分别以纳米乳化油、吐温80和司盘80为碳源开展硝酸盐降解批实验研究,探讨和评估硝酸盐降解及降解过程中的产气情况.结果显示,纳米乳化油、吐温80和司盘80均能促进硝氮的降解,在实验的100d内,共完成7个周期硝酸盐氮的有效去除,总去除率分别为79.5%、63.8%和68.8%.在硝酸盐氮降解过程中,受厌氧发酵和反硝化作用的影响,各反应体系中均有气体生成,只有活性污泥反应体系中主要产气成分是CO₂,未加碳源和分别加3种碳源的4个反应体系（都添加活性污泥和硝酸盐）中主要产气成分是CO₂、N₂.其中,添加纳米乳化油的反应体系U型管产气量最大,为47.73mL;受碳源厌氧发酵的影响,添加司盘80反应体系总产气量最大,为205.34mL.纳米乳化油反应体系次之,吐温80反应体系最小.根据三氮的变化,结合纳米乳化油反应体系理论与实际产气对比显示,在纳米乳化油强化硝酸盐反硝化过程中,18.8%纳米乳化油厌氧发酵产生CO₂,95.4%硝氮反硝化生成N₂.     

泡沫强化多孔介质中纳米零价铁迁移试验

通过批量模拟试验考察了纳米零价铁(NZⅥ)在水、十二烷基硫酸钠(SDS)溶液与SDS泡沫3种流体中的沉降性能,以及3种流体输送作用下NZⅥ在多孔介质中的迁移分布特性.结果表明:NZⅥ在SDS溶液中的稳定性远大于其在水中的稳定性;搅拌速度为3000r/min时,NZⅥ在泡沫中的分布较均匀且泡沫对NZⅥ携带量较大;NZⅥ对泡沫稳定性影响不大.水、SDS溶液、SDS泡沫分别作为输送流体时,NZⅥ迁移的最大距离分别为0.8m,7.9m和2.1m,SDS溶液和泡沫均显著促进了其在多孔介质中的运移.当NZⅥ由SDS溶液和泡沫输送时,其在介质中的分布范围(33.5%和42.5%)大于水(12.8%);由于重力作用,SDS溶液携带NZⅥ的迁移主要集中在垂向上,水平迁移能力有限;而泡沫受重力影响较小,其携带的NZⅥ在水平和垂直方向上的分布更为均匀.可见泡沫作为NZⅥ的输送流体具有明显优势.     

地下多孔介质中表面活性剂的迁移行为及其影响因素

表面活性剂在土壤及地下水修复中起作用主要依赖于其在地下多孔介质中的迁移能力,因此深入研究表面活性剂在地下多孔介质中的迁移行为对其在修复领域中的有效应用具有重要意义。通过综述表面活性剂在地下多孔介质中迁移行为的国内外研究进展,深入剖析了表面活性剂迁移所涉及的主要过程、相关迁移模型以及影响因素,指出了现阶段表面活性剂迁移行为研究中存在的不足,并对后续研究重点进行了展望,以期为土壤及地下水修复过程提供相关的理论指导。     

DNAPL在透镜体及表面活性剂作用下的运移研究

选择四氯乙烯(PCE)作为典型重非水相液体(DNAPLs)污染物,进行PCE在二维砂箱中的运移及修复实验,采用一种改进光透法探讨DNAPL在含不同透镜体非均质含水层中的运移和饱和度分布特性.在此基础上,考察非离子表面活性剂(吐温80)对DNAPL的原位冲洗修复效果.结果表明,在模拟天然地下水流条件下,当PCE运移到达各透镜体时,PCE均未进入透镜体而是在其上方聚集形成污染池,然后逐渐侧向扩散,即使在较粗透镜体(20/30目和40/60目石英砂按 1:1质量比例混合)上也无法进入.吐温80对PCE的修复效果显著,冲洗58h后,94.2%的PCE被去除.表面活性剂的引入能够减小PCE和水的界面张力,界面张力的减小量可达38.8dyn/cm,相应各透镜体上覆界面处的毛细压力水头值会有不同程度的减小,在较粗透镜体上的PCE可以穿透透镜体并继续向下运移.透镜体的毛细截留作用会限制修复后期的修复效率,修复75,3520min的修复效率分别为0.63,0.05g/g,其中较粗透镜体上截留的PCE相对其他较细透镜体容易移出.     

低渗透性多孔介质室内弥散实验及弥散度求解研究

低渗透多孔介质在浅部含隔水层中分布广泛,是地下水污染物迁移的重要载体,然而其弥散度的取值目前研究还不足。针对此问题,以溴化钠为示踪剂开展了低渗透多孔介质的室内弥散实验研究,介质渗透系数为0．048 m/d,通过离子选择电极法测定溴离子浓度,并分别采用解析法和数值法进行了弥散度的求解,解析法和数值法求得的弥散度分别为0．0048 m 与0．0065 m,研究成果可以为低渗透多孔介质中污染物迁移预测提供弥散度值参考。     

十二烷基苯磺酸钠强化抽出处理对地下水中1，2-二氯乙烷的去除效果

对于地下水中的1,2-DCA(1,2-dichloroethane,1,2-二氯乙烷),表面活性剂强化抽出处理是一种十分有效的修复技术.为明确表面活性剂浓度、介质粒径及抽出速率等因素对1,2-DCA修复效果的影响,选取石英砂作为多孔介质,1,2-DCA作为DNAPLs(dense nonaqueous phase liquids,重质非水相液体)代表,SDBS(sodium dodecylbenzenesulfonate,十二烷基苯磺酸钠)作为表面活性剂代表,在二维可视化砂箱中采用染色示踪结合图像分析技术对汇于凹陷弱透水层上的1,2-DCA开展SDBS强化抽出处理试验.结果表明:SDBS对1,2-DCA具有显著增溶作用.4组纯水试验的抽出液中ρ(1,2-DCA)最大值为219.15 mg/L,加入1倍CMC和3倍CMC(CMC为临界胶束浓度)的SDBS后,ρ(1,2-DCA)最大值分别升至650.95和800.44 mg/L.1,2-DCA去除总量随ρ(SDBS)的升高而增加,其中加入3倍CMC的SDBS条件下1,2-DCA的去除总量是纯水试验条件下的1.44～2.06倍.细粒径中的毛细力比粗粒径中更大,并且1,2-DCA的最大污染面积是粗粒径条件下的2.18～3.14倍,1,2-DCA与SDBS溶液接触面积的增大有利于提高SDBS对1,2-DCA的去除效果.同时增加抽出-回注流量可以扩大1,2-DCA与SDBS溶液的接触面积,提高1,2-DCA向溶液中的传质效率,进而提高1,2-DCA的去除效果.研究显示,SDBS强化抽出处理技术能够显著提高地下水中1,2-DCA的去除总量和去除效率.      

乳化植物油强化地下水中Cr(VI)的生物地球化学还原研究

设计天然细砂模拟实验,利用乳化植物油作为电子供体,研究生物地球化学作用对Cr(VI)的还原过程和机理.结果表明,乳化油可以使地下水呈弱酸性,反应体系pH值最终为6.59;并长期维持还原环境,Eh最终降低至-158.6mV.乳化油可显著促进土著微生物的异化铁还原作用,将细砂介质中的Fe(III)还原成Fe(II)并耦合去除Cr(VI).当反应进行到14d时,Cr(VI)全部被去除,反应第28d总铬完全被去除.Fe(II)的累积对反应体系中的氧化还原环境有重要影响.当实验结束时,Fe(II)浓度为44.40mg/L,乳化油消耗了48.9%.XPS和XRD表征分析反应后的细砂,结果表明生成的Cr(III)最终以Fe-Cr无定型态沉淀存在.     

生物膜对饱和多孔介质渗透性影响的实验和模型研究

为了解微生物生长过程中生物堵塞对二维饱和多孔介质渗透性的影响,采用C190石英砂箱(55 cm×45 cm×1.28 cm)进行室内渗流实验,研究混合菌群KB-1在充足营养源条件下的生长情况及生物膜对饱和多孔介质渗透性的影响.实验监测了砂箱水溶液中悬浮生物量及颗粒表面附着生物量,利用共焦激光扫描技术观测了颗粒表面形成的...