概述水中有机微污染物去除工艺
随着中国工业化和城镇化的不断发展,污染物的来源和种类变得非常复杂,当前环境污染问题已不仅仅只关注COD、N 和P 等综合污染指标 。药物和个人护理品(pharmaceutical and personal care products,PPCPs)等新型微污染物引起了人们的关注。其中,布洛芬(ibuprofen, IBU)为我国医用常见的消炎镇痛药,近年来在水体环境中被频繁地检出 ,其被认为是我国环境风险最高和最需优先控制的PPCPs 之一 ,此类新型微污染物对水体COD 的贡献微小,但往往会造成极大的潜在危害。
目前,PPCPs 的处理方法主要有膜处理技术、吸附法、高级氧化法 和生物法四大类及其组合工艺。其中,膜处理技术和吸附法仅发生相与相之间的转移,均不能完全去除污染物质,含截获PPCPs 的滤膜、吸附剂和浓缩水仍需进一步处置 。高级氧化法虽能够彻底氧化污染物质,但有应用成本高、处理水量少的缺陷,难以应用在大规模的市政污水中;其次高级氧化法具物质选择性,并不是所有污染物质都能被氧化去除。部分PPCPs 在高级氧化降解过程中甚至会生成毒性更强的中间产物 ,若工艺操作不当,则会带来更严重的危害。然而,生物法具有处理水量大、应用成本低的优势,具有明显的可持续发展性。但研究表明,传统生物法对PPCPs 的处理效果较差,且存在剩余污泥产量大,物耗能耗高等问题。因此,开发新型的高效低耗脱除有机微污染物的技术已成为亟待解决的问题。
基于上述问题, 本研究提出了新型的硫自养反硝化生物技术,该工艺以硫自养反硝化菌(sulfur denitrifyingbacteria, SDB)为主要功能菌群,在缺氧条件下以无机硫化物为电子供体,进行化能自养脱氮,能够同时去除硫化物和硝酸盐污染物 ,无需曝气、操作运行简单,动力消耗少。此外,SDB 为自养菌,相对于异养反硝化菌,更易于捕获微量有机污染物并有效加以利用,同时研究表明,微量有机物的存在会提高反硝化菌的反硝化脱氮效率 ,且由于SDB 是低污泥产率菌群 ,剩余污泥产率较低,同时为工艺提供了更长的污泥龄(SRT),进而提高PPCPs 的处理效率。本研究将利用硫自养反硝化工艺处理含IBU 废水,探讨SDB 对IBU 的处理能力,考察其工艺运行特性,并初步研究布洛芬去除机理,为利用该工艺去除水中有机微污染物提供理论基础。
为保证反应器在稳定条件下运行,对反应器运行效果进行长期监测,每周取3 次样,对NO3- 、NO2- 、S2 - 、SO4^2- 、S0 及污泥浓度进行长期监测。3 个反应器污泥浓度为MLSS = 7. 5 g·L - 1 ,VSS/ SS = 0. 4。反应器系统稳定运行120 d,反应器进出水各硫氮物质的运行效果如表1 所示。其中,3 号反应器为未添加IBU的空白组,其出水中NO3- 含量最高,NO3- 去除效率平均低于20% ,脱氮效率较低。而1 号和2 号反应器均为添加IBU 的实验组,其反硝化脱氮效果均优于3 号反应器,NO3- 去除效率达到70% ~ 80% 。3 个反应器均没有NO2- 的积累,且出水中均不存在硫化物,硫化物转化率为100% 。硫化物在系统中的转化途径为:S2 - →S0 →SO4^2- 。3 个反应器出水中SO4^2- 浓度如表1 所示,且多余的硫化物被氧化成了硫单质(没有检测出S2O3^2- 、SO3^2- 等中间产物,故根据质量守恒可计算出出水中硫单质浓度)。3 号反应器为未添加IBU 的空白组,S2 - 为反应器系统中唯一的电子供体。从表1 可以看出,3 个反应器进水中65% 左右的S2 -被完全氧化成了SO4^2- ,35% 左右的S2 - 被氧化成了S0 。在3 个反应系统的反硝化过程中,硫化物作为电子供体,提供的电子数量是相当的。而1 号、2 号和3 号反应系统中,参与到反硝化过程的NO3- 分别为79% 、60% 和17% 左右。在硫化物提供相同数量的电子条件下,1 号和2 号反应器中被还原的NO3- 数量明显多于3 号反应器。因此推测,在1 号和2 号反应器中,IBU 可为自养反硝化反应提供电子供体,促进反硝化脱氮效率。
灭活污泥对IBU 的吸附量在增加, 在24 h 时,吸附达到平衡,IBU 的吸附量达到最高,不同IBU 的初始浓度100、500、1 000 和5 000 μg·L - 1 对应最大吸附量分别为9. 3、47. 0、135. 6 和520. 5 μg · ( gMLSS) - 1 。可见,随着IBU 初始浓度增加,单位吸附量随之增加,这是由于浓度梯度变大提高了反应驱动力,克服了传质阻力,使IBU 和生物细胞之间的碰撞几率增加,从而提高吸附量。而随着实验的进行,经历短暂的吸附平衡(24 ~ 40 h),在40 h 后,IBU 又发生解吸过程,且IBU 起始浓度越大解吸过程越明显,在72 h 达到吸附解吸平衡。平衡时,SDB 灭活污泥对IBU 的吸附去除率分别为21. 7% 、17. 0% 、29. 9% 和14. 8% ,单位吸附量分别为4. 4、16. 9、71. 3 和140. 9 μg·(g MLSS) - 1 。可见,SDB 灭活污泥对不同浓度的IBU 去除效果较差,去除率均< 30% 。BENIOT 等在死体/ 活体生物吸附有机物的研究中发现,惰性吸附主要是发生在生物细胞表面上的快速吸附,且该过程是可逆的。在本研究中惰性吸附随着时间的延长,吸附在生物表面的污染物质会发生解吸,且到一定时间,吸附率与解吸率一致,从而达到吸附平衡状态。欢迎了解更多关于与的相关信息，欢迎前来了解咨询。