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.     

TDS对制备纳米乳化油稳定性影响的实验研究

为有效评估地下水中溶解组分对制备纳米乳化油的潜在影响,通过人工模拟配制天然地下水开展地下水TDS对制备纳米乳化油稳定性影响的批实验研究.分别采用动态光散和多重光散技术表征TDS影响下纳米乳化油粒径、背散射光通量、光子自由程以及峰厚度等指标的动态变化,以此来反映TDS对制备纳米乳化油稳定性的影响.结果显示:在TDS浓度为300、500和1000 mg·L^-1 的情况下,TDS对纳米乳化油稳定性起到正向作用.反映纳米乳化油整体稳定性的TSI随TDS增大呈现先增大后减小的趋势,相较于空白样稳定性分别提高了68.1%、55.6%和14.3%,其中300 mg·L^-1 的样品稳定性最好.依据局部TSI、背散射光强度、峰厚度和光子自由程的变化进行局部稳定性分析,识别出纳米乳化油的不稳定性主要受顶部不稳区和底部不稳区的影响.纳米乳化油顶部不稳区的不稳定性主要影响因素为液滴上浮、聚并,具体表现为体积分数增大,液滴粒径增大;而底部不稳区受上浮影响引起的纳米乳化油体积分数减小是其不稳的主要原因.进一步分析表明,TDS降低了纳米乳化油的布朗运动速率.相比于空白样,实验设计的TDS(300、500和1000 mg·L^-1)对纳米乳化油的上浮现象和液滴的聚并现象起抑制作用,并随浓度增大逐渐减弱. 300 mg·L^-1的样品对两种不稳定因素分别减轻了88%和87.7%.因此,适宜的地下水TDS可以减弱布朗运动,降低上浮现象和聚并现象,从而对纳米乳化油的稳定性起正向作用,有利于纳米乳化油在多孔介质中的迁移.     

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.     

纳米乳化油缓解多孔介质渗透性损失的实验研究

为有效缓解乳化油在原位修复地下水污染过程中所产生的堵塞及修复效率降低的问题,采用升温相转变技术手段,制备纳米乳化油.并采用一维柱实验,开展微米及纳米乳化油在多孔介质中的迁移研究,对比分析微米及纳米乳化油造成多孔介质的渗透性损失、在多孔介质中的截留比率及迁移距离等问题,探究纳米乳化油缓解多孔介质渗透性损失的效果.实验结果显示,微米及纳米乳化油所导致的中砂介质渗透性损失分别为20.40%和3.20%,乳化油截留比率分别为28.51%和20.15%.由此可见,乳化油截留是多孔介质渗透性损失的重要原因,减小乳化油粒径可有效缓解多孔介质的渗透性损失.与微米乳化油相比,纳米乳化油有效降低中、细砂介质渗透性损失84.3%和47.5%.此外,乳化油截留对多孔介质渗透性损失的影响在一定程度上也影响到其在多孔介质中的迁移距离,微米及纳米乳化油在中砂介质中的迁移距离分别为6.53 m和8.19 m.相比之下,纳米乳化油所导致的细砂介质渗透性损失为10.70%,截留比率为25.71%,迁移距离为7.36 m,说明纳米乳化油迁移效果更佳,可适用介质范围更广.     

地下水硝酸盐反硝化修复过程中生物膜抑制缓堵模拟实验研究

为缓解地下水污染原位生物修复过程中生物膜形成造成的多孔介质渗透性损失,采用纳米乳化油为碳源,市售反硝化细菌为菌种,开展静态批实验,模拟地下水硝酸盐氮反硝化修复过程;选取蛋白酶、多糖酶以及群体感应抑制剂香草醛为生物膜抑制剂,分析不同反应体系硝酸盐氮的降解情况,探究3种添加物的不同组合方式对于反硝化细菌生物膜的抑制作用.结果显示,多糖酶、蛋白酶以及香草醛的投加能够有效促进硝酸盐氮的降解和亚硝酸盐氮的还原.4个实验组别的NO₃-N降解速率为0.28～0.30 mg·L^-1·h^-1,约为空白组的2.55～2.73倍,且NO₂-N无明显积累.群体感应抑制剂香草醛与蛋白酶的结合对以假单细胞菌属为主的反硝化细菌生物膜的抑制效果最好.定量评估结果表明,生物膜去除效果依次为香草醛和蛋白酶的混合物（81.3%）>蛋白酶和多糖酶的混合物（68.6%）>蛋白酶（54.1%）>多糖酶（49.1%）,单位质量多糖酶、蛋白酶和香草醛对于胞外聚合物的去除量分别为30.07、65.34 mg·mL^-1     

地下水水化学特征对纳米乳化油稳定性的影响

原位强化土著微生物修复地下水污染的应用中,纳米乳化油的迁移性和分散性制约其修复效果,其中地下水水化学特征引起的纳米乳化油聚集和失稳可能是阻碍修复效率的重要影响因素.据此,本文选取常见的HCO₃-Na、HCO₃-Ca、SO₄-Na的3种典型地下水化学类型,配制不同含盐量的水化学溶液,探讨水化学类型及含盐量对纳米乳化油稳定性的影响.结果表明,在HCO₃-Na和HCO₃-Ca型水中,纳米乳化油稳定性随含盐量增加而逐渐降低;在含盐量为3.0 g·L^-1的SO₄-Na型水中,纳米乳化油稳定性急剧降低.进一步分析发现,整体稳定性降低是由顶部失稳引起,而不同阴离子是导致纳米乳化油稳定性差异的主要原因.主要体现在表面电性和流变特性上,在HCO₃型水中,纳米乳化油Zeta电位与含盐量呈负相关,其流变特性变化不显著;在SO₄型水中,纳米乳化油Zeta电位与含盐量呈正相关,含盐量为3.0 g·L^-1     

基于折减系数的地下水污染风险评价方法探究

地下水污染风险评价对地下水污染防治与地下水合理开发利用具有重要意义.目前国内外最常用的是基于DRASTIC模型结合污染荷载的地下水污染风险评价方法.本文对比总结了国内外地下水污染风险评价方法体系,针对目前方法体系的不足,提出基于折减系数的评价体系,通过引进"折减系数"来表征污染物在包气带中的迁移转化过程,最后以石家庄滹沱河冲洪积扇平原区为例进行了地下水污染风险评价.结果表明,研究区污染风险最高的地区多为工业区;其次是滹沱河河道及周边地区地下水污染风险较高,原因主要是该地区包气带基本以砂性土为主,且排污河污染物随河水常年下渗;农业污染源排放量较小,农田区污染风险最低.该方法体系实现了污染物由地表到达地下的衰减过程量化,且简便易操作.此外,该方法把污染物毒性与污染物到达地下水面的量放在同一层次,使得地下水污染风险评价的结果更具说服力.     

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.