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强化生物活性炭工艺深度处理MTBE微污染水源水的基础研究

胡娟  
【摘要】:甲基叔丁基醚(Methyl tert-butyl ether, MTBE)是一种具有典型醚类气味的的小分子有机化合物,除用作有机溶剂和化工原料外,约有95%被用作新配方汽油添加剂,达到抗震和降低有害尾气排量的目的。但其具水溶性较高(41000 mg/L,20℃)且难生物降解,在水体中浓度达到15-40 gg/L时即有醚气味和不良口感,对水质形成潜在威胁。 本研究以加油站土壤样品中经MTBE定向驯化获得高效降解菌群,并通过生物强化作用形成高效生物活性炭(BAC)功能,达到深度处理MTBE污染水源水的目的,出水符合美国环保局饮用水源水质量标准(20μg/L)。并通过聚合酶链式反应(PCR)和变性梯度凝胶电泳(DGGE)等分子生物学手段对驯化的高效混合菌鉴定,维持了有效菌源炭,为国内MTBE受污染水源水体的治理填补了空白。 实验首先选用7种活性炭样品(3竹质:JHBG1, JHBG2, bamboo; 2椰壳:GCN830,YK-2和2煤质:F300, Coal)吸附水体中低浓度MTBE。Freundlich吸附等温模型可以很好的拟合平衡吸附容量-浓度数据,各种活性炭对纯水环境中MTBE的吸附容量远高于在地下水中和自来水中的相应吸附容量。活性炭对MTBE的吸附容量在实验范围内不受MTBE初始浓度的影响。苯酚值可以表征活性炭对水体中MTBE的吸附能力,同时具备较高苯酚值和丹宁酸值的炭样适合处理含较多天然有机物(NOM)并受MTBE污染的地下水。各种活性炭对MTBE的吸附能力均远高于TBA;平衡浓度为1 mg/L时,GCN830和YK-2对MTBE的吸附容量为5.31,433 mg/g,对TBA的吸附容量分别为0.785,0.547mg/g。YK-2炭在EBCT为5s时的地下水体系MCRB试验中,吸附容量利用率达到79.9%,可作为后续连续流水体处理中的炭柱填充物和微生物载体。 对上海焦化污泥(J),华理银杏树附近土壤(Y),上海高桥石化厂污泥(G)和美国河滨市加油站内土壤(R)中的微生物通过MTBE浓度递增的方式进行为期60-90天的定向驯化;除J外,其他土壤来源的微生物菌群均可利用MTBE为单一碳源进行生长,生长速率依次为YGR,且对MTBE的降解能力随着其初始浓度的增加而提高。MTBE初始浓度为4.5 mg/L时,Y、G及R对MTBE单位时间的降解速率分别为6.04,6.22,10.3μg.MTBE.h-1;初始浓度提高至28 mg/L,降解速率分别达8.03,9.42,57.8μgMTBE.h-1,可见R可较好的适应有机物负荷的增加。降解中间产物的累积对G和Y的降解有明显抑制作用,增加生物量后降解停滞现象消失。MTBE初始浓度为29 mg/L左右时,河滨混合菌落R的降解速率接近目前文献已报道降解性能最好PM-1纯菌种的降解速率(分别为24.2和25.5 mg MTBE.h-1.g dry cell-1)体现出优异的降解能力。对PM-1和R进行持续降解能力测试,发现4个周期后PM-1降解速率下降了53.3%,而河滨混合菌R仅下降23.5%,体现出R较好的稳定性。 河滨混合菌R降解过程中检测到甲酸、甲醛、甲醇、TBA、异丙醇等中间产物。TBA随着MTBE浓度的下降出现了明显累积,累积峰值出现在降解接近完成时。反应体系中无机碳(IC)浓度增加但始终远低于有机碳(TOC)浓度降低值,显示仅有部分MTBE被完全矿化。推断河滨混合菌对MTBE的降解途径为MTBE降解为TBF及多种单碳有机物,TBF水解为TBA后,单加氧酶将TBA进一步氧化为异丙醇,二氧化碳及其他未检出的降解中间产物。 河滨混合菌R对失效BAC炭柱Col 1进行50天的生物强化作用后,更换进水第95天去除率90%,最终出水浓度稳定在40μg/L。低进水浓度条件下(CMTBE=1 mg/L±0.3mg/L),强化后BAC颗粒(强化菌源炭)覆盖新鲜活性炭(NYK),在35天内建立了新BAC柱的稳定运行,去除率99%,柱内NYK形成了强化菌源炭可用以启动新BAC柱。覆盖接种初期建议采用新鲜炭与强化菌源炭组合且延长EBCT,并在进水中添加无机盐,以保证BAC启动的稳定性。成熟BAC体系对流速、进水负荷及进水水质条件的变化均具有良好的缓冲性能。CMTBE为4.5 mg/L时,Col Nas中悬浮菌对MTBE的降解速率达1.52 mg MTBE/g biomass/h, BAC颗粒0.0665 mg MTBE/g BAC/h,NYK 0.110 mg MTBE/g GAC/h。在BAC体系内,活性炭柱空隙中截留保持的悬浮微生物菌落对液相主体中MTBE起主要降解作用;BAC颗粒上覆盖的生物膜对BAC进行生物再生的同时又协同吸附作用去除MTBE微污染; DGGE-PCR结果与GenBank数据库中已报道数据比对发现,R菌群主要由5种菌体组成,一种与Bacterium RS58G为同一种,相似性达98%。另外四种均为未培养菌种,其具体种属和理化性质尚未明确,这与本混合菌群来源于土壤有很大关系。


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