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改良土壤含水层处理系统对溶解性有机物的去除效能

魏亮亮  
【摘要】:将城市污水处理厂(WWTP)二级出水经土壤含水层处理(SAT)后回用对于解决当前我国水资源短缺意义显著。由于溶解性有机物(DOM)是再生水加氯消毒过程中三氯甲烷(THMs)等消毒副产物的前体物质,受到环境学者越来越多的关注。本研究首先采用XAD树脂分级技术将DOM分为疏水性有机酸(HPO-A)、过渡亲水性有机酸(TPI-A)、疏水性中性有机物(HPO-N)、过渡亲水性中性有机物(TPI-N)和亲水性有机物(HPI),并借助加氯消毒实验、红外光谱、三维荧光光谱等多种实验手段分别考察了WWTP各构筑物在冬夏两季运行过程中对生活污水中DOM的去除特点,二级出水DOM在后续SAT处理过程中的去除机制;在此基础上,为了强化传统SAT的去处效果,进而研究了粉煤灰及炉渣改良SAT系统对二级出水中DOM的去除机理;最后本文对粉煤灰及炉渣对DOM的吸附机制及吸附特性进行了系统研究。 HPI为生活污水DOM最主要的组分(夏季占原生活污水总有机物的60.5%,而冬季为57.4%),其次为HPO-A组分(夏季为20.3%,冬季为23.2%),而HPO-N、TPI-A及TPI-N组分的含量相对较低。通过WWTP的运行,生活污水中89.7%的溶解性有机碳(DOC)、52.6%的UV-254及86.4%的THMs前体物质在夏季运行过程中被有效去除,在冬季运行过程中,生活污水中DOC和THMs前体物质在污水处理厂运行过程中的去除率分别下降至88.2%和85.5%。WWTP中初次沉淀池(PST)构筑物对生活污水DOM中疏水性组分中芳香性物质及THMs前体物质去除有效(特别在冬季低温条件下)。A/O构筑物能够有效去除生活污水中含量最高、分子量最小的HPI组分,尤其在夏季运行条件下。与此同时,PST构筑物对酸性组分和疏水性组分中THMs前体物(C=C和C=O相关)的去除上意义显著。 HPI和HPO-A为二级出水DOM中最主要组分(分别占总DOC含量的45.5%和30.0%),其中HPO-A为二级出水DOM中最主要的芳香性物质(占总UV-254的50.0%)和三氯甲烷(THMs)前体物质(占总THMFP的45.4%)。二级出水DOM经SAT系统运行后去除了65.1%,其中HPI能够在SAT系统中优先去除(去除率76.6%),HPO-A和HPO-N的去除率亦相对较高。但SAT系统对二级出水中芳香性物质和THMs前体物质的去除率分别为45.7%和45.2%,相对较低。SAT中的吸附作用对二级出水中HPO-A、HPO-N及TPI-A的去除效果较好,而生物作用对TPI-N和HPI组分优先降解。SAT系统中土壤吸附作用较生物降解作用对DOM的去除贡献率较低,可通过在SAT处理前进行GAC强化吸附来达到对二级出水THMs和芳香性物质的高效去除。 通过在SAT系统中添加粉煤灰(FA)及炉渣可大幅提升SAT系统对二级处理出水中DOM的吸附去除效果,但须降低FA/炉渣的加入对SAT中生物降解作用的不利影响。二级出水DOM中芳香性有机化合物及THMs前体物质在FA及炉渣改良SAT系统中去除率大幅提升。由于FA及炉渣的添加增强系统吸附性的同时降低了土壤中生物活性,故有必要在SAT系统表层(表层25 cm)保留土壤层。总体上,HPI易于被土壤微生物降解,而HPO-A更易于被FA/炉渣吸附去除。炉渣在SAT系统中的添加较FA的添加对二级出水中DOM的去除效率较高。 在15 g/L的粉煤灰投加量、303K和3 h接触时间的情况下,粉煤灰对二级处理出水中DOC、UV-254及THMs前体物质的去除率分别为22.5%、23.7%和25.9%。FA对DOM各组分的吸附均符合准二级吸附动力学模型,其中粉煤灰对DOM中HPI组分的吸附亦符合内扩散模型。从FA对DOM各组分的最大吸附量(Q0)和吸附过程吉布斯自由能的变化(ΔG0)可得出FA对HPI组分的吸附最强,但对DOM中酸性组分的吸附能力较弱。相较于Freundlich吸附方程,FA对DOM酸性组分的吸附更符合Langmuir模型,但对HPI的吸附模拟方面,Freundlich模型要优于Langmuir模型。炉渣较粉煤吸附需要较长的吸附平衡时间(12 h),且其吸附受到炉渣粒径的影响,粒径大于250目的炉渣在15 g/L的投加量、303K和12 h条件下,可去除二级出水中28.6%的DOM。此外,酸性条件有利于炉渣对DOM的高效吸附。炉渣对二级出水DOM各组分的吸附均符合准二级吸附方程和Freundlich吸附等温式,且其对HPO-A组分优先吸附,且吸附能力较强。 粉煤灰/炉渣改良SAT可用于实际SAT系统对二级出水的处理厂,在粉煤灰(炉渣)和土壤混合比为1:1,混合层高度为1 m,覆土厚度为0.25 m的情况下运行并对二级出水进行处理,粉煤灰(炉渣)的吸附饱和时间分别为602天(1541天)。


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