水資源是人類生存?發展不可或缺的重要部分，它關系著整個社會的發展與前進。地球上的淡水資源僅占全球水量的4.9%，其中地下水占淡水資源的30%。而我國以地下水為主要飲用水源的人口占總人口的70%[1]。近年來，隨著我國工業化進程的推進，大量的生活污水和工業廢水排放到水源中，使污染物濃度不斷上升，通過滲濾作用導致地下水中污染物濃度升高。在我國，地下水硝酸鹽污染已經相當嚴重，一些農村地區甚至超過了130mgNO-3-N/L[2]。目前，我國大約有3500萬人在飲用受到硝酸鹽污染的水，而且東北?西北?華北地區硝酸鹽的污染已經十分嚴重[3]。飲用受到硝酸鹽污染的地下水，會對人體的健康造成很大危害，如高鐵血紅蛋白癥，癌癥[4]等。為確保居民飲用水安全，世界衛生組織(WHO)規定了地下水飲用標準為10mgNO-3-N/L，我國規定飲用地下水源的Ⅲ類標準為20mgNO-3-N/L(GB/T14848-93)。
目前，國內外治理地下水硝酸鹽污染的技術主要有異位修復技術和原位修復技術[5，6]，由于原位修復技術具有處理費用低廉，污染物暴露率低，環境擾動性小等優點，已經成為一種很有前景的地下水污染修復技術，其中可滲透反應墻技術(permeablereactivebarrier，PRB)[7]應用最為廣泛。在PRB技術中，生物反硝化技術由于其經濟高效的特點，越來越受到人們的青睞[8]。但是地下水中的有機碳含量較低，不足以支持生物反硝化的進行，所以需要在反硝化過程中投加外部碳源。目前，常用的碳源主要有液相碳源和固相碳源2種。液相碳源主要有乙醇?乙酸鈉?甲醇等[9-11]。但是，液相碳源具有不可控性，易造成二次污染，而且其后期的運行和維護也比較困難。因此，近年來固相碳源反硝化技術漸進入人們的視野，固相碳源既可作為生物反硝化的電子供體，也可作為微生物的載體，而且固相碳源可控性好，利于系統后期的穩定運行。固相碳源主要有棉花?紙?可生物降解的聚合物?玉米芯等[12-15]。由于我國是一個農業大國，每年的農業廢棄物產量很高，而一部分農業廢棄物可作為固相碳源使用，這樣既減少了對環境的危害，又可充分利用農業廢棄物的剩余價值。
本研究采用3%氫氧化鈉溶液和4%氨水預處理的玉米稈和玉米芯作為碳源，以未處理的玉米稈和玉米芯作為對照，分析其釋碳性能和在不同氮負荷下的脫氮效果，優選出合適的碳源，進行地下水原位凈化模擬實驗，以期為生物反硝化工藝在原位修復工程的實際應用中提供技術參考。
1 材料和方法
1.1 實驗材料
(1)碳源。本實驗在天津薊縣農村進行，玉米稈和玉米芯均取自當地農戶農田，為當年成熟植株，品種為華農118號。玉米稈取用整株玉米稈的中間部位，玉米芯取用去除玉米粒后的整個玉米芯。玉米稈和玉米芯在使用前去除枯葉，莖稈剪成2~3cm長的小段，分別用3%氫氧化鈉溶液和4%氨水浸泡24h，然后用流水沖洗干凈，使其不殘留NaOH和氨。本文中，未處理的玉米稈和玉米芯簡稱為玉米稈和玉米芯，用氫氧化鈉溶液預處理過的玉米稈和玉米芯簡稱為NaOH玉米稈和NaOH玉米芯，用氨水預處理過的玉米稈和玉米芯簡稱為氨水玉米稈和氨水玉米芯。
(2)實驗用水。靜態實驗用水由KNO3?K2HPO4 和KH2PO4 配置而成，使N/P為6∶1，K2HPO4 和KH2PO4 作為pH緩沖劑，使pH保持在7.0左右，地下水原位凈化模擬實驗用水抽取自天津薊縣的地下水。
(3)接種污泥。實驗所用的接種污泥取自北京清河污水處理廠，然后對接種污泥進行反硝化菌富集培養一個月，每3d換一次培養液。培養液主要成分為C6H12 O6 0.1562 g/L;KNO3 0.37 g/L;KH2PO40.044g/L;CH3OH320μL/L。污泥富集培養后，污泥濃度(MLSS)和污泥容積指數(SVI)分別為2817mg/L和102mL/g。
1.2 實驗裝置
靜態釋放實驗和反硝化實驗的反應器均為500mL的錐形瓶，瓶口用橡膠塞密封，橡膠塞上打有排氣孔和取樣孔。
地下水原位凈化模擬實驗裝置見圖1。該模擬裝置由配水池?蠕動泵?進水槽?含水層介質?PRB反應墻?出水槽?循環水槽等組成。模擬裝置為長方體，長×寬×高為160cm×40cm×50cm，由玻璃鋼制成。整個模擬裝置通過蠕動泵來調節進水量。在整個裝置的外面有一層循環水槽，該水槽中的水是直接抽取地下水，循環保溫，以確保模擬實驗槽溫度與地下水溫度相一致。
1.3 實驗方法
1.3.1 靜態釋放實驗
CODMn靜態釋放實驗:分別取玉米稈?NaOH玉米稈?氨水玉米稈?玉米芯?NaOH玉米芯?氨水玉米芯5g(干重)，放入到6個500mL的錐形瓶，每個錐形瓶加入500mL的去離子水，放置在20℃的培養箱中，每隔2d取樣測定CODMn?pH并重新換水，考察其碳釋放特性。
氮靜態釋放實驗:與CODMn靜態釋放實驗相同的裝置，每隔3d取樣測定NO-3 N?NO-2-N?NH+4-N?pH，不重新換水，分析其釋放氮污染物的特性。
1.3.2 反硝化靜態實驗
分別取玉米桿?NaOH玉米桿?氨水玉米桿?玉米芯?NaOH玉米芯?氨水玉米芯5g(干重)，放入到6個500mL的錐形瓶，每個錐形瓶加入450mL的去離子水和20mL接種污泥，放置在20℃的培養箱中，每天取樣測定NO-3-N?NO-2-N?NH+4-N?pH。根究我國地下水硝酸鹽污染程度不同，靜態反硝化實驗共做3組，分為低?中?高污染濃度進行實驗，相對應的將硝酸鹽起始濃度分別設置為30?80和150mg/L。每組實驗設置一個平行實驗，將實驗結果進行統計學分析，得出各平行實驗數據的偏差均小于1.5mg/L，故取平行實驗的算數平均值進行分析。具體參見污水技術資料更多相關技術文檔。
1.3.3 地下水原位模擬實驗將250g(干重)NaOH玉米稈和150mL接種污泥放置在PRB反應墻中，含水層介質使用孔隙率為35%的沙子填充。實驗開始前，先用自來水對整個實驗裝置預沖洗5h，以消除沙子本身的影響。通過抽水泵將地下水抽取到地面配水池中，然后添加KNO3 配制成30mgNO-3-N/L的實驗用水。用水泵向循環水槽中注入地下水，保證整個模擬裝置與地下水的溫度相一致。
本實驗，首先考察了靜態條件下的硝酸鹽去除效果。實驗時，將實驗用水加注至砂濾層頂面。每3d取樣測定NO-3-N?NO-2-N?NH+4-N?CODMn?TN?pH?DO。
詳情請下載：玉米稈碳源去除地下水硝酸鹽
