利用玉米秸秆原位修复地下水硝酸盐污染的方法.pdf

利用玉米秸秆原位修复地下水硝酸盐污染的方法，其特征是在硝酸盐污染的地下水中，以玉米秸秆或/和玉米秸秆水解液作为反硝化碳源，添加富含反硝化细菌菌群的菌群富集液，通过生物反硝化去除地下水中的硝态氮。本发明方法一方面使生物质玉米秸秆得到无害化的利用，另一方面有效消除地下水硝酸盐污染。

1、  利用玉米秸秆原位修复地下水硝酸盐污染的方法，其特征是在硝酸盐污染的地下水中，以玉米秸秆或/和玉米秸秆水解液作为反硝化碳源，添加富含反硝化细菌菌群的菌群富集液，通过生物反硝化去除地下水中的硝态氮。

2、  根据权利要求1所述的方法，其特征是在所述硝酸盐污染的地下水的来水或/和出水的路径上，所述以玉米秸秆作碳源是设置玉米秸秆生物反硝化墙。

3、  根据权利要求1所述的方法，其特征是所述玉米秸秆水解液是利用纤维素酶，将经过预处理的玉米秸秆水解成葡萄糖或/和其它单糖；所述玉米秸秆的预处理方法为蒸汽爆破法、湿氧化法，或用稀酸、稀碱、氨水对玉米秸秆的化学预处理法。

4、  根据权利要求1所述的方法，其特征是所述玉米秸秆水解液和菌群富集液的添加方法是，在地下水硝酸盐污染区域钻井或孔，向所述井或孔中灌注玉米秸秆水解液和菌群富集液；或者抽出硝酸盐污染的地下水，将所述玉米秸秆水解液和菌群富集液与抽出的地下水混合后再灌回。

5、  根据权利要求1所述的方法，其特征是在所述硝酸盐污染的地下水的来水或/和出水的路径上，分别设置或者同时设置生化处理池，所述生物反硝化在生化处理池中进行。

6、  根据权利要求1所述的方法，其特征是在浅层地下水和地表水的来水或/和出水的路径上挖掘沟壕，所述生物反硝化在沟壕内进行。

7、  根据权利要求4、5或6所述的方法，其特征是首次添加菌群富集液时，维持水中反硝化细菌菌群浓度为10²～10⁵个/ml，添加的玉米秸秆水解液以葡萄糖含碳量计与水中硝酸盐氮含量的摩尔比C/N为1～5，同时调整玉米秸秆水解液的pH值为7.2～7.5。

8、  根据权利要求1所述的方法，其特征是菌群富集液是来自于自然环境中的富含反硝化细菌菌群的湿地土壤，江、河、湖、沟、塘的淤泥，垃圾填埋场的渗滤液、污泥，或是污水处理厂的污水、污泥中的一种或两种以上混合物质。

利用玉米秸秆原位修复地下水硝酸盐污染的方法
技术领域
本发明涉及一种污染物的修复方法，特别涉及一种硝酸盐污染地下水的原位修复方法，确切地说是一种利用玉米秸秆或/和玉米秸秆水解液和反硝化细菌菌群去除和预防地下水硝酸盐污染的方法。
背景技术
地下水中硝酸盐的污染自20世纪60年代以来日趋严重，由于其性质稳定、溶解度高，随地下水运移，成为当前世界上许多地区(尤其是湖泊流域)地下水污染最普遍的环境因子。农业化肥的过量使用、工业污水排放量剧增及农田大面积污灌，导致地下水中的硝酸盐污染严重。
地下水中的大量硝酸盐对人类和动植物健康有害，人体摄入的硝酸盐绝大部分来自蔬菜和饮用水，高浓度NO₃^-的摄取会严重影响人类健康，如婴儿的高铁血红蛋白、蓝色婴儿综合症，甚至致癌。
控制地下水硝酸盐污染是一个迫切问题，生物反硝化作用因NO₃^-可被反硝化细菌转变为NO₂^-、NO、N₂O直至N₂，而产生的废物通常只是生物固体，因其简单、选择性好和经济有效而比其它方法更具有环境和经济上的优点。
反硝化细菌是进行反硝化作用的微生物，可以从自然环境中分离出来。大多数异养的反硝化细菌需要提供足量的有机碳才能够完成生物反硝化作用，而地下水中通常缺乏有机碳，这就需要提供外加碳源，目前使用的碳源有液体碳源，包括甲醇、乙醇、葡萄糖、蔗糖、乙酸盐等，也有固体碳源，如麦秸、稻草、棉花、报纸及树皮等。面对需要治理的几乎是无限量的硝酸盐污染地下水，投加的液体碳源容易因过量而产生二次污染，并且费用几乎是无底洞；而固体碳源缺乏流动性，并且其主要成分是难以被反硝化细菌直接利用的纤维素、半纤维素和木质素等，不能够大面积修复地下水硝酸盐污染。
在地下水硝酸盐污染严重地区，垃圾填埋场的污水渗漏、过量使用化肥和农田污灌，其硝酸盐污染缘于地下水系，包括由地表渗入，包括流入和流出；工业含氮污水沿沟渠排放，其硝酸盐缘于地表水，也包括流入和流出。流入是指将要流经污染地区的来水；流出是指经过污染地区的出水，出水就是硝酸盐污染的地下水。
玉米在北方地区是主要的秋季农作物，传统是采用露天焚烧处理玉米秸秆，这种方法污染大气环境，因焚烧破坏了农田的土壤微生物菌群，同时也是生物质能源的浪费。
发明内容
本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种经济实用、效果好的利用玉米秸秆原位修复地下水硝酸盐污染的方法，一方面使生物质玉米秸秆得到无害化的利用，另一方面有效消除地下水硝酸盐污染。
本发明解决技术问题采用如下技术方案：
本发明利用玉米秸秆原位修复地下水硝酸盐污染的方法的特点是在硝酸盐污染的地下水中，以玉米秸秆或/和玉米秸秆水解液作为反硝化碳源，添加富含反硝化细菌菌群的菌群富集液，通过生物反硝化去除地下水中的硝态氮。
本发明方法的特点也在于：
在所述硝酸盐污染的地下水的来水或/和出水的路径上，所述以玉米秸秆作碳源是设置玉米秸秆生物反硝化墙。
所述玉米秸秆水解液是利用纤维素酶，将经过预处理的玉米秸秆水解成葡萄糖或/和其它单糖；所述玉米秸秆的预处理方法为蒸汽爆破法、湿氧化法，或用稀酸、稀碱、氨水对玉米秸秆的化学预处理法。
所述玉米秸秆水解液和菌群富集液的添加方法是，在地下水硝酸盐污染区域钻井或孔，向所述井或孔中灌注玉米秸秆水解液和菌群富集液；或者抽出硝酸盐污染的地下水，将所述玉米秸秆水解液和菌群富集液与抽出的地下水混合后再灌回。
在所述硝酸盐污染的地下水的来水或/和出水的路径上，分别设置或者同时设置生化处理池，所述生物反硝化在生化处理池中进行。
在浅层地下水和地表水的来水或/和出水的路径上挖掘沟壕，所述生物反硝化在沟壕内进行。
首次添加菌群富集液时，维持水中反硝化细菌菌群浓度为10²～10⁵个/ml，添加的玉米秸秆水解液以葡萄糖含碳量计与水中硝酸盐氮含量的摩尔比C/N为1～5，同时调整玉米秸秆水解液的pH值为7.2～7.5。
菌群富集液是来自于自然环境中的富含反硝化细菌菌群的湿地土壤，江、河、湖、沟、塘的淤泥，垃圾填埋场的渗滤液、污泥，或是污水处理厂的污水、污泥中的一种或两种以上混合物质。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明利用玉米秸秆为来自自然环境的反硝化细菌菌群提供碳源进而实现原位修复地下水硝酸盐污染的发明目的，添加碳源和反硝化细菌菌群一周左右即可将水中硝态氮含量从50mg/L左右降低到10mg/L以下，同时水中的COD、亚硝酸盐氮、色度及反硝化菌群数量均能够达到地下水质量标准。
2、本发明方法所使用的是来源广泛而廉价的玉米秸秆，通过生物转化的方法使玉米秸秆的纤维素、半纤维素和木质素水解为细菌易于利用的营养物质，不仅避免了露天焚烧秸秆的环境污染问题，也解决了生物质能源的综合利用问题。
3、本发明采用选自湿地泥、江、河、湖、沟、塘的淤泥、垃圾填埋场的渗滤液、污泥、污水处理厂的污水、污泥等厌氧环境物质中含有的反硝化细菌菌群的富集液作为添加的微生物，这些微生物来源于自然环境，当所添加的碳源消耗完后，菌群随之衰亡，利于保持环境的微生物生态平衡。
4、本发明可以采用富含有机碳、氮、磷的废水如食品厂、糖果厂、味精厂、乳制品厂、纸浆厂等排放的废水配制作为反硝化细菌富集培养基，也解决了这些领域的废水问题。
附图说明
图1为本发明方法在不同水流速度下玉米秸秆生物反硝化墙修复硝酸盐污染的情况。
图2为本发明方法中玉米秸秆生物硝化墙对水中亚硝酸盐含量的影响。
以下通过具体实施例，对本发明作进一步说明：
具体实施方式
本发明的具体实施是在硝酸盐污染的地下水中，以玉米秸秆或/和玉米秸秆水解液作为反硝化碳源，添加富含反硝化细菌菌群的菌群富集液，通过生物反硝化去除地下水中的硝态氮。
具体实施中，以玉米秸秆作碳源是在硝酸盐污染的地下水的来水或/和出水的路径上，用玉米秸秆构筑透水的生物反硝化墙，是将玉米秸秆切成长度为5cm以下的碎块，其与含水层砂土混合，同时添加纤维素酶，并与富含反硝化细菌菌群的菌群富集液混匀，制成玉米秸秆生物反应墙，这其中：
玉米秸秆碎块与含水层砂土按重量比的混合用料为2～4∶6～8；
每克干秸秆所需添加的纤维素酶的用量为25-30U；
接种量为1％-3％，即每百克干秸秆接种反硝化菌群富集液1-3ml，富集菌液浓度在10⁴～10⁷数量级之间。
玉米秸秆水解液是按常规技术利用纤维素酶，将经过预处理的玉米秸秆水解成葡萄糖或/和其它单糖，水解过程中每克秸秆需要25-30U纤维素酶。
在玉米秸秆中含有较多的聚葡萄糖和聚木糖-阿拉伯糖-葡萄醛酸，但被包裹在半纤维素和木质素之中，其晶体结构很难被降解，阻碍了酶和酸对纤维素的作用，因此必须对玉米秸秆原料进行预处理，玉米秸秆预处理的方法可以是蒸汽爆破法、湿氧化法，或用稀酸、稀碱、氨水对玉米秸秆的化学预处理法。通过蒸汽爆破或湿氧化或用化学法的稀酸、稀碱或氨水等预处理之后，解除玉米秸秆中木质素对纤维素的包裹，从而把纤维素暴露出来，有利酶水解，获得较多的可发酵性糖，即葡萄糖或/和其它单糖，容易为微生物直接利用。秸秆水解液流动性好，可随地下水流动而深入，反硝化作用范围广，使地下水硝酸盐污染原位修复获得好的效果。
针对不同的环境，玉米秸秆水解液和菌群富集液的添加方法可以为以下几种：
1、在地下水硝酸盐污染区域钻井或孔，向井或孔中灌注玉米秸秆水解液和菌群富集液；或者抽出硝酸盐污染的地下水，将玉米秸秆水解液和菌群富集液与抽出的地下水混合后再灌回。
2、在硝酸盐污染的地下水的来水或/和出水的路径上，分别设置或者同时设置生化处理池，生物反硝化在生化处理池中进行，该生化处理池相当于构建了一块人工湿地。
3、在浅层地下水和地表水的来水或/和出水的路径上挖掘沟壕，生物反硝化在沟壕内进行。
上述三种添加方式中，首次添加菌群富集液时，应维持水中反硝化细菌菌群浓度为10²～10⁵个/ml，添加的玉米秸秆水解液以葡萄糖含碳量计与水中硝酸盐氮含量的摩尔比C/N为1～5，同时调整玉米秸秆水解液的pH值为7.2～7.5，使水体的反硝化体系的pH处于6.5-7.5。在运行过程中以使最后流出硝酸盐污染地区的地下水中的硝酸盐氮含量降低到国际饮用水标准，即10mg/L以下，从而确定最佳菌群浓度及玉米水解液的用量。
具体实施中，菌群富集液取自于自然环境中的富含反硝化细菌菌群的湿地土壤，江、河、湖、沟、塘的淤泥，垃圾填埋场的渗滤液、污泥，或是污水处理厂的污水、污泥中的一种或两种以上混合物质。
反硝化细菌是异养厌氧的，如湿地泥、江、河、湖、沟、塘的淤泥、垃圾填埋场的渗滤液、污泥、污水处理厂的污水、污泥等厌氧环境物质中都含有异养的反硝化细菌。在厌氧的条件下以NO_x-N为电子受体，以有机碳为电子供体，反硝化细菌利用玉米秸秆作为生物反硝化的碳源，在无氧或缺氧条件下，利用硝酸盐作为呼吸链的最终受体，把它还原成亚硝酸、NO、N₂O直至N₂的过程，称为硝酸盐呼吸或反硝化作用。在这个过程中NO₃^-或NO₂^-代替氧作为末端电子受体，并且产生ATP。当电子从供体转移到受体时，微生物获得能量，用于合成新的细胞物质和维持现有细胞的生命活动。
反硝化作用历程为：NO₃^-→NO₂^-→NO→N₂O→N₂
NO₃^-+5[H](有机电子供体)→1/2N₂+2H₂O+OH^-
NO₂^-+3[H](有机电子供体)→1/2N₂+2H₂O+OH^-
注：[H]可以是任何能提供电子，且能还原NO₃^-、NO₂^-为N₂的物质，包括有机物、硫化物、H⁺等。
反硝化作用最终以硝酸盐氮被还原成NO、N₂O和N₂从水中去除，其中亚硝酸呼吸是脱氮的中心，其前后都可以增、减其它反应。
具体实施中，利用电磁勘探(Electro Magnetic，简称EM)等，可以清楚地探明流经硝酸盐污染地区的地下水系的分布和走向，即来水和出水的分布、走向。
富集细菌的培养液除了公知公用的富含碳、氮、磷的化学试剂配方外，还可以用富含有机碳、氮、磷的废水配制，如食品厂、糖果厂、味精厂、乳制品厂、纸浆厂等排放的废水配制。
实施例：
以硝酸盐污染严重的农田区为例，该农田区有地表、地下水系，上游来水有来自居民区的生活污水，有多个地表流入口；旁边有工业含氮废水排放的沟渠，由地表渗入农田，由于过量使用氮肥与污灌，该农田区域地下水中硝酸盐氮含量在30-70mg/L之间，高于我国三类水标准20mg/L；下游是湖泊，农田地下水系通过地下补给湖泊。
原位生物修复地下水按照如下步骤进行：
1、对农田区地下水系硝酸盐污染的原位修复方法：
a、用电磁勘探(EMlectromagnetic Survey，EM)技术进行现场勘探，确定该农田区来水和出水的分布与走向。并根据其范围(长、宽、深度)计算出该区地下水的总水量V。
b、现场水样采集，实验室分析来水和出水中的硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、COD、溶解的总有机碳含量(TOC)、色度、反硝化细菌菌群的浓度与活性。测试采用常规的化学和生物分析法。
测定硝酸盐氮、COD、溶解的总有机碳含量(TOC)旨在根据C/N计算确定添加多少玉米秸秆水解液，例如计算结果需要添加1000kg的溶解的总有机碳作为反硝化作用碳源，而纤维素酶水解得到的玉米水解液中溶解的有机碳(以葡萄糖计)含量为6～8g/L，则应该添加的玉米水解液总量为1000*180/72/(6～8)＝312.5～416.7m³。其余类推。
测定反硝化细菌菌群的浓度与活性旨在确定第一次要添加多少反硝化细菌菌群的富集液，使反硝化细菌菌群浓度满足10²～10⁵个/ml。
c、在农田区根据电磁勘探得知的来水和出水的走向，选4～8个点采用常规钻井或更简便的高压地质直接钻孔。
根据水量和水样分析数据确定添加纯化的高效反硝化细菌富集液或/和含反硝化细菌菌群的环境物质富集液及上述玉米秸秆水解液的量，用加压注入法向孔(井)中注入纯化的高效反硝化细菌富集液或/和含反硝化细菌菌群的环境物质富集液及上述玉米秸秆水解液，使反硝化细菌浓度达到10²-10⁵个/ml，C/N在1～5之间。或者抽出地下水，混合纯化的高效反硝化细菌富集液或/和含反硝化细菌菌群的环境物质富集液及上述秸秆水解液，使反硝化细菌浓度达到10²-10⁵个/ml，C/N在1～5之间后再加压灌回孔(井)中。
随机取样分析处理后的硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、COD值、色度及pH值，使各项指标达到国家地下水质量标准。
2、对沟渠排放污水入渗农田的引起的浅表地下水系修复：
a、用电磁勘探(EMlectromagnetic Survey，EM)技术进行现场勘探，确定该农田区来水和出水的分布与走向。并根据其范围(长、宽、深度)计算出该区地下水的总水量V。
b、现场水样采集，实验室分析来水和出水中的硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、COD、溶解的总有机碳含量(TOC)、色度、反硝化细菌菌群的浓度与活性。测试采用常规的化学和生物分析法。
测定硝酸盐氮、COD、溶解的总有机碳含量(TOC)旨在根据C/N计算确定添加多少玉米秸秆水解液，例如计算结果需要添加1000kg的溶解的总有机碳作为反硝化作用碳源，而纤维素酶水解得到的玉米水解液中溶解的有机碳(以葡萄糖计)含量为6～8g/L，则应该添加的玉米水解液总量为1000*180/72/(6～8)＝312.5～416.7m³。其余类推。
测定反硝化细菌菌群的浓度与活性旨在确定第一次要添加多少反硝化细菌菌群的富集液，使反硝化细菌菌群浓度满足10²～10⁵个/ml。
c、对工业排放含氮废水的沟渠由地表渗入农田，可在距来水20～30米处挖掘沟壕，向沟壕内填装由纯化的高效反硝化细菌或/和富集含反硝化细菌菌群的环境物质及上述玉米秸秆水解液，使反硝化细菌浓度达到10²-10⁵个/ml，C/N在1～5之间。
随机取样分析处理后的硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、COD值、色度及pH值，使各项指标达到国家地下水质量标准。
3、对硝酸盐污染严重农田区的地下水系修复
a、用电磁勘探(EMlectromagnetic Survey，EM)技术进行现场勘探，确定该农田区来水和出水的分布与走向。并根据其范围(长、宽、深度)计算出该区地下水的总水量V。
b、现场水样采集，实验室分析来水和出水中的硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、COD、溶解的总有机碳含量(TOC)、色度、反硝化细菌菌群的浓度与活性。测试采用常规的化学和生物分析法。
测定硝酸盐氮、COD、溶解的总有机碳含量(TOC)旨在根据C/N计算确定添加多少玉米秸秆水解液，例如计算结果需要添加1000kg的溶解的总有机碳作为反硝化作用碳源，而纤维素酶水解得到的玉米水解液中溶解的有机碳(以葡萄糖计)含量为6～8g/L，则应该添加的玉米水解液总量为1000*180/72/(6～8)＝312.5～416.7m³。其余类推。
测定反硝化细菌菌群的浓度与活性旨在确定第一次要添加多少反硝化细菌菌群的富集液，使反硝化细菌菌群浓度满足10²～10⁵个/ml。
c、在地下水硝酸盐污染严重农田区的来水或/和出水的路径上，分别设置或者同时设置玉米秸秆反应墙，向其中添加纤维素酶或接种纤维素酶产生菌，并分别添加或者同时添加由含反硝化细菌菌群的环境物质富集液或/和纯化的反硝化细菌富集液，使反硝化细菌浓度达到10²-10⁵个/ml，C/N在1～5之间；或分别设置或者同时设置由纯化的高效反硝化细菌或/和富集含反硝化细菌菌群的环境物质及上述玉米秸秆水解液组成的生化处理池，使反硝化细菌浓度达到10²-10⁵个/ml，C/N在1～5之间。
随机取样分析处理后的硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、COD值、色度及pH值，使各项指标达到国家地下水质量标准。
下面通过模拟地下水硝酸盐污染严重的农田区出水路径上设置玉米秸秆反应墙实验：
1、出水中硝态氮的去除情况，在不同水流速度情况下，进水硝酸盐氮含量为50mg/L，依次经过60-70cm的砂土层和10cm厚的玉米秸秆反应墙之后，出水中硝酸盐氮的含量随时间的变化如图1所示。
一般地下水水流速度为每天几十厘米，实验结果表明添加的反硝化细菌菌群浓度在10²-10⁵个/ml之间时，设置的玉米秸秆反应墙只有10cm厚度，经过120h即将水中硝酸盐氮含量由50mg/L降低到10以下，而且水流速度越慢去除效果越好，随时间的延长反硝化作用会持续，出水中硝酸盐浓度还会进一步降低。
2、出水中亚硝酸盐的变化情况，经过玉米秸秆反应墙的生物反硝化作用后，出水中亚硝酸盐氮含量随水流速度的变化如图2所示。
由图2可知，来自自然环境的反硝化细菌菌群能够利用玉米秸秆作碳源进行生物反硝化作用，出水中开始一段时间(24-48h)有亚硝酸盐氮的积累，随着反硝化作用的进行，亚硝酸盐氮被消除，在120h后亚硝酸盐氮基本完全消除，在水流速度较高(40cm/d)时也可达到饮用水质量标准，水流速度越慢则最终出水水质越好。
3、出水中反硝化细菌菌群的生长情况，向玉米秸秆反应墙添加反硝化细菌菌群富集液后，用酒石酸钾钠反硝化细菌培养基，在20cm/d的水流速度下，采用梯度稀释平皿法测定出水中反硝化细菌菌群数量，结果如表1所示。
表1反应墙出水中反硝化菌群数量

由表1可见，反硝化细菌菌群在接种后24-48 h生长迅速，48 h达到数量的稳定，到96h后进入衰亡期，数量迅速减少。当碳源消耗完后，水中缺乏细菌生长的营养物质，其数量还会大幅度减少。另外地下水系与土壤有着复杂的微生物生态环境，菌群之间存在相互竞争，加上反硝化细菌菌群的生长周期短，因此只要延长时间，所添加的反硝化细菌菌群会减少到自然水平，不会因此造成地下水的细菌污染。
4、其它如COD、色度和pH值通过实验检测结果均能够达到地下水质量标准。