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城市(杭州)地下水污染源解析与修复技术研究

金赞芳  
【摘要】:地下水硝酸盐氮(NO_3-N)污染已成为世界性的环境问题。由于地下水NO_3-N会以直接或间接的方式危害人们的健康,所以世界卫生组织规定饮用水NO_3-N的含量不得超过10mgN/l。一直以来人们对农业活动造成的地下水NO_3-N污染关注较多,然而随着城市化进程的不断加速,城市地下水中的NO_3-N含量不断增加。由于城市活动的复杂多样性,其地下水NO_3-N污染来源很难确定。因此研究城市地下水氮污染,追溯氮污染源,并提出切实可行的治理措施,已成为科学工作者的当务之急。为此,科学家们引进了N同位素分析方法。该方法通过测定物质中的N同位素组成(~(14)N和~(15)N),以大气的N同位素比值(~(15)N/~(14)N)为标准值,按等式δ~(15)N_(NO_3)={[(~(15)N/~(14)N)_(样品)/(~(15)/~(14)N)_(标准)]-1}×1000进行计算。可以较准确地辨明污染源。 对于地下水硝酸盐污染防治。不仅是防止地下水硝酸盐污染,还要治理已污染的地下水。科学家们对已受硝酸盐污染的地下水的治理技术开发已久。已开发的治理技术包括物理方法,化学方法,和生物方法。生物反硝化方法是目前已投入使用的最经济,最有效的方法。但现有的生物反硝化法仍存在工艺复杂、运行管理要求高、反硝化速度慢、所需反应器体积庞大、建设费用高等缺点。针对这些问题,我们采用以棉花和纸为碳源和反应介质的生物反硝化法,进行了去除地下水硝酸盐的实验研究。 用N同位素分析方法并结合调查区域土地利用类型的分析,对杭州市城区21口水井展开调查以确定杭州城市地下水的水质。结果显示:杭州城市地下水类型以HCO_3-Ca型为主,整个调查区域Cl~-和SO_4~(2-)的浓度较高,平均浓度分别为52.8mg/l和76.1mg/l。杭州市城区浅层地下水NO_3-N污染十分严重,有40.5%的样品的NO_3-N含量超过了中国国家饮用水标准(N10mg/l)。NH_4-N和NO_2-N浓度较低,不是地下水中氮的主要存在形式。总体来说杭州城市地下水水质属于Ⅲ类水标准,不宜饮用。不同的土地利用区有不同的硝酸盐水平(0.04~34.41mgN/l)和N同位素值(7.8~22.0‰)。居住区地下水δ~(15)N_(NO_3)值为10.4‰~22.0‰,农业区δ~(15)N_(NO_3)值的为17.5‰~19.5‰。生活污水是城市浅层地下水的主要NO_3-N污染源。在居住区还存在点源污染,如化粪池。种植蔬菜施用的有机肥则是农业区的 浙江大学博士学位论文 NO3一污染源。从水质的月度变化情况看:CI.和5042一的变化趋势相同,在井水 不存在NH4一,NoZ一的情况下,N03一和cl一,5042一的变化趋势一致。在地 下水Doc水平较高的情况下,No3一N,cl’,和5042一致浓度的时间变化及地下水 6’SNNo3值的时间变化说明在杭州市的地下水层存在不同程度的反硝化作用。 研究了以固相有机碳(棉花、纸、稻草和木屑)为碳源和反应介质的生物反 应器对地下水中硝酸盐的去除。结果表明:以棉花和纸为碳源和反应介质的生物 反硝化法能成功地去除地下水中硝酸盐。以棉花和纸为碳源和反应介质的反应器 启动快。反硝化反应受温度影响大。当温度为14℃时,反应器中的反硝化速率 棉花为l.s664mgNI一’ul,纸为2.194lmgNI”ul;当温度为25℃时,反应器中的 反硝化速率棉花为3.3o95mgN一,厅’,纸为3.34olmgNI”h一’。温度升高,反硝化 速率增加。而且以纸为碳源的反应器反硝化速率比以棉花为碳源的反应器高。反 应器耐冲击,即使在较短的停留时间内也能保持很高的去除效率。在室温25士l ℃,进水No3一N浓度为45.2mgN八,水力停留时间不小于8.6h时,以纸为碳源反 应器对硝酸盐氮的去除率99.6%在以上,出水未检出亚硝酸盐。反硝化速率与进 水NO3一浓度的关系是一个零级反应。两个反硝化反应受pH值的影响小,当进 水pH值在6~9范围变化而停留时间与室温恒定时,反应器去除效率没有变化。 反应器中的微生物消耗溶解氧,DO浓度在反应器中从反应器底部到顶部逐 渐降低,使得反应器内逐渐形成缺氧甚至是厌氧环境。当反应器中溶解氧浓度较 高时,反硝化速率下降,亚硝酸盐浓度上升。这一现象会随着反应器中溶解氧浓 度的上升而更加显著。相对来说以纸为碳源的反应器对进水DO的敏感度比以棉 花为碳源的反应器小。Do为sm幼时0-scm处棉花反应器反硝化速率为0.5181 mg NI”u,,纸反应器反硝化速率为2.2333 mg NI一lh”;no为一m叨时。一sem处 棉花反应器反硝化速率为5.7823 mg NI一lh-l,纸反应器反硝化速率为8.4135 mg NI.’h’’。但溶解氧的升高对反应器的总硝酸盐去除率没有影响。在进水NO3一浓 度为棉花为22.6 mgN爪纸为45.2 mgN八,HRTg.Oh的条件下,依次对各个溶解 氧浓度(o,1,2,5,sm留D的考察发现,两个反应器总的硝酸盐去除率为100% 且没有出现NOZ一。本反应器在较高的溶解氧条件下还有较高的硝酸盐去除率与 微生物作用逐渐形成的厌氧环境有关,也与环境中存在的充足的可利用碳源有 关。在反应器的运行过程中,在介质的表面形成了稳定的生物膜。 在运行过程中棉花和纸都被消耗了而且纸的消耗量比棉花大,如:反应器运 浙江大学博士学位论文 行6个月纸和氮的消耗比为8.5,棉花和氮的消耗比为4.9。前者出水的可溶性有 机碳维持在40一55m创l,


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