新疆污水处理阐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(pharmaceuticalandpersonalcareproducts,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(sulfurdenitrifyingbacteria,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。
1材料与方法
1.1试剂与仪器
(1)主要试剂:IBU(纯度>99%,Sigma-Aldrich);乙腈、甲醇和甲酸均为色谱纯(德国默克股份两合公司);其他试剂均为分析纯:硝酸钾、氯化镁(天津市福晨化学试剂厂),磷酸二氢钾,碳酸氢钠(天津市大茂化学试剂厂)硫化钠(广州市化学试剂厂);
(2)主要仪器:高效液相色谱仪(Ultimate3000,ThermoScientific),配有二极管阵列检测器(DAD);离子色谱仪(DIONEXICS-900,ThermoScientific)配有阴离子分析柱(IonpacAsII-HC)、电导检测器(ICAS23阴离子检测器)和抑制器(ASRS-4mm);UV2300Ⅱ紫外可见分光光度计(岛津);恒温磁力搅拌器(IKA,RCTbasic)。
1.2污泥来源及水质条件
实验污泥均来源于实验室培养800d左右的成熟SDB活性污泥,污泥氮硫负荷分别为0.33kgN·(m3·d)-1和0.62kgN·(m3·d)-1,脱氮效率保持在95%以上。
本研究含IBU废水均采用人工模拟废水,因易降解有机碳源的存在会抑制PPCPs的生物去除,所以本研究废水中不添加除IBU以外的有机碳源。废水主要成分为Na2S·9H2O(200mg·L-1),KNO3(93mg·L-1),KH2PO4(187.5mg·L-1),NaHCO3(125mg·L-1),MgCl2(112.5mg·L-1),进水pH控制在7.5±0.1,每天进水时投加适量的微量元素储备液。储备液成分为ZnSO40.5g·L-1,CaCl22g·L-1,MnCl2·4H2O2.5g·L-1,(NH4)6Mo7O24·4H2O0.5g·L-1,CuSO4·5H2O0.1g·L-1,CoCl2·6H2O0.5g·L-1,FeCl2·4H2O3.8g·L-1,浓HCl50mL·L-1。
1.3分析方法
IBU的浓度采用高效液相色谱检测,检测条件如下:色谱柱:AcclaimTM120C18(3×150μm,3μm),流动相A为乙腈,B为0.1%甲酸水溶液,A∶B=65∶35,流速0.3mL·min-1,柱温30℃,进样量25μL,UV检测波长为205nm。S2-反应前后的浓度采用亚甲蓝分光光度法检测。NO3-、PO4^3-、SO4^2-和NO2-反应前后的浓度采用离子色谱仪检测。
1.4硫自养反硝化工艺实验
1.4.1反应器装置
本研究采用的反应器如1所示。反应器由有机玻璃制成,内径50mm,有效高度555mm,有效容积1.08L,反应温度控制为室温。反应器系统包括进水系统、反应系统、内循环系统和出水系统,整个系统控制为缺氧状态。
1.4.2反应器启动与运行
反应器进水每天更换以保证水质不会有太大变化,并通过蠕动泵将其输送到反应器中与SDB污泥接触反应,出水以溢流的方式从出水管流出,水力停留时间(hydraulicretentiontime,HRT)控制为4h。为使SDB污泥与污水能更好地混合接触,提高传质效果,内循环流量设计为5Q。在反应器运行初始阶段,添加IBU到进水中,驯化系统中微生物以达到更好的去除效果,反应器在40d左右运行效果趋于稳定。
有研究表明,IBU在污水处理厂进水及医院出水中检出频率及浓度较高,其中在污水处理厂进水口IBU检出浓度最高达0.4~84.0μg·L-1,在医院出水中IBU检出浓度在10-2~103μg·L-1范围内。因此,本研究实验设计反应器共包括3组,1号反应器为低浓度实验组,以模拟生活污水,IBU进水浓度为100μg·L-1,浓度略高于实际生活污水IBU浓度水平;2号反应器为高浓度实验组,以模拟医院出水,IBU进水浓度为1000μg·L-1;研究指出当PPCPs浓度与污泥浓度的比值低于2×10-3时,PPCPs的生物转化动力学常数不受影响。3号反应器为未添加IBU的空白组。反应器的进出水水样定期进行采集,并用0.22μm的水相滤膜进行过滤,保存于4℃,24h内测样。
1.5批次实验
1.5.1吸附实验
准备适量的SDB活性污泥,在高压灭菌锅中121℃条件下灭菌30min,对污泥中的微生物进行灭活,考察灭活污泥对IBU的吸附作用。批次实验中,向锥形瓶(0.5L)内加入一定量沉降后的SDB灭活污泥(约50mL),使MLVSS控制为1.5g·L-1,随后加人工配水至500mL,最后加入适量的IBU储备液,使其浓度分别为0、100、500、1000和5000μg·L-1,使用封口膜隔绝空气,采用磁力搅拌进行搅拌(室温,200r·min-1),反应进行6d。每隔一定时间取上清液,并用0.22μm的水相滤膜过滤到样品瓶中,将样品保存在4℃的冷库中于24h内测样。比较不同IBU浓度下,SDB污泥对IBU的吸附。同时设置空白对照组,每组实验均设置3个平行。
1.5.2生物降解实验
为考察SDB活性污泥对IBU的生物降解作用,实验采用未灭活的SDB活性污泥来进行研究。其他实验操作同上述吸附实验。
2结果与分析
2.1反应器运行效果
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=7.5g·L-1,VSS/SS=0.4。反应器系统稳定运行120d,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。欢迎了解更多关于乌鲁木齐水处理设备与新疆水处理设备公司的相关信息，欢迎前来了解咨询。