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本论文依托“十二五”国家水体污染控制与治理专项“淮河流域地表与地下水氮源补排及防控关键技术研究与示范(2012ZX07204-003)”课题,系统开展了以农业废弃物为基料的缓释碳源材料的研发与应用研究。该研究从十种备选农业废弃物中筛选出理想的碳源材料,并以此为基料研发出两种缓释碳源材料,将其作为地下水-地表水氮污染运移阻断渗透式反应墙(PRB)填充材料。同时,围绕代表性区域浅层地下水硝酸盐污染和环境地质特征,通过试验室小试、中试试验和野外PRB工程应用,论证了所研发的缓释碳源材料能够促进地下水环境发生预期的生物-化学耦合作用,有效去除硝酸盐污染。论文主要成果如下:(1)元素分析表明,十种农业废弃物均含有一定量的C、N、H元素,其中C元素含量最高,其值范围为36.02%～48.17%,不同材料C、N、H元素含量差异不大。甘蔗渣浸出液TOC浓度最高为38.66mg·g-1,质量比为39‰,显著低于C元素含量。其余材料TOC释放量均值范围为2.36～15.30mg·g-1,TOC释放量顺序由高到低分别为大豆秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆、稻壳、杨树枝、小麦秸秆、芦苇、玉米棒和木屑。优选上述农业废弃物进行长效浸提试验,结果表明各浸出液中TOC含量迅速升高达到峰值,并保持稳定,其浓度范围为4.59～19.46mg·g-1,且释放量高低顺序与短效浸出试验一致。(2)十种农业废弃物浸出液中硝酸盐氮释放量较低(<0.08mg·g-1);玉米秸秆亚硝酸盐氮释放量最高达0.12mg·g-1,其余均低于0.04mg·g-1,且未产生累积;氨氮浓度大部分低于0.3mg·g-1,玉米秸秆、大豆秸秆、水稻秸秆、芦苇、稻壳、甘蔗渣浸出液中凯氏氮浓度(0.81～1.65mg·g-1)高于杨树枝、玉米棒和木屑(<0.30mg·g-1)。对上述材料浸出碳源有机组成分析表明,浸出液中有机酸主要为甲酸、乙酸、草酸、富马酸等小分子有机酸、糖类主要为纤维二糖、葡萄糖、果糖和木糖。甘蔗渣浸出液中糖类物质浓度较高,玉米秸秆、稻壳和小麦秸秆中小分子有机酸浓度较高。综合评价各项指标,十种农业废弃物中甘蔗渣、玉米秸秆、稻壳、小麦秸秆、玉米棒、木屑是较理想的碳源材料。(3)对碳源材料、矿物材料及粘性材料进行了比选和优化,以小麦秸秆、玉米瓤和木屑为碳源材料,开展了缓释碳源材料的制作和性能研究。结果表明,缓释碳源材料内部呈均匀交联结构,外部呈渗透空隙结构,颗粒强度可达80～105N/颗。不同农业废弃物制作的缓释碳源材料TOC释放速率差异较小,均呈现平稳状态,且出水色度低,避免了原始农业废弃物初期迅速释放TOC和色度的问题;缓释碳源材料作为碳源时,其辐射半径可以达到1m左右,最优辐射范围在20cm之内。同时,高效液相色谱和气质联用质谱试验表明,材料浸出液含有葡萄糖、甲醇、乙酸等易于微生物代谢的小分子醇类和酸类物质。(4)根据研究区域浅层地下水氮赋存特征,构建生境调控-生物脱氮-物化协同原位修复技术工艺。应用该工艺开展中试研究,该试验运行370天,结果表明,运行期间硝酸盐氮进水浓度为27～55mg·L-1,模拟原位HRT为18-22d时,四种缓释碳源材料对硝酸盐氮的稳定去除率分别达到90.33%、87.19%、93.49%、98.79%,且具有良好的抗负荷冲击能力。在淮河流域旱作农业区构建了浅层地下水-地表水氮污染运移阻断渗透式反应墙(墙体宽度为1.2m,深度为6.5m,长度为140m),运行结果显示:在工程运行初期,含铁材料段硝酸盐去除率高于无铁材料段,工程运行10个月后,含铁材料段与无铁材料段硝酸盐去除率差异不大,可稳定达到60%以上,最高可达90%左右。