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.