耦合吸附与同步硝化反硝化的渗透性反应屏障沸石单元厚度优化计算方法及其在垃圾渗滤液污染地下水修复中的应用

针对垃圾渗滤液污染地下水中NH4+-N去除难题，研究人员通过耦合沸石吸附与同步硝化反硝化(SND)技术，优化了渗透性反应屏障(PRB)沸石单元厚度计算方法。实验表明，该体系在123个孔隙体积(PVs)运行周期内对NH4+-N和总氮(TN)去除率达99%，并通过整合生物硝化速率常数与沸石平衡吸附容量，建立了动态预测模型，为PRB长期运行效能评估提供了新思路。

　　

垃圾渗滤液污染的地下水治理一直是环境工程领域的重大挑战，其中铵态氮(NH₄⁺-N)因其毒性和迁移性成为核心污染物。传统渗透性反应屏障(PRB)技术虽能通过沸石吸附实现初期高效去除，但吸附饱和后性能急剧下降，且缺乏对生物过程与吸附协同作用的量化评估。更棘手的是，地下环境低温、低溶解氧(DO)和碳源匮乏的特性，严重制约了生物硝化反硝化效率。如何精确计算沸石单元厚度以平衡吸附容量与生物再生能力，成为延长PRB寿命的关键科学问题。

哈尔滨某研究团队在《Environmental Technology》发表的研究中，创新性地将纳米曝气供氧与外源碳源添加相结合，构建了串联柱实验系统（好氧柱-I/II+反硝化柱），通过123个孔隙体积(PVs)的动态实验揭示了NH_{4+-N的迁移转化规律。研究采用16S rRNA高通量测序解析功能基因分布，结合氮质量平衡模型量化了各反应过程的动力学参数，最终建立了整合生物硝化速率与沸石吸附容量的厚度优化算法。}

关键技术方法包括：1）串联有机玻璃柱模拟PRB三维流场，设置多点采样端口监测氮形态转化；2）纳米曝气维持DO在6.0-9.6 mg/L促进硝化；3）杨树皮作为固体碳源提升反硝化效率；4）UV分光光度法测定NH₄⁺-N/NO₃^--N/NO₂^--N浓度；5）基于16S rRNA预测amo/hao/nar/nap等功能基因丰度。

【水化学条件变化】实验数据显示，系统出水NH₄⁺-N始终低于0.5 mg/L，TN去除率99%。好氧柱-I中DO>3 mg/L区域硝化占优，而5-30 cm处因局部低氧环境（DO 3.1-5.5 mg/L）和C/N比提升至2-3，出现同步硝化反硝化(SND)现象，这通过功能基因分析得到验证——水中nar/nap基因相对丰度高达62.15%，远超amo/hao基因的0.97%。

【反应动力学常数】通过一级动力学方程拟合，确定好氧柱-I中沸石吸附、硝化、反硝化速率常数分别为0.5213-0.7693 h^-1、0.0384-0.0858 h^-1和0.0032-0.0366 h^-1；反硝化柱因固体碳源补充，反硝化速率提升至0.1376-0.2233 h^-1。

【厚度优化模型】传统静态计算会高估沸石需求（10年周期需5.0 m厚度）。新模型动态整合生物硝化贡献，显示运行2年后硝化去除占比达90%，最终厚度仅需0.97 m。该模型通过微分方程关联饱和厚度T_i与运行时间N_i，其中关键参数t_i=T_i/v_p（v_p为渗透流速），ΔC=C_ini×(1-e^-k_nitt_i)量化硝化去除量。

这项研究的意义在于：1）首次实现PRB设计中生物过程与吸附容量的动态耦合，将沸石用量降低80.6%；2）证实局部SND可提升系统脱氮效率，为低C/N比废水处理提供新思路；3）建立的厚度-时间预测模型可指导PRB性能监控与再生时机判断。未来需进一步探究温度、pH等参数对k_nit的影响规律，以扩展模型适用性。该成果为地下水修复工程提供了兼具经济性与长效性的设计范式。