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吸附和生物降解在活性炭塔中去除进水中MTBE的研究

李冰璟  
【摘要】: 甲基叔丁基醚(methyl tert-butyl ether, MTBE)用来耿代四乙基铅作为汽油添加剂,对地下水的污染日益严重。由于MTBE在水中的溶解度较高,与土壤的亲和力较小,难为其吸附而停留在的表层,且不易被微生物降解,因此从地下储油罐泄漏和地表渗透的MTBE会很快渗透到地下水中。在几种异位修复地下水污染技术中,颗粒活性炭吸附工艺对于去除难降解有机污染物的处理效果最好,可以达到极为严格的出水排放标准(如10μg/L),其运行管理简便,具有很好的实用性。本课题探讨了活性炭对MTBE及地下水主要成份的吸附能力,选择了最佳MTBE吸附炭型。但由于活性炭对MTBE的吸附容量较小,炭柱内的活性炭在使用不到一个星期就会失效而需要更换,因此单独采用活性炭吸附处理不经济。本研究中将有效的MTBE降解菌成功接种于新活性炭柱,建立生物活性炭(Biological activated carbon, BAC)的功能,从而能够低耗高效地去除地下水中MTBE,并通过进行生物活性炭柱的运行影响因素和接种方法的研究,深入的探讨了BAC的启动、运行以及BAC的应用前景。 本文主要选用9种国内外常见的知名炭型(国产:椰壳炭YK、煤质炭CoalⅠ、果壳炭Fruit、竹炭Bamboo、华理设备科炭CoalⅡ,国外:Calgon公司F300、F400,Norit公司GCN830、GAC830),通过对活性炭BET累积比表面积和累积孔容积的测试,验证了活性炭四项性能指标(苯酚值,碘值,甲基蓝值,丹宁酸值)能够很好的代表活性炭内各种尺寸孔径的分布;又通过对多种分子直径有机物的测试比对,验证了活性炭吸附性能指标对各种有机物吸附能力的预测功能。苯酚值能够准确的预测活性炭对MTBE、CHCl3、TCE等典型小分子水污染物的吸附;丹宁酸值能够很好的预测活性炭对腐植酸等大分子物质的吸附能力。苯酚值较大的椰壳材质的YK和Fruit对MTBE具有较大的吸附容量;丹宁酸值较大的三种炭型CoalⅠ、F300、Fruit对腐植酸的吸附容量较大。YK的丹宁酸值较小,对腐植酸的吸附容量较小,表征其缺乏较大的微孔,在穿透实验中,吸附容量的利用率较低。 分别考察不同水质下(纯水,去离子水,地下水)活性炭对MTBE的吸附状况。由于地下水中天然有机物的分子较大,无法到达活性炭内微孔与MTBE产生竞争,而去离子水中所含有机成份均为小分子物质,与MTBE产生竞争吸附,从而导致了活性炭对地下水中MTBE的吸附性能比在去离子水中更为接近在纯水中的吸附能力,这个结果与活性炭吸附去除TCE时的观察一致。使用最好的活性炭,以吸附处理含2mg/LMTBE的地下水,假设吸附容量利用率为100%,炭柱去除量为2mg/g:每吨水约需要耗费1kg活性炭,这是美国加州去除地下水中环丁砜去除用炭量的20倍,成本较高。 对齐鲁石化活性污泥和两种生活污泥进行长期培养和驯化,得到了MTBE的降解菌,虽然经过长时间的驯化培养,其降解能力不强,受外界环境影响较大。通过批次实验证实由ATCC购买的MTBE纯种降解菌AM-24的降解效率为2.472μgMTBE h-1g-1cell,将初始浓度为3mg/L的MTBE降低40%所需时间为20天:而对ATCC的MTBE纯种降解菌PM1进行降解能力批次实验,在初始浓度为14mg/L时,它的降解效率为131.49μgMTBE h-1g-1cell,将初始浓度为14mg/L的MTBE降低99%所需时间为75小时,提高初始浓度至55mg/L左右,降解效率为881.7μg MTBE h-1g-1 cell,初始浓度的增加将提高MTBE降解菌的降解速率。 生物活性炭作用理论上可以促使活性炭达到长期使用,不需定期更换活性炭。在美国加州大学河边分校进行一年研究期间,取得了来自附近MTBE污染点(使用生物活性炭技术去除地下水中MTBE, MTBE进水浓度0.2mg/L,出水0.01mg/L)带有MTBE降解菌的废弃生物活性炭后;对生物活性炭的功能及启动方式进行多梯次深度考察。首先使用菌液在炭柱内循环的接种法,分别采用自行培养菌、纯种菌和液作为菌源,对小型炭柱(10g)进行接种。由于细菌着床缓慢、细菌降解MTBE速率缓慢、细菌本身增殖缓慢等原因,在炭柱内形成生物活性炭的速度较慢,外界条件变化的影响较大,经过长时间运行并没有明显的降解现象。其次采用了废炭覆盖法来启动活性炭柱;实验采用下层添加废弃生物活性炭上层覆盖新YK炭的方式进行接种,在高低两种浓度下成功启动建立了生物活性炭功能。在高MTBE浓度(30mg/L)进水条件下,经过100天近4000床层的运行,去除效率基本稳定在40%以上;低MTBE浓度下(1mg/L)进水条件下,经过400床层的培养,可建立稳定的生物活性炭,去除率可持续高于97.5%,证实了生物活性炭长期有效的应用能力。在进水中加入小量的过氧化氢水溶液,给炭床提供充足的溶解氧;在出水DO较高时(DO=6及2mg/L),生物活性炭的功能更为显著,‘出水中的MTBE相对较低。 使用这种启动方式,不同生物活性炭内MTBE降解菌都顺利地接种于上层覆盖的新炭,而同一批次的含菌废炭,在国内研究室也成功地建立了新的生物活性炭处理功能,炭柱对MTBE的累积去除量超过3倍的理论吸附量,再度印证了其中活性炭长期使用的功能。通过SEM电镜扫描和显微镜观察可以看出与PM1类似的短杆状菌在生物活性炭系统占主导位置。 本研究的特色在于:从吸附阶段探讨,确定了四项活性炭吸附性能指标在选炭过程中的指导作用,采用实验室自创的活性炭微型快速穿透(MCRB方法)选择了最适‘炭型。考虑到使用活性炭吸附技术去除MTBE的成本较高,故而开发了高效低耗的生物活性炭体系。通过长期的运行,多次印证了其中活性炭长期使用的功能。同时还建立了为国内实际应用BAC工艺去除MTBE的有效菌源,无需再通过菌种分离或购买纯种菌、长期驯化,及为达到有效接种炭柱的一切繁琐而效果不显著的过程。


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