PRB技術(shù)修復(fù)受硝酸鹽污染地下水

———PRB技術(shù)修復(fù)受硝酸鹽污染地下水隨著社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)展、農(nóng)業(yè)化肥的過度使用、生活污水和工廠污水的違規(guī)排放，我國不少地區(qū)地下水中存在著硝酸鹽污染。國內(nèi)外討論表明，飲用受到硝酸鹽污染的地下水會嚴(yán)峻危害人類的健康，導(dǎo)致聽視覺反應(yīng)遲鈍、高鐵血紅蛋白癥甚至誘發(fā)癌癥。常見的地下水硝酸鹽污染修復(fù)技術(shù)主要有電滲析法、離子交換法、活潑金屬還原法、可滲透反應(yīng)墻(permeablereactivewall，PRB)法。其中，PRB技術(shù)由于技術(shù)相對成熟且具有建設(shè)運行成本低、處理力量長期有效、環(huán)境擾動小的優(yōu)點而被廣泛運用在工程實踐中。它的原理是通過在受污染區(qū)域安裝可滲透被動反應(yīng)墻體，當(dāng)受污染的地下水流經(jīng)反應(yīng)墻體時，與墻內(nèi)充填介質(zhì)發(fā)生物理、化學(xué)、生物反應(yīng)，達(dá)到去除污染物質(zhì)的目的。

生物脫氮是PRB法中去除硝酸鹽的重要途徑。在缺氧條件下，反硝化細(xì)菌能夠以硝酸鹽中的化學(xué)結(jié)合氧作為最終電子受體，將硝酸鹽還原為無害的氮氣。地下水中有機碳含量不足以滿意PRB技術(shù)生物脫氮中反硝化作用對電子供體的要求，因此，需要在可滲透墻體中加入足量碳源材料作為強化反硝化作用的充填介質(zhì)，這可以加快硝酸鹽污染水體的修復(fù)速率，提高污染物質(zhì)的去除率。由于干凈的地下水中溶解氧濃度一般較高，不利于反硝化所需的缺氧環(huán)境，可通過部分碳源在異養(yǎng)菌的作用下被消耗的同時使水中溶解氧得到消耗，從而為反硝化營造缺氧的環(huán)境。本文主要爭論PRB修復(fù)受硝酸鹽污染地下水的碳源材料，其中以可生物降解塑料為骨架的新型緩釋碳源材料將會是將來特別重要的討論和應(yīng)用方向，以期為PRB修復(fù)受硝酸鹽污染地下水的碳源選擇供應(yīng)指導(dǎo)，且為受硝酸鹽污染地下水的修復(fù)供應(yīng)科學(xué)依據(jù)。

一、PRB技術(shù)的工藝簡介

PRB是指通過在受污染區(qū)域下游與地下水流淌垂直方向上構(gòu)筑一個填充有反應(yīng)材料的滲透性墻體，墻體組成一般包括濾層、篩網(wǎng)和反應(yīng)材料。墻體的滲透系數(shù)通常要求大于等于污染區(qū)域含水層滲透系數(shù)的2倍，但在實際狀況中，為了達(dá)到最佳的去除效果，往往會達(dá)到污染區(qū)域含水層滲透系數(shù)的數(shù)十倍以上。這樣，在自然水力梯度下，地下水污染羽滲流經(jīng)過墻體時與墻內(nèi)反應(yīng)材料發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)，去除地下水中的污染物，余下無毒無害的副產(chǎn)物。

按結(jié)構(gòu)差異一般可以將PRB分為3種類型:連續(xù)墻式、漏斗—通道式、注射井式。在處理范圍上，連續(xù)墻式適合處理含水層埋藏淺、污染羽較小的污染場地，漏斗—通道式適合含水層埋藏較淺、污染羽較大的場地，注射井式結(jié)構(gòu)適用于含水層埋藏較深、存在區(qū)域性污染羽的污染場地。

對地下水污染羽的范圍進(jìn)行確定后，可以依據(jù)實際狀況選擇PRB類型，依據(jù)污染物的類型采納恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)材料。當(dāng)?shù)叵滤写嬖诙喾N污染物時，還可以設(shè)置多個墻體中充填不同反應(yīng)材料來處理不同污染物。當(dāng)污染區(qū)域地下水流速較快和污染物濃度較高時，必需加厚墻體，使污染物與反應(yīng)材料能夠充分接觸反應(yīng)而被凈化去除。

二、PRB反硝化碳源材料

PRB碳源材料依據(jù)材料形態(tài)的不同，大致可以分為液相碳源材料和固相碳源材料。其中，液相碳源材料易溶于水或能與水較好的混合在一起，較早應(yīng)用于PRB去除地下水硝酸鹽。固相碳源材料的應(yīng)用稍晚于液相碳源材料，它解決了液相碳源常常需要補充的缺點，便于后期管理。

2.1液相碳源材料

液相碳源是應(yīng)用最廣的PRB碳源材料，它們的優(yōu)點是處理效果優(yōu)異、材料廣泛易得、費用低。缺點主要有易導(dǎo)致反應(yīng)器堵塞、二次污染、生物量大和后處理簡單等。

2.1.1常用液相碳源材料

PRB技術(shù)修復(fù)受硝酸鹽污染地下水常見的液相有機碳源材料包括:甲醇、乙醇和葡萄糖等小分子材料。乙醇作為PRB反硝化碳源受到討論人員的青睞，Gomez等以乙醇作為碳源材料時，探究了不同乙醇濃度(0~46.74mg/L)下對細(xì)菌反硝化活性的影響。結(jié)果表明，當(dāng)乙醇濃度增加時，全部微生物的反硝化活性均增加，硝酸鹽的去除率從2%增長到99%，這說明乙醇作為反硝化碳源有利于硝酸鹽的去除。

以乙醇為碳源時，比采納甲醇和葡萄糖時具有更快的硝酸鹽去除速率和反硝化反應(yīng)啟動速度。胡國山等采納甲醇、乙醇和葡萄糖作為唯一碳源，討論溫度為35℃，C/N試驗溶液為2∶1時，去除NO-3-N濃度為100mg/L的反硝化效果。結(jié)果表明，以乙醇為碳源時，在24h內(nèi)NO-3-N的去除率達(dá)到了100%。當(dāng)以葡萄糖為碳源時，NO-3-N的去除率在72h內(nèi)達(dá)到100%，甲醇為碳源時，在96h內(nèi)去除率達(dá)到100%?？赡苁羌状嫉姆聪趸⑸镞m應(yīng)馴化期較長，導(dǎo)致反硝化效率低下，這與Nyberg等的討論結(jié)果相符合。試驗還發(fā)覺，以葡萄糖為碳源時，存在著嚴(yán)峻的亞硝酸鹽積累問題，由于葡萄糖作為反硝化碳源易吸引某類微生物，導(dǎo)致NO-3轉(zhuǎn)化還原成NO-2。

Ghararah對比了甲醇、乙醇和乙酸3種碳源材料在不同硝酸鹽負(fù)荷下反硝化作用的脫氮效果。結(jié)果表明，甲醇對硝酸鹽的去除率為95%~97%，乙醇對硝酸鹽的去除率為88%~92%。當(dāng)使用乙酸作為反硝化電子供體時，硝酸鹽的去除率僅為23%~37%。但依據(jù)化學(xué)計量關(guān)系計算，以去除1mol硝酸鹽污染物所耗費的碳源材料的物質(zhì)的量為標(biāo)準(zhǔn)，本次試驗中乙醇的去除效率應(yīng)為最高。

乙醇作為反硝化碳源也具有較好的成本效益比，Boley等對不同討論人員采納上述3種液相碳源的反硝化費用(以NO-3-N計)進(jìn)行了比較，發(fā)覺甲醇的反硝化費用為2.0~4.0/kg，乙醇的反硝化費用為2.4/kg，乙酸的反硝化費用為8/kg。碳源的質(zhì)量消耗比[m(C)/m(NO-3-N)]依次為2.08~3.98、2.0、3.5?？紤]到液相碳源在PRB應(yīng)用中多需要二次添加，實際上采納乙醇作為碳源的可滲透反應(yīng)墻的維護(hù)費用也會更低。

綜合來說，乙醇比甲醇和乙酸有更好的反硝化效果，反應(yīng)響應(yīng)速度快，去除速率快，去除效率高，費用低廉，亞硝酸鹽和氨氮的積累少，是一種抱負(fù)的碳源材料。甲醇雖然也是一種較為抱負(fù)的碳源材料，但響應(yīng)時間較長，且具有毒性，嚴(yán)峻時致人失明乃至喪命，運輸也較為困難。乙酸和葡萄糖的成本較高并且以葡萄糖作為反硝化碳源會產(chǎn)生較高的亞硝酸鹽和氨氮積累。

2.1.2其他液相碳源材料

除此以外，討論者還發(fā)覺很多其他的液相碳源材料，部分化工業(yè)廢水和農(nóng)產(chǎn)品加工廢水中的有機質(zhì)含量高，毒性小。假如可以作為反硝化脫氮的碳源，不僅可以解決反硝化過程中電子供體不足的問題，還可以廢物利用，節(jié)省成本。

這些新型有機碳源也取得了較好的反硝化效果，其中揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)作為微生物去除硝酸鹽過程中的關(guān)鍵底物受到了討論人員的關(guān)注。假如能以其作為反硝化碳源，硝酸鹽去除速率將會明顯提高，且污泥產(chǎn)量明顯削減。Xu等采納污泥水解酸化液作為反硝化碳源，在pH值為7.5、溫度為25℃、碳源充分時，經(jīng)過水解發(fā)酵處理后獲得的VFAs作為有機碳源反硝化速率明顯優(yōu)于甲醇和乙酸鹽。緣由是不存在微生物將甲醇和乙酸鹽先轉(zhuǎn)化為VFAs的零級反應(yīng)，且產(chǎn)生的污泥量較少，VFAs作為反硝化中的碳源主要用于異養(yǎng)微生物反硝化脫氮作用。除了VFAs外，植物油類由于含有大量不飽和脂肪酸也可以作為反硝化碳源。Hunter采納大豆油作為可滲透反應(yīng)墻的反硝化有機碳源材料，將含有20mg/LNO-3-N的地下水以高流速通過反應(yīng)墻泵送30周。結(jié)果發(fā)覺在試驗的前10周，幾乎全部的硝酸鹽和氮都被去除，但反硝化效率隨著時間的推移而下降，到最終一周時，系統(tǒng)幾乎沒有去除硝酸鹽的力量。在整個討論過程中，沒有發(fā)覺亞硝酸鹽的積累，因此此類反應(yīng)墻可用于愛護(hù)地下水免受硝酸鹽污染。自然條件下，大多數(shù)含水層流速較低，此類反應(yīng)墻應(yīng)能在更長時間內(nèi)有效去除地下水中的硝酸鹽。但在實際應(yīng)用上，由于其他液相碳源材料來源簡單受到工業(yè)類型、產(chǎn)量、位置以及其他因素的影響，因此其他液相碳源材料在廣泛應(yīng)用上還存在困難。

2.2固相碳源材料

雖然傳統(tǒng)采納液相碳源的可滲透反應(yīng)墻技術(shù)在投資和運行費用方面較低，但仍存在肯定缺陷，如難以估量液體碳源的投入量、液體碳源在運行過程中的流失。液相碳源投入量不足，會影響可滲透反應(yīng)墻的脫氮效果，導(dǎo)致反硝化不完全，地下水中還殘留著硝酸鹽。投入量過多，會導(dǎo)致處理過后的地下水中含有有機碳，簡單造成二次污染。除此之外，液相碳源在使用過程中簡單隨著地下水流失，導(dǎo)致成本相對較高，出水生物量偏高。

固相碳源材料不僅具有液相碳源的優(yōu)點，還可以作為微生物的附著載體，削減處理之后地下水中的生物量。依據(jù)材料的特點，可以將固相碳源分為自然?碳源材料、可生物降解塑料和新型緩釋固相碳源材料。

2.2.1自然?碳源材料

自然?碳源材料又稱纖維素材料，來源廣泛，成本較低，作為反硝化碳源在實際應(yīng)用中取得了良好的效果。常見的自然?碳源材料有棉花、麥秸、蘆葦、玉米芯、稻草、木屑等。農(nóng)業(yè)廢棄物便利加工操作，無需任何預(yù)處理就可以作為碳源材料，且自然?材料中本身含有的養(yǎng)分元素又利于反硝化微生物的增長。作為PRB反硝化材料不僅可以去除地下水中的硝酸鹽污染，還可以作為微生物的附著體削減出水生物量。1988年，Boussaid等首次采納收割后的麥稈作為反硝化固相碳源，發(fā)覺經(jīng)過反應(yīng)器處理后的地下水能達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)的化學(xué)和生物質(zhì)量。Volokita等采納未經(jīng)加工的短纖維棉花作為有機碳源，發(fā)覺可以在不形成亞硝酸鹽的狀況下快速去除硝酸鹽，討論指出，纖維素材料反硝化速率受溫度變化的影響，14℃時的反硝化速率約為30℃時的一半。

纖維素材料在自然界中來源廣泛，可以依據(jù)不同地方的實際狀況選擇不同纖維素材料，降低PRB反硝化去除硝酸鹽費用。Ovez對潛在碳源進(jìn)行了廣泛的討論，包括松樹、楊樹、棉花莖、百里香、胡蘿卜、蘆葦、甘草、肉桂、生姜、玉米芯、月桂和海藻。結(jié)果表明，在所檢測的物質(zhì)中，甘草、蘆葦和海藻的硝酸鹽去除效果良好，維持了硝酸鹽的完全去除。

未經(jīng)處理的自然?碳源材料用于反硝化有機碳源和微生物載體，會受到溫度和運行時間的影響，且在實際長期使用中不斷釋放氮、磷(主要為植物中的蛋白質(zhì)分解產(chǎn)物)等有害物質(zhì)，簡單對地下水造成二次污染。常用的解決方法是在PRB介質(zhì)中添加吸附劑例如石灰石，但自然?碳源材料中存在較多難降解的高分子晶格結(jié)構(gòu)，簡單堵塞含水層。對自然?碳源材料采納預(yù)處理方法，既可以增加釋碳速率，又可以除去氮、磷元素，削減二次污染，同時將難降解的晶格結(jié)構(gòu)分解，促進(jìn)纖維素分解，可以避開堵塞含水層。常用的預(yù)處理方法有酸處理、堿處理、超聲波、熱處理或者兩種聯(lián)用等。

陶正凱等對比了酸處理、堿處理和高溫處理得到的玉米秸稈反硝化釋碳性能，發(fā)覺經(jīng)過高溫預(yù)處理后，玉米秸稈碳流失嚴(yán)峻，反硝化后期釋碳量較小。酸、堿預(yù)處理都可以破環(huán)纖維素的內(nèi)部高分子結(jié)構(gòu)，提高碳源的供碳生命周期，其中堿預(yù)處理的碳流失較小，適合作為纖維素抱負(fù)的預(yù)處理方式。NaOH濃度為2%、固液比為1∶10、浸泡10h時，玉米秸稈釋碳性能較好，預(yù)處理碳流失較少，且20d平均釋碳量達(dá)到5.53mg/(g?d)。纖維素在自然界中來源豐富，將其用作固體碳源成本低，效率較高，但反應(yīng)過程受溫度影響大，且自然?材料機械強度低，易被微生物分解。因而在實際使用中壽命較短，其出水懸浮物濃度和濁度均偏高，簡單導(dǎo)致含水層堵塞和二次污染，這在某種程度上限制了它的應(yīng)用。

2.2.2可生物降解塑料

可生物降解塑料(biodegradablepolymers，BDPs)是以簡潔的小分子為基礎(chǔ)制備的聚合物，因其分子鏈上富含酯基、酰胺基，易被微生物分解利用，作為碳源材料可以提高機械強度和反硝化速率。

常用的有機聚合物有聚乙烯醇(PVA)、聚乳酸(PLA)、聚己內(nèi)酯(PCL)，機械強度高，材料在地下水中不會浸出有毒物質(zhì)，產(chǎn)生有害代謝副產(chǎn)物。Honda等討論了可生物降解PCL對地下水硝酸鹽的微生物反硝化作用。發(fā)覺PCL可有效去除廢水中的硝酸鹽，10周后平均去除總氮(TN)70%以上。PCL質(zhì)量隨時間呈線性下降，10周后下降約44%。PCL板的厚度也從0.5mm下降到約0.2~0.3mm，但仍有足夠的機械強度維持原來的外形，并在平板表面形成微生物膜。北京高校封羽濤等對比了可降解聚合物PBS和PCL的反硝化效果。進(jìn)水TN質(zhì)量濃度維持在15mg/L左右，進(jìn)水流速為15mL/min時，穩(wěn)定運行8d后，PBS的TN出水濃度維持在0.42~1.22mg/L，PCL維持在3.25~6.31mg/L。PBS去除率均達(dá)到92%以上，高于PCL，這是PBS的比表面積大于PCL，可以附著更多的微生物。在試驗運行期間，兩者出水COD均保持在較低水平，這表明可生物降解塑料均難溶于水，只有被微生物作為反硝化碳源時，在酶的作用下才能被分解，在地下水中不產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)。

可生物降解塑料能維持高反硝化效率，二次污染少，且具有足夠的機械強度，是相宜的反硝化固相碳源。缺點是成本昂揚，養(yǎng)分成分單一，簡單受反應(yīng)溫度的影響。

2.2.3新型緩釋碳源材料

通過固相碳源原料的不同配比及不同預(yù)處理方式，掌握釋碳速率，提高反硝化效率以延長反應(yīng)墻的工作年限漸漸成為碳源材料討論的新熱點。緩釋碳源是以自然?碳源材料或可生物降解塑料為碳源，通過添加骨架材料和預(yù)處理等方式制備的新型緩釋固相碳源材料。利用具有肯定機械強度的材料作為基本骨架，將自然?碳源包裹在其中，從而掌握碳源釋放速率，達(dá)到緩慢釋放碳源持續(xù)供應(yīng)的目的，同時可以作為微生物載體，提高硝酸鹽的去除效果。

目前討論較多的骨料為可生物降解塑料，多為PVA、PLA、PCL等，采納壓模成型、注塑成型、擠出成型等預(yù)處理方式與自然?碳源材料制成新型緩釋碳源材料。

楊帆實行擠出成型法，利用大麻纖維和馬鈴薯淀粉作為碳源原料，采納PBS、PLA和PE作為骨架，依據(jù)不同配比制備得到6種復(fù)合碳源材料，討論對25mg/L的NO-3-N去除效果。試驗表明，6種復(fù)合碳源材料中，大麻纖維、PBS、PE的原料比為3∶4∶3的復(fù)合緩釋碳源材料HBE，啟動時間短，去除率高，釋碳穩(wěn)定，運行期間未消失亞硝酸鹽氮積累，是最為抱負(fù)的碳源載體物質(zhì)。該材料表面較為粗糙，比表面積大，有利于微生物的附著生長，因此緩釋碳源材料的反硝化效能與材料本身比表面積大小和表面粗糙程度也有關(guān)。

常用的可生物降解塑料骨料中，PCL相容性好、耐水性優(yōu)異且易于加工，價格相對較高。PLA相容性較差且強度較低。PVA相容性較好且價格低廉，因此往往選擇PVA作為新型緩釋碳源骨料。王潤眾等采納淀粉為碳源材料，PVA為骨架，制備了一種新型緩釋碳源材料。采納醋酸酯淀粉替代部分一般淀粉，加快水解提高脫氮效率，且參入適量乳化劑，以提高材料的疏水性來掌握釋碳速率，實現(xiàn)碳源的穩(wěn)定釋放。試驗進(jìn)水的NO-3-N濃度為35mg/L，當(dāng)緩釋材料中醋酸酯淀粉/PVA由1∶1增加到5∶1時，NO-3-N去除率由73%增加到100%，這表明緩釋碳源的反硝化速率和釋碳速率與所含淀粉比例成正相關(guān)關(guān)系，骨架在其中多為擔(dān)當(dāng)力學(xué)性質(zhì)作用。

討論人員討論了其他無機材料作為骨架替代可生物降解塑料的緩釋碳源材料。以無機材料為骨架的緩釋碳源材料表面粗糙多孔，有利于微生物的附著，多孔結(jié)構(gòu)可保證碳源釋放得到有效掌握。Li等構(gòu)建了一種以木屑、礦渣和礫石為緩釋碳源的復(fù)合型碳源材料，結(jié)果表明，復(fù)合碳源材料對硝酸鹽有較好的去除效果。南京高校張會玲等研發(fā)出一種具有肯定的強度和孔隙度的新型復(fù)合緩釋碳源，主材料為麥秸和零價鐵，以高滲透性材料和塑性粘結(jié)材料作為骨架材料，試驗室中對NO-3-N去除率均在85%以上，同時過程中沒有消失明顯的亞硝酸鹽積累現(xiàn)象。在野外長達(dá)175d的運行試驗中，NO-3-N去除率均在75%以上，對地下水硝酸鹽具有較好的去除效果，討論過程中無亞硝酸氮積累。試驗還發(fā)覺自然?碳源材料與無機材料的比值對硝酸鹽的去除率的提高無很大影響，但文章并未給出導(dǎo)致狀況發(fā)生的可能緣由。新型緩釋碳源不僅滿意反硝化要求，而且機械性強度高、壽命長、無二次污染、便于運輸、成本較低，是最為抱負(fù)的反硝化碳源材料，應(yīng)用前景寬闊。但是其制備工藝簡單，現(xiàn)在多處于試驗室討論階段。

三、問題與展望

利用PRB技術(shù)修復(fù)受硝酸鹽污染地下水日益受到關(guān)注，加入合適的碳源材料是受硝酸鹽污染的地下水修復(fù)的關(guān)鍵，本文對不同碳源的優(yōu)缺點進(jìn)行了較系統(tǒng)歸納總結(jié)。

液相有機碳源材料效果優(yōu)異，應(yīng)用最為廣泛。常用液相碳源材料中乙醇價格低廉、反硝化速率高、除氮效果好、造成的二次污染少，是抱負(fù)的PRB碳源材料。其他液相碳源材料中污泥水解VFAs已成為討論熱點，不僅可以供應(yīng)生物反硝化的碳源，還可以削減污泥產(chǎn)量，具有寬闊的進(jìn)展前景。但液相碳源均存在投入量難以估量和運行過程中的流失問題。

固相自然?材料纖維素在自然界中來源豐富，將其用作固體碳源成本低，效率較高，但自然?材料機械強度低，易被微生物分解，在實際使用中壽命較短?？缮锝到馑芰献鳛樘荚床牧?，不僅滿意微生物反硝化電子供體的要求，而且機械強度高，易在表面形成穩(wěn)定的生物膜，不過其成本昂揚，實際應(yīng)用較少。新型緩釋碳源材料融合了自然?碳源材料和可生物降解材料兩者的優(yōu)點，釋碳速度緩慢、機械強度高、壽命長、無二次污染、便于運輸。以農(nóng)作物廢棄物資源結(jié)合可生物降解塑料的新型緩釋碳源材料，不僅可以降低修復(fù)成本，同時養(yǎng)分成分多元、生態(tài)友好，是抱負(fù)的反硝化碳源材料，應(yīng)用前景寬闊。

隨著社會經(jīng)濟(jì)的進(jìn)展、農(nóng)業(yè)化肥的過度使用、生活污水和工廠污水的違規(guī)排放，我國不少地區(qū)地下水中存在著硝酸鹽污染。國內(nèi)外討論表明，飲用受到硝酸鹽污染的地下水會嚴(yán)峻危害人類的健康，導(dǎo)致聽視覺反應(yīng)遲鈍、高鐵血紅蛋白癥甚至誘發(fā)癌癥。常見的地下水硝酸鹽污染修復(fù)技術(shù)主要有電滲析法、離子交換法、活潑金屬還原法、可滲透反應(yīng)墻(permeablereactivewall，PRB)法。其中，PRB技術(shù)由于技術(shù)相對成熟且具有建設(shè)運行成本低、處理力量長期有效、環(huán)境擾動小的優(yōu)點而被廣泛運用在工程實踐中。它的原理是通過在受污染區(qū)域安裝可滲透被動反應(yīng)墻體，當(dāng)受污染的地下水流經(jīng)反應(yīng)墻體時，與墻內(nèi)充填介質(zhì)發(fā)生物理、化學(xué)、生物反應(yīng)，達(dá)到去除污染物質(zhì)的目的。

生物脫氮是PRB法中去除硝酸鹽的重要途徑。在缺氧條件下，反硝化細(xì)菌能夠以硝酸鹽中的化學(xué)結(jié)合氧作為最終電子受體，將硝酸鹽還原為無害的氮氣。地下水中有機碳含量不足以滿意PRB技術(shù)生物脫氮中反硝化作用對電子供體的要求，因此，需要在可滲透墻體中加入足量碳源材料作為強化反硝化作用的充填介質(zhì)，這可以加快硝酸鹽污染水體的修復(fù)速率，提高污染物質(zhì)的去除率。由于干凈的地下水中溶解氧濃度一般較高，不利于反硝化所需的缺氧環(huán)境，可通過部分碳源在異養(yǎng)菌的作用下被消耗的同時使水中溶解氧得到消耗，從而為反硝化營造缺氧的環(huán)境。本文主要爭論PRB修復(fù)受硝酸鹽污染地下水的碳源材料，其中以可生物降解塑料為骨架的新型緩釋碳源材料將會是將來特別重要的討論和應(yīng)用方向，以期為PRB修復(fù)受硝酸鹽污染地下水的碳源選擇供應(yīng)指導(dǎo)，且為受硝酸鹽污染地下水的修復(fù)供應(yīng)科學(xué)依據(jù)。

一、PRB技術(shù)的工藝簡介

PRB是指通過在受污染區(qū)域下游與地下水流淌垂直方向上構(gòu)筑一個填充有反應(yīng)材料的滲透性墻體，墻體組成一般包括濾層、篩網(wǎng)和反應(yīng)材料。墻體的滲透系數(shù)通常要求大于等于污染區(qū)域含水層滲透系數(shù)的2倍，但在實際狀況中，為了達(dá)到最佳的去除效果，往往會達(dá)到污染區(qū)域含水層滲透系數(shù)的數(shù)十倍以上。這樣，在自然水力梯度下，地下水污染羽滲流經(jīng)過墻體時與墻內(nèi)反應(yīng)材料發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)，去除地下水中的污染物，余下無毒無害的副產(chǎn)物。

按結(jié)構(gòu)差異一般可以將PRB分為3種類型:連續(xù)墻式、漏斗—通道式、注射井式。在處理范圍上，連續(xù)墻式適合處理含水層埋藏淺、污染羽較小的污染場地，漏斗—通道式適合含水層埋藏較淺、污染羽較大的場地，注射井式結(jié)構(gòu)適用于含水層埋藏較深、存在區(qū)域性污染羽的污染場地。

對地下水污染羽的范圍進(jìn)行確定后，可以依據(jù)實際狀況選擇PRB類型，依據(jù)污染物的類型采納恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)材料。當(dāng)?shù)叵滤写嬖诙喾N污染物時，還可以設(shè)置多個墻體中充填不同反應(yīng)材料來處理不同污染物。當(dāng)污染區(qū)域地下水流速較快和污染物濃度較高時，必需加厚墻體，使污染物與反應(yīng)材料能夠充分接觸反應(yīng)而被凈化去除。

二、PRB反硝化碳源材料

PRB碳源材料依據(jù)材料形態(tài)的不同，大致可以分為液相碳源材料和固相碳源材料。其中，液相碳源材料易溶于水或能與水較好的混合在一起，較早應(yīng)用于PRB去除地下水硝酸鹽。固相碳源材料的應(yīng)用稍晚于液相碳源材料，它解決了液相碳源常常需要補充的缺點，便于后期管理。

2.1液相碳源材料

液相碳源是應(yīng)用最廣的PRB碳源材料，它們的優(yōu)點是處理效果優(yōu)異、材料廣泛易得、費用低。缺點主要有易導(dǎo)致反應(yīng)器堵塞、二次污染、生物量大和后處理簡單等。

2.1.1常用液相碳源材料

PRB技術(shù)修復(fù)受硝酸鹽污染地下水常見的液相有機碳源材料包括:甲醇、乙醇和葡萄糖等小分子材料。乙醇作為PRB反硝化碳源受到討論人員的青睞，Gomez等以乙醇作為碳源材料時，探究了不同乙醇濃度(0~46.74mg/L)下對細(xì)菌反硝化活性的影響。結(jié)果表明，當(dāng)乙醇濃度增加時，全部微生物的反硝化活性均增加，硝酸鹽的去除率從2%增長到99%，這說明乙醇作為反硝化碳源有利于硝酸鹽的去除。

以乙醇為碳源時，比采納甲醇和葡萄糖時具有更快的硝酸鹽去除速率和反硝化反應(yīng)啟動速度。胡國山等采納甲醇、乙醇和葡萄糖作為唯一碳源，討論溫度為35℃，C/N試驗溶液為2∶1時，去除NO-3-N濃度為100mg/L的反硝化效果。結(jié)果表明，以乙醇為碳源時，在24h內(nèi)NO-3-N的去除率達(dá)到了100%。當(dāng)以葡萄糖為碳源時，NO-3-N的去除率在72h內(nèi)達(dá)到100%，甲醇為碳源時，在96h內(nèi)去除率達(dá)到100%。可能是甲醇的反硝化微生物適應(yīng)馴化期較長，導(dǎo)致反硝化效率低下，這與Nyberg等的討論結(jié)果相符合。試驗還發(fā)覺，以葡萄糖為碳源時，存在著嚴(yán)峻的亞硝酸鹽積累問題，由于葡萄糖作為反硝化碳源易吸引某類微生物，導(dǎo)致NO-3轉(zhuǎn)化還原成NO-2。

Ghararah對比了甲醇、乙醇和乙酸3種碳源材料在不同硝酸鹽負(fù)荷下反硝化作用的脫氮效果。結(jié)果表明，甲醇對硝酸鹽的去除率為95%~97%，乙醇對硝酸鹽的去除率為88%~92%。當(dāng)使用乙酸作為反硝化電子供體時，硝酸鹽的去除率僅為23%~37%。但依據(jù)化學(xué)計量關(guān)系計算，以去除1mol硝酸鹽污染物所耗費的碳源材料的物質(zhì)的量為標(biāo)準(zhǔn)，本次試驗中乙醇的去除效率應(yīng)為最高。

乙醇作為反硝化碳源也具有較好的成本效益比，Boley等對不同討論人員采納上述3種液相碳源的反硝化費用(以NO-3-N計)進(jìn)行了比較，發(fā)覺甲醇的反硝化費用為2.0~4.0/kg，乙醇的反硝化費用為2.4/kg，乙酸的反硝化費用為8/kg。碳源的質(zhì)量消耗比[m(C)/m(NO-3-N)]依次為2.08~3.98、2.0、3.5。考慮到液相碳源在PRB應(yīng)用中多需要二次添加，實際上采納乙醇作為碳源的可滲透反應(yīng)墻的維護(hù)費用也會更低。

綜合來說，乙醇比甲醇和乙酸有更好的反硝化效果，反應(yīng)響應(yīng)速度快，去除速率快，去除效率高，費用低廉，亞硝酸鹽和氨氮的積累少，是一種抱負(fù)的碳源材料。甲醇雖然也是一種較為抱負(fù)的碳源材料，但響應(yīng)時間較長，且具有毒性，嚴(yán)峻時致人失明乃至喪命，運輸也較為困難。乙酸和葡萄糖的成本較高并且以葡萄糖作為反硝化碳源會產(chǎn)生較高的亞硝酸鹽和氨氮積累。

2.1.2其他液相碳源材料

除此以外，討論者還發(fā)覺很多其他的液相碳源材料，部分化工業(yè)廢水和農(nóng)產(chǎn)品加工廢水中的有機質(zhì)含量高，毒性小。假如可以作為反硝化脫氮的碳源，不僅可以解決反硝化過程中電子供體不足的問題，還可以廢物利用，節(jié)省成本。

這些新型有機碳源也取得了較好的反硝化效果，其中揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)作為微生物去除硝酸鹽過程中的關(guān)鍵底物受到了討論人員的關(guān)注。假如能以其作為反硝化碳源，硝酸鹽去除速率將會明顯提高，且污泥產(chǎn)量明顯削減。Xu等采納污泥水解酸化液作為反硝化碳源，在pH值為7.5、溫度為25℃、碳源充分時，經(jīng)過水解發(fā)酵處理后獲得的VFAs作為有機碳源反硝化速率明顯優(yōu)于甲醇和乙酸鹽。緣由是不存在微生物將甲醇和乙酸鹽先轉(zhuǎn)化為VFAs的零級反應(yīng)，且產(chǎn)生的污泥量較少，VFAs作為反硝化中的碳源主要用于異養(yǎng)微生物反硝化脫氮作用。除了VFAs外，植物油類由于含有大量不飽和脂肪酸也可以作為反硝化碳源。Hunter采納大豆油作為可滲透反應(yīng)墻的反硝化有機碳源材料，將含有20mg/LNO-3-N的地下水以高流速通過反應(yīng)墻泵送30周。結(jié)果發(fā)覺在試驗的前10周，幾乎全部的硝酸鹽和氮都被去除，但反硝化效率隨著時間的推移而下降，到最終一周時，系統(tǒng)幾乎沒有去除硝酸鹽的力量。在整個討論過程中，沒有發(fā)覺亞硝酸鹽的積累，因此此類反應(yīng)墻可用于愛護(hù)地下水免受硝酸鹽污染。自然條件下，大多數(shù)含水層流速較低，此類反應(yīng)墻應(yīng)能在更長時間內(nèi)有效去除地下水中的硝酸鹽。但在實際應(yīng)用上，由于其他液相碳源材料來源簡單受到工業(yè)類型、產(chǎn)量、位置以及其他因素的影響，因此其他液相碳源材料在廣泛應(yīng)用上還存在困難。

2.2固相碳源材料

雖然傳統(tǒng)采納液相碳源的可滲透反應(yīng)墻技術(shù)在投資和運行費用方面較低，但仍存在肯定缺陷，如難以估量液體碳源的投入量、液體碳源在運行過程中的流失。液相碳源投入量不足，會影響可滲透反應(yīng)墻的脫氮效果，導(dǎo)致反硝化不完全，地下水中還殘留著硝酸鹽。投入量過多，會導(dǎo)致處理過后的地下水中含有有機碳，簡單造成二次污染。除此之外，液相碳源在使用過程中簡單隨著地下水流失，導(dǎo)致成本相對較高，出水生物量偏高。

固相碳源材料不僅具有液相碳源的優(yōu)點，還可以作為微生物的附著載體，削減處理之后地下水中的生物量。依據(jù)材料的特點，可以將固相碳源分為自然?碳源材料、可生物降解塑料和新型緩釋固相碳源材料。

2.2.1自然?碳源材料

自然?碳源材料又稱纖維素材料，來源廣泛，成本較低，作為反硝化碳源在實際應(yīng)用中取得了良好的效果。常見的自然?碳源材料有棉花、麥秸、蘆葦、玉米芯、稻草、木屑等。農(nóng)業(yè)廢棄物便利加工操作，無需任何預(yù)處理就可以作為碳源材料，且自然?材料中本身含有的養(yǎng)分元素又利于反硝化微生物的增長。作為PRB反硝化材料不僅可以去除地下水中的硝酸鹽污染，還可以作為微生物的附著體削減出水生物量。1988年，Boussaid等首次采納收割后的麥稈作為反硝化固相碳源，發(fā)覺經(jīng)過反應(yīng)器處理后的地下水能達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)相適應(yīng)的化學(xué)和生物質(zhì)量。Volokita等采納未經(jīng)加工的短纖維棉花作為有機碳源，發(fā)覺可以在不形成亞硝酸鹽的狀況下快速去除硝酸鹽，討論指出，纖維素材料反硝化速率受溫度變化的影響，14℃時的反硝化速率約為30℃時的一半。

纖維素材料在自然界中來源廣泛，可以依據(jù)不同地方的實際狀況選擇不同纖維素材料，降低PRB反硝化去除硝酸鹽費用。Ovez對潛在碳源進(jìn)行了廣泛的討論，包括松樹、楊樹、棉花莖、百里香、胡蘿卜、蘆葦、甘草、肉桂、生姜、玉米芯、月桂和海藻。結(jié)果表明，在所檢測的物質(zhì)中，甘草、蘆葦和海藻的硝酸鹽去除效果良好，維持了硝酸鹽的完全去除。

未經(jīng)處理的自然?碳源材料用于反硝化有機碳源和微生物載體，會受到溫度和運行時間的影響，且在實際長期使用中不斷釋放氮、磷(主要為植物中的蛋白質(zhì)分解產(chǎn)物)等有害物質(zhì)，簡單對地下水造成二次污染。常用的解決方法是在PRB介質(zhì)中添加吸附劑例如石灰石，但自然?碳源材料中存在較多難降解的高分子晶格結(jié)構(gòu)，簡單堵塞含水層。對自然?碳源材料采納預(yù)處理方法，既可以增加釋碳速率，又可以除去氮、磷元素，削減二次污染，同時將難降解的晶格結(jié)構(gòu)分解，促進(jìn)纖維素分解，可以避開堵塞含水層。常用的預(yù)處理方法有酸處理、堿處理、超聲波、熱處理或者兩種聯(lián)用等。

陶正凱等對比了酸處理、堿處理和高溫處理得到的玉米秸稈反硝化釋碳性能，發(fā)覺經(jīng)過高溫預(yù)處理后，玉米秸稈碳流失嚴(yán)峻，反硝化后期釋碳量較小。酸、堿預(yù)處理都可以破環(huán)纖維素的內(nèi)部高分子結(jié)構(gòu)，提高碳源的供碳生命周期，其中堿預(yù)處理的碳流失較小，適合作為纖維素抱負(fù)的預(yù)處理方式。NaOH濃度為2%、固液比為1∶10、浸泡10h時，玉米秸稈釋碳性能較好，預(yù)處理碳流失較少，且20d平均釋碳量達(dá)到5.53mg/(g?d)。纖維素在自然界中來源豐富，將其用作固體碳源成本低，效率較高，但反應(yīng)過程受溫度影響大，且自然?材料機械強度低，易被微生物分解。因而在實際使用中壽命較短，其出水懸浮物濃度和濁度均偏高，簡單導(dǎo)致含水層堵塞和二次污染，這在某種程度上限制了它的應(yīng)用。

2.2.2可生物降解塑料

可生物降解塑料(biodegradablepolymers，BDPs)是以簡潔的小分子為基礎(chǔ)制備的聚合物，因其分子鏈上富含酯基、酰胺基，易被微生物分解利用，作為碳源材料可以提高機械強度和反硝化速率。

常用的有機聚合物有聚乙烯醇(PVA)、聚乳酸(PLA)、聚己內(nèi)酯(PCL)，機械強度高，材料在地下水中不會浸出有毒物質(zhì)，產(chǎn)生有害代謝副產(chǎn)物。Honda等討論了可生物降解PCL對地下水硝酸鹽的微生物反硝化作用。發(fā)覺PCL可有效去除廢水中的硝酸鹽，10周后平均去除總氮(TN)70%以上。PCL質(zhì)量隨時間呈線性下降，10周后下降約44%。PCL板的厚度也從0.5mm下降到約0.2~0.3mm，但仍有足夠的機械強度維持原來的外形，并在平板表面形成微生物膜。北京高校封羽濤等對比了可降解聚合物PBS和PCL的反硝化效果。進(jìn)水TN質(zhì)量濃度維持在15mg/L左右，進(jìn)水流速為15mL/min時，穩(wěn)定運行8d后，PBS的TN出水濃度維持在0.42~1.22mg/L，PCL維持在3.25~6.31mg/L。PBS去除率均達(dá)到92%以上，高于PCL，這是PBS的比表面積大于PCL，可以附著更多的微生物。在試驗運行期間，兩者出水COD均保持在較低水平，這表明可生物降解塑料均難溶于水，只有被微生物作為反硝化碳源時，在酶的作用下才能被分解，在地下水中不產(chǎn)生有毒有害物質(zhì)。

可生物降解塑料能維持高反硝化效率，二次污染少，且具有足夠的機械強度，是相宜的反硝化固相碳源。缺點是成本昂揚，養(yǎng)分成分單一，簡單受反應(yīng)溫度的影響。

2.2.3新型緩釋碳源材料

通過固相碳源原料的不同配比及不同預(yù)處理方式，掌握釋碳速率，提高反硝化效率以延長反應(yīng)墻的工作年限漸漸成為碳源材料討論的新熱點。緩釋碳源是以自然?碳源材料或可生物降解塑料為碳源，通過添加骨架材料和預(yù)處理等方式制備的新型緩釋固相碳源材料。利用具有肯定機械強度的材料作為基本骨架，將自然?碳源包裹在其中，從而掌握碳源釋放速率，達(dá)到緩慢釋放碳源持續(xù)供應(yīng)的目的，同時可以作為微生物載體，提高硝酸鹽的去除效果。

目前討論較多的骨料為可生物降解塑料，多為PVA、PLA、PCL等，采納壓模成型、注塑成型、擠出成型等預(yù)處理方式與自然?碳源材料制成新型緩釋碳源材料。

楊帆實行擠出成型法，利用大麻纖維和馬鈴薯淀粉作為碳源原料，采納PBS、PLA和PE作為骨架，依據(jù)不同配比制備得到6種復(fù)合碳源材料，討論對25mg/L的NO-3-N去除效果。試驗表明，6種復(fù)合碳源材料中，大麻纖維、PBS、PE的原料比為3∶4