【摘要】：由于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對地下水污染的加劇,很多地區(qū)地下水水質(zhì)呈現(xiàn)硝酸氮和微量有機物同時超標的現(xiàn)象。為有效處理這種復合污染的地下水,本文以常見的苯酚作為地下水中微量有機物的代表成分,按照山東某地微污染地下水水質(zhì),人工配制了同時含硝酸氮和微量有機污染物的模擬污染地下水,利用自行構(gòu)建的新型復式三維生物膜電極反應器(Three Dimentional Complex Biofilm Electrode Reactor,3D-CBER)進行處理研究。3D-CBER采用兩層BER結(jié)構(gòu),陰極均采用不銹鋼孔板,陽極由于去除硝酸氮和有機物的不同需要,在實驗中分別采用了兩種形式,形式一為兩層陽極均為石墨板,相應的反應器稱為同陽極復式三維生物膜電極反應器(3D-T-CBER);形式二為下部陽極為石墨板,上部陽極為鍍二氧化釕的鈦板,相應的反應器稱為異陽極復式三維生物膜電極反應器(3D-Y-CBER),反應器內(nèi)的顆粒電極均為果殼活性炭。為考察復式三維生物膜電極反應器對地下水中硝酸氮和微量有機物的去除過程,實驗分別研究了兩種反應器在接種氫自養(yǎng)反硝化菌前和接種后的去除效果,以比較分析由純電化學作用條件下和電化學生物膜作用條件下對含硝酸氮微污染地下水去除效果及主要影響因素。實驗的主要結(jié)論如下:(1)3D-T-CBER和3D-Y-CBER對地下水中硝酸氮和微量有機物均具有較高的同步去除效果。在最佳條件下,3D-T-CBER的硝酸氮去除率為89.22%,苯酚降解率為79.24%;3D-Y-CBER的硝酸氮去除率為79.27%,苯酚的降解率為90.29%。在保證出水硝酸氮的去除效果前提下,3D-Y-CBER較3D-T-CBER的微量有機物去除效果較好,是復式三維生物膜電極反應器的最佳形式。(2)3D-CBER的主要影響因素為水力停留時間(HRT)、電流強度、進水硝酸氮濃度和進水pH。實驗結(jié)果顯示隨著HRT的延長,微污染水中硝酸氮和有機物(苯酚)的去除效果都相應提高。當HRT為12 h時,3D-T-CBER對硝酸氮的去除率達85.6%,對苯酚的降解率為74.64%;3D-Y-CBER對硝酸氮的去除率達81%,對苯酚的降解率達90%,表明3D-Y-CBER更有利于同時發(fā)揮陽極和陰極的電化學作用。電流強度的影響實驗結(jié)果顯示,當電流強度為40 mA時,3D-T-CBER對硝酸氮去除率達87.52%,苯酚降解率達75.27%;3D-Y-CBER對硝酸氮去除率達79%,苯酚降解率達90.64%,表明電流強度對陽極氧化效果具有更明顯的促進作用。進水硝酸氮濃度也是一個主要影響因素,當進水硝酸氮濃度為20 mg/L時,3D-T-CBER對硝酸氮的去除率達86.61%;3D-Y-CBER對硝酸氮的去除率達82.1%。進水pH值對氫自養(yǎng)反硝化菌的活性和電極發(fā)生反應有較大影響,進水呈中性或弱堿性環(huán)境更有利于復式反應器對硝酸氮和苯酚的去除。(3)通過響應面實驗得出,四個影響因素對3D-T-CBER和3D-Y-CBER中硝酸氮去除率的影響程度均為:電流強度HRT進水硝酸氮濃度進水pH;對苯酚降解率的影響程度均為:電流強度HRT進水pH進水硝酸氮濃度。3D-T-CBER去除微污染地下水中硝酸氮的最佳工況:HRT為10.88 h,電流強度為41.70 mA,進水pH為7.41,進水硝酸氮濃度為29.57 mg/L;去除苯酚的最佳工況:HRT為11.09 h,電流強度為35.38 mA,進水pH為7.06,進水硝酸氮濃度為28.35 mg/L。3D-Y-CBER去除硝酸氮的最佳工況:HRT為9.44 h,電流強度為39.68 mA,進水pH為7.11,進水硝酸氮濃度為21.61 mg/L;去除苯酚的最佳工況:HRT為10.98 h,電流強度為41.47 mA,進水pH為6.51,進水硝酸氮濃度為29.06 mg/L。研究結(jié)果顯示,新構(gòu)建的復式三維生物膜電極反應器可以同時去除地下水中的硝酸氮和微量有機物,且不會造成亞硝氮和氨氮在反應器內(nèi)的過量積累,是一種高效的處理微污染地下水的新型反應器,為解決地下水中同時含有硝酸氮和微量有機物的復合型污染問題提供了一種解決途徑。
【圖文】：

1.1.1 地下水中硝酸氮的來源及危害硝酸氮污染是地下水中最普遍和最嚴重的一個問題，為地下水的主要污染物。硝酸氮污染主要來源于地表污廢水和固體廢棄物填埋場滲濾液的下滲以及化糞池或污水管道的滲漏和污水灌溉等人類活動，也包括大氣沉降等自然現(xiàn)象[9]。當?shù)叵滤邢跛岬砍瑯藭r，人體攝入后會在唾液、胃、腸道里經(jīng)過硝酸氮還原菌的作用將硝酸氮還原為亞硝酸氮，而亞硝酸氮會與血液中血紅蛋白結(jié)合形成高鐵血紅蛋白，當血液中高鐵血紅素含量超過 70%時[10]，，就會引起高鐵血紅蛋白癥，嚴重時會威脅到人的生命健康。另外，如果人體長期攝入一定量的硝酸氮或亞硝酸氮，還會造成智力下降[11]，聽覺和視覺的條件反射變得較遲鈍[12]。此外，亞硝酸氮還會與人體內(nèi)的含氮有機物如氰胺、酰胺發(fā)生反應，生成具有強化學穩(wěn)定性的亞硝基化合物，這類化合物具有致畸、致癌的特性，會增加人體各種癌癥疾病發(fā)生的幾率[13-14]。下圖 1-1 所示為硝酸鹽在人體中的轉(zhuǎn)化示意圖。

平板式反應器 圓環(huán)式反應器 多級式反應器 循環(huán)式反應器圖 3-1 常見三維生物膜電極反應器的結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3-1 Schematic diagram of three-dimensional biofilm electrode reactor shape3.2 復式三維生物膜電極反應器的構(gòu)建由 3.1 節(jié)可知，單級 3D-BER 在去除地下水硝酸氮的過程中，主要是利用陰極產(chǎn)氫，結(jié)合負載在陰極區(qū)的氫自養(yǎng)反硝化菌的生物作用來完成的，因此在以往3D-BER 結(jié)構(gòu)設計中通常多考慮陰極的形狀、面積和性能，陽極只起到構(gòu)建電場和產(chǎn)生具有緩沖性碳酸根的作用，對其材質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及氧化作用并沒有加以考慮。Zhou 等[40]在利用 BER 處理含硝酸氮的地下水時，嘗試采用了 Ti/PbO2的陽極，發(fā)現(xiàn)在去除硝酸氮的同時，對水中的有機物也有一定的去除效果。資料[41]則直接采用 BER 對有機污水進行了處理研究，得出了其應用可行性的結(jié)論，但此研究缺少了對硝酸氮的同步去除效果。針對實際受污染地下水中通常同時含有硝酸
【學位授予單位】：青島理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：X523

【參考文獻】

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本文編號：2709799