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《西安建筑科技大学》 2011年
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典型持久性有机污染物在城市污水处理过程中的迁移转化规律研究

刘俊建  
【摘要】:持久性有机污染物(POPs)作为具有高毒性、难降解性、生物蓄积性的有毒有害物质对生态环境、生物体及人类健康具有严重危害。随着现代石化产业的迅猛发展,石化产品的不完全燃烧、垃圾燃烧和塑料产品的大量使用,使POPs对环境的危害日益严重,而城市污水作为人们生活和生产过程中污染物排出(或排泄)的载体,集中了大量包括POPs在内的各类污染物质。在城市污水再生利用已成为必然趋势的情况下,回用水中可能残余的各种有毒有害物质尤其是POPs的健康和环境影响问题日益备受关注。因此,有必要系统性研究POPs在城市污水中POPs的存在水平以及在常规污水处理中的迁移转化规律。 本课题是国家自然科学基金重点项目(50838005)的部分研究内容,选择4类POPs—多环芳烃(PAHs)、邻苯二甲酸酯(PAEs)、多氯联苯(PCBs)和有机氯农药(OCPs)作为研究对象,针对西安市某污水处理厂的氧化沟处理工艺,开展了污水厂各阶段出水的长期水质监测,结合实验室试验,研究了典型POPs在污水二级生化处理过程中的迁移转化规律,建立了典型POPs去除的数学模型,通过模拟计算和理论分析,论述了POPs的去除作用机理。论文的主要工作和成果如下: (1)优化了污水中PAHs、PAEs、PCBs、OCPs的分析检测方法,通过GC-MS对4类POPs的44种标准样品进行了定性分析,确立了每类POPs的最佳色谱分离和质谱检测条件:对于16种PAHs和6种PAEs,宜通过GC-FID检测进行外标法定量分析;对于6种PCBs和16种OCPs,宜通过GC-ECD检测进行外标法定量分析。优化的GC-FID和GC-ECD检测法具有检测时间短(34.47min和26.62min)、色谱图分离效果好的特点。通过各种试样前处理条件比较,确立了实现4类POPs同时回收的固相萃取法,在优化的条件下,4类POPs的回收率均可达到70%以上。 (2)针对西安市某污水厂的氧化沟处理工艺,进行了为期1年的各工艺段出水的水质监测,结果表明,在进厂污水中主要监测到8种PAHs、5种PAEs、5种PCBs和5种OCPs,其中,PAEs浓度最高,为10~0~10~2μg/L量级,PAHs浓度次之,为100μg/L量级及以下,而PCBs和OCPs的浓度水平则在101ng/L量级及以下。氧化沟工艺对各种POPs均有明显的去除效果,多数POPs的去除率为50%~100%,且POPs的去除主要在生化处理单元完成,沉砂池和二沉池对POPs去除的作用不明显。 (3)选择进厂污水中检出浓度较高的萘(NAPT)、菲(PHEN)、芘(PYR)等3种PAHs,邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、邻苯二甲酸二-(2-乙基己基)酯(DEHP)等2种PAEs作为典型POPs,通过实验室试验研究了石英砂、高岭土和黄土等3种无机颗粒和实验室培养的活性污泥对典型POPs的吸附去除过程。吸附试验结果表明,无机颗粒对5种典型POPs的吸附符合Langumuir吸附等温式,且具有放热过程的特点,但吸附能力有限;而活性污泥对典型POPs的吸附符合Freundlich吸附等温式,且具有吸热过程的特点,吸附能力较无机颗粒高出1个数量级以上。无机颗粒对POPs的吸附呈单层吸附的特征,比表面积是影响其吸附能力的重要因素;而活性污泥的网状絮体构造使其对POPs的吸附具有多层吸附的特征,从而吸附能力增大。对于作为吸附质的典型POPs而言,其辛醇-水分配系数(lgk_(ow))直接影响其在颗粒上的吸附,lgk_(ow)大的POPs易于被吸附去除。 (4)根据污水二级生化处理的工艺特点,研究了污水厂中POPs去除的挥发作用、吸附作用和生物降解作用机理,建立了三种作用的定量计算方程式。各种典型POPs在三种作用下的去除均与其分子结构和物化参数有关,其中吸附作用下的去除取决于POPs在液固两相间的分配系数Kp,它与吸附等温式的参数密切相关,通过污水处理过程物料平衡关系分析,提出了基于上述三种作用的典型POPs去除量计算数学模型。以监测的污水厂为例确定了与污水处理工艺相关的计算参数,对三种作用去除的分析计算结果表明,挥发在各种POPs去除中的作用极小,可忽略不计;不同的POPs生化降解性不同,NAPT、DBP和PHEN的生化降解去除率分别为13.7%、3.5%和1.5%,而PYR和DEHP的生化降解去除率均在0.1%以下,说明吸附是POPs去除的主要作用机理。针对吸附作用建立了基于吸附分配系数Kp的POPs吸附去除率计算模型,在以氧化沟中活性污泥作为POPs吸附主体的条件下,计算结果表明POPs吸附去除率随K_p值增大而增大,且在较高K_p值时趋于一定值。污水厂的实测结果与计算结果具有良好的吻合性。 论文的上述研究工作揭示了典型POPs在城市污水以及常规二级污水处理流程中的分布和迁移转化规律,具有重要的理论意义。
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