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零价铁与微生物耦合强化含氯含硝基芳烃类污染物转化和降解研究

林海转  
【摘要】:氯代硝基苯(C1NBs)是一类典型的含氯含硝基芳烃化合物,广泛用作医药、染料、农药等生产行业中间体,我国业已成为氯代硝基苯的主要生产国与供应国。该类化合物因具有三致效应与遗传毒性,且化学性质稳定、难生物降解,极易在水体沉积物、土壤等环境中累积,进而危及公众健康与生态环境安全。为此,开展其经济、高效的污染控制技术与场地修复技术研究具有重要的现实意义与应用价值。本论文基于零价铁(ZVI)还原、微生物降解工艺处理含氯含硝基芳烃类污染物的技术优势与机理特性,以氯代硝基苯为主要研究对象,从强化目标污染物还原脱氯转化与降解出发,开展ZVI固定床-好氧生物处理(SBR)耦合工艺强化氯代硝基苯(C1NB)去除、ZVI与厌氧污泥协同还原转化氯代硝基苯及其作用机制、ZVI-厌氧颗粒污泥形成与特性表征等研究,取得如下主要成果: 1、研究了ZVI固定床-SBR耦合工艺处理2-氯硝基苯(2-C1NB)过程还原转化及降解矿化特性。结果表明,ZVI固定床可快速还原转化2-C1NB形成2-氯苯胺(2-C1An),还原转化过程遵循准一级反应动力学,还原转化表面归一化速率常数可达(0.59±0.05) L·m-2·h-1。长效性研究发现,ZVI固定床运行42 d后其大部分ZVI(86%以上)仍具较高的2-C1NB还原转化能力;但随着固定床的连续运行,ZVI表面的腐蚀及Fe2O3、Fe(OH)3、Fe6(OH)12(CO3)等沉淀物的形成与滞留不可避免地引起系统逐步失效。 ZVI-SBR耦合工艺在进水2-C1NB负荷287.4~1266.9 g·m-3·d-1、COD负荷130.9-854.4 g·m-3·d-1条件下连续运行40 d,出水2-C1NB、2-ClAn和COD浓度分别低于0.1 mg·L-1、0.1 mg·L-1和65.0 mg·L-1,平均去除率分别达99.9%、99.9%和92.3%;而单独SBR处理系统2-C1NB去除性能较差,其2-C1NB去除率仅为(25.3±10.2)%,且主要以挥发形式和污泥吸附形式去除。耦合工艺SBR单元2-C1An降解规律研究表明,厌氧污泥2-C1An比降解速率高达0.58 g·g-1·d-1,其降解过程伴随着反应体系氨氮和Cl-相应摩尔质量的增加及TOC的有效去除(平均去除率达95.4%)。研究结果揭示ZVI-SBR耦合系统具有强化目标污染物降解与矿化作用。 2、ZVI与厌氧污泥复合体系还原4-氯硝基苯(4-C1NB)过程特性研究表明,复合体系可快速还原转化4-C1NB为4-氯苯胺(4-C1An),并进一步还原脱氯4-C1An为苯胺(AN),其4-C1NB还原转化一级速率常数(k4-C1NB)大于单独ZVI体系与单独厌氧污泥体系之和,强化因子Q(kZVI+sludge/(ksludge+kZVI))高达3.698;复合体系中间产物4-C1An还原脱氯速率同样高于单独厌氧污泥体系,表明ZVI与厌氧微生物在还原转化脱氯目标污染物过程具有明显的协同强化效应。 影响因素分析发现,复合体系还原转化4-C1NB协同强化效应受ZVI种类、ZVI投加量及污泥投加量的影响显著。其中ZVI的种类影响分析表明,不同ZVI与厌氧污泥共还原4-C1NB的强化因子Q大小顺序为:还原铁粉(RZVI)工-业铁粉(IZVI)纳米铁(NZVI)。提高ZVI投加量可进一步提高体系k4-C1NB,但未能进一步提高强化因子及4-C1An脱氯速率,此外NZVI和高浓度RZVI对脱氯过程有抑制。提高厌氧污泥投加量可显著提高体系K4-CINB,同时也可进一步提高强化因子及4-ClAn还原脱氯速率;强化因子与污泥/RZVI质量比呈良好的线性正相关,表明厌氧生物反应在复合体系还原脱氯转化目标污染物过程中具有限速特性。 基于上述研究结果,对RZVI-厌氧污泥复合体系开展流加降解试验,分析其降解目标污染物长效性。结果表明,在二次流加4-C1NB后,复合体系ZVI与厌氧污泥协同强化作用进一步增强,k4-C1NB比第一周期提高2.68-6.42倍。在4-C1An还原脱氯方面,低污泥/RZVI质量比复合体系在长期作用下,RZVI存在对微生物还原脱氯过程产生一定的抑制;而在高污泥/RZVI质量比条件下,复合体系始终维持高效、稳定的目标污染物还原转化与脱氯性能。 3、研究复合体系ZVI腐蚀产物动态及作用发现,不同ZVI腐蚀产氢活性为:NZVIRZVIIZVI,腐蚀产生的氢可作为电子供体被厌氧微生物快速消耗利用,并强化厌氧污泥还原转化4-C1NB和产甲烷性能,其中4-C1NB还原转化过程具有优先用H2能力。厌氧污泥体系分别以H2. RZVI、IZVI和NZVI作为外源电子供体,其还原转化4-C1NB的强化因子Q'((kZVI+sludge-kZVI)/ksludge)分别为4.12-5.65、14.81-35.12、2.85-4.62和1.46-5.69,其中RZVI作为电子供体强化效果最为显著,原因在于RZVI不断腐蚀产生的H2/[H]可被厌氧微生物同步高效利用。NZVI及高浓度RZVI (5 g·L-1)存在条件下,复合体系长期作用下反应生成的高浓度悬浮态铁可在微生物表面沉淀,并造成微生物细胞结构破坏,因此对体系还原脱氯过程具有副作用。而在高污泥/ZVI质量比条件下,ZVI的副作用减弱,同时ZVI表面形成的FeOOH和Fe304可作为电子介体加快微生物利用ZVI电子供体,故复合体系可持续强化4-C1NB还原转化与脱氯性能。 在反应温度10-40℃范围内,开展了不同体系4-C1NB反应过程热力学研究。结果表明,RZVI、厌氧污泥和复合体系4-C1NB还原转化表观活化能Ea分别为(21.8±3.8) kJ·mol-1、(65.6±3.6) kJ·mol-1和(58.0±6.5)kJ·mol-1,其中复合体系Ea与厌氧污泥体系相近,结果进一步验证复合体系4-C1NB还原转化反应速率受厌氧污泥反应控制,ZVI与厌氧污泥协同强化作用主要通过ZVI腐蚀产氢作为电子供体强化目标污染物厌氧生物还原转化过程实现。 应用GC/MS、LC/MS分析了不同体系4-C1NB还原转化过程的中间产物,并结合有关文献,推测ZVI-厌氧污泥复合体系的4-C1NB还原转化建议性途径为:4-氯硝基苯→4-氯亚硝基苯→4-氯羟基苯胺→4-氯苯胺→苯胺。 4、基于ZVI与厌氧污泥的协同强化还原转化效应,开展了ZVI-上流式厌氧污泥反应器(UASB)耦合工艺强化CINBs还原转化与脱氯性能研究。结果表明,在进水COD、3,4-二氯硝基苯(3,4-DC1NB)负荷分别为4200~7700 g·m-3·d-1、6.0~70.0 g·m-3·d-1条件下,投加ZVI的UASB反应器(R2)具有稳定的3,4-DC1NB还原转化脱氯性能(平均还原率达99%以上)、抗高负荷冲击和抗酸化冲击能力。此外,在3,4-DC1NB和4-C1NB两种污染物复合条件下,R2反应器在45 d内即可获得4-C1An对位还原脱氯活性,而未投加ZVI的R1反应器长期运行仍难以获得4-C1An脱氯能力。 颗粒污泥结构特性研究发现,R2反应器内形成了铁沉淀物(以FeCO3、FeS为主)与微生物菌体相互包埋的结构化ZVI亚核-厌氧脱氯颗粒污泥(ZVI-AGS)。与R1反应器颗粒污泥(AGS)相比,ZVI-AGS结构致密、沉降性优异,更具有较高的CINBs还原转化、对位脱氯活性以及高效产H2、产CH4能力,其还原转化3,4-DC1NB、4-C1NB、3-C1NB和2-C1NB的一级速率常数比AGS分别提高36.4%、64.4%、116.5%和95.6%。 厌氧污泥颗粒化过程微生物种群结构分析表明,反应器运行不同阶段AGS及ZVI-AGS的细菌、古菌微生物种群结构演替显著。相比而言,成熟ZVI-AGS污泥微生物优势菌群与已报道的六氯苯、四氯乙烯、多氯联苯等污染物降解菌具有较高的同源性,表明ZVI对厌氧微生物具有明显的选择效应,ZVI-AGS形成过程有利于厌氧脱氯微生物发育、富集,进而强化UASB反应器目标污染物还原脱氯性能. 综合分析认为,ZVI-UASB耦合工艺存在化学生物共还原、ZVI腐蚀产氢与化学沉淀促絮凝、反应体系氧化还原电位降低及提供缓冲能力等一系列作用,可促进ZVI亚核-厌氧微生物污泥颗粒化与还原脱氯菌等功能微生物柔性化富集,消除电子供体[H]、中间产物等代谢流传递空间障碍,具有高效、稳定的有毒有机污染物去除性能。研究结果有望为有毒难降解有机废水高效处理、污染环境生物修复提供创新的集成技术原理。


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