1、曝氣生物過濾去除微污染水源水中典型PPCPs的效能與機理近幾年,人們開始關注微量污染物質藥品和個人護理用品(PPCPs)對環境、生物和人類健康的影響,并發展成全球熱點問題。目前國外已有研究表明,部分PPCPs對人類及其他生物具有生殖、神經等毒理學效應或具有致癌可能性。我國作為世界上最大的藥品和個人護理用品的生產和使用國,控制水源水中典型PPCPs顯得尤為重要。但一方面,PPCPs大多來源于日常生活,因此城市污水處理廠是其主要來源,而以去除有機物及營養物質為目的的傳統污水處理工藝不能完全將其去除,造成受納水體及剩余污泥接收地的污染,進而影響城市水廠水源水和地下水水質;另一方面,常規混凝、沉淀、過

2、濾給水處理工藝對相當一部分物質沒有明顯的去除效果。雖然以臭氧為主的高級氧化技術及膜分離技術可以有效地去除水中PPCPs,但其因為諸多原因無法實際應用于給水處理中。從而,PPCPs一旦進入水源水必將嚴重威脅飲用水安全。因此,最為安全、有效的策略是通過對水源水的處理將PPCPs盡量消除在給水處理工藝的源頭,使其不進入后續給水處理系統。國內外針對PPCPs的研究大多數集中于對水體中PPCPs成分和含量的測定分析上。而關于如何行之有效地控制水源水中PPCPs特別是在源頭上對其進行控制,使其不進入后續的處理系統以及可以實際應用于給水處理中的工藝的研究相對較少。本課題針對曝氣生物濾池(BAF)的獨特優點以

3、及微生物之所以不能有效地去除PPCPs中部分物質的原因在于接觸反應時間不足和未經馴化,從而利用濾料和生物膜的吸附截留作用,使飲用水源中微量的PPCPs被截留于曝氣生物濾池中,使得飲用水源中PPCPs與生物膜有足夠的接觸反應時間,同時借以經馴化后的生物膜的生物氧化作用使得飲用水源中微量的PPCPs得到有效降解,這便在給水處理的源頭上降低了PPCPs對人類可能造成的威脅。本課題通過選擇具有代表性和典型性的PPCPs即卡馬西平和苯扎貝特作為處理對象,選用兩種不同濾料作對比,研究了曝氣生物濾池在不同的運行條件下對典型PPCPs的去除特性以及宏觀去除機理,并在穩定運行的BAF中分別篩選出了一株卡馬西平和

4、苯扎貝特高效降解菌,同時研究了兩種高效降解菌的生理生化特性和降解機理,進一步揭示了典型PPCPs的微觀降解機理。通過上述的研究,證實BAF不僅可以在源頭上有效地消除及降低飲用水中PPCPs的潛在危害,提高飲用水安全性,而且可以為實際的工程應用提供可靠的科學依據,具有重要的現實意義。同時,由于卡馬西平和苯扎貝特的可生化性存在較大差異,獲得的結論更具有應用性。通過研究,獲得以下主要結論與成果:1.通過分析比較BAF在不同運行條件下對微污染水源水中典型PPCPs去除特性,得出以下結論:(1)在水力負荷為0.3 m3/m2.h,對應流量為2.4L/h,對應的水力停留時間為2.7h,溫度15.216.5

5、,氣水比為1.5:1,原水中卡馬西平和苯扎貝特的濃度分別為78.5g/L和83.9g/L的條件下,陶粒床層對卡馬西平和苯扎貝特的最大吸附去除率分別為7.8%和10.8%,高效纖維球床層對卡馬西平和苯扎貝特的最大吸附去除率分別為6.1%和7.5%。兩種濾料對水中典型的PPCPs有一定的吸附作用,但吸附效果不顯著,主要原因在于典型PPCPs的辛醇水分配系數較小以及其表面官能團與濾料表面官能團的相似性。(2)在DO充足的情況下,在一定范圍內,隨著水力負荷的升高,曝氣生物濾池對典型PPCPs的去除率呈下降趨勢。陶粒BAF對典型PPCPs的去除率均高于高效纖維球BAF。當水力負荷較大時,曝氣生物濾池對卡

6、馬西平的去除作用主要為濾料和生物膜的吸附截留作用以及生物絮凝作用,生物的氧化作用不明顯,但對苯扎貝特的去除主要是微生物的生物氧化作用。造成上述差異的原因在于卡馬西平和苯扎貝特的可生化性上的差異,卡馬西平較難被生物氧化,需要較長的接觸反應時間。(3)氣水比是影響BAF處理性能的主要影響因素之一。隨著氣水比的升高,典型PPCPs的去除率有所升高。當氣水比為1:1及以上時,去除率變化不大,但當氣水比降到0.5:1,典型PPCPs的去除率急劇下降,氣水比的選擇應使出水DO在3mg/L及以上為宜。當氣水比較高時,陶粒BAF對典型PPCPs的去除率要高于高效纖維球BAF,而當氣水比較低時,高效纖維球BAF

7、對典型PPCPs的去除率卻高于陶粒BAF,這是因為當氣水比過低時,水中DO成為反應的限制因子.高效纖維球BAF的傳質效果較好,因此其水中DO相對較高,去除效果較好。(4)在最佳運行條件下,即水力負荷為0.2 m3/m2.h,氣水比為1.5:1,水溫為20時,進水pH為弱堿性時,陶粒BAF對卡馬西平和苯扎貝特的平均降解率分別為47%和63.8%,高效纖維球BAF對卡馬西平和苯扎貝特的平均降解率分別為43.98%和59.34%。陶粒BAF對典型PPCPs的去除效果要優于高效纖維球BAF,其原因在于兩種濾料物理化學性質的差異。當以去除水中難降解有機物為目的時,不易選擇輕質濾料。(5)在氧氣充足的條件

8、下,當卡馬西平和苯扎貝特在原水中共存時,微生物優先選擇降解苯扎貝特,且苯扎貝特的存在影響卡馬西平的降解率,出現上述現象的原因在于苯扎貝特和卡馬西平可生化性的較大差異。此時,從卡馬西平的降解率來看,其被去除的主要作用是濾料和生物膜的吸附截留作用以及生物絮凝作用,生物氧化作用不明顯。(6)卡馬西平和苯扎貝特的去除作用主要發生在曝氣生物濾池進水端以后的40cm范圍內,在這段填料層內,反應器對典型PPCPs的平均去除率占總去除率的70%以上。2.經上述研究的基礎上,從穩定運行的的BAF中篩選出降解典型PPCPs的高效降解菌:(1)篩選出的卡馬西平降解菌株為惡臭假單胞菌種,命名為(Pseudomonas

9、 putida.)X-6,其對卡馬西平最佳降解條件為:在初始pH值為7.3左右,溫度為30,振蕩速率為160r/min,250mL錐形瓶的裝液量為100mL的條件下,菌株接種量為0.6%(w/v),卡馬西平初始濃度為20mg/L。在此條件下,經過3d后,卡馬西平降解率達到45.52%。X-6菌株對卡馬西平的降解作用主要是通過生物的氧化作用使卡馬西平發生解體,卡馬西平的可能降解途徑為首先通過生物的氧化作用,將CBZ氧化成CBZ-EP(10,11-dihydro-10,11-epoxy-Carbama-zepine)、CBZ-EP經過水解作用轉化為CBZ-DiOH(10,11-dihydro-10

10、11-dihydroxy-carbamazepine),CBZ-DiOH經丙酮酸氧化脫羧及在NADH_2還原性輔基的作用下,裂解成單苯環物質,再經三羧酸循環直至最終礦化。其中降解產物含有CBZ-EP,CBZ-DiOH,這兩種物質在含有卡馬西平的城市污水處理過程也曾被檢出。(2)篩選出的苯扎貝特降解菌株為變形假單胞菌種,命名為(Pseudomonas plecoglossicida.)B-3,其對苯扎貝特最佳降解條件為:在初始pH值為6.87.6,溫度為3035,搖床震蕩速率為160r/min,250mL錐形瓶的裝液量為100mL的條件下,菌株接種量為0.5%(w/v),苯扎貝特初始濃度為20m

11、g/L。在此條件下,經過2.5d后,苯扎貝特降解率達到59.81%。B-3菌株對苯扎貝特的降解先通過水解作用使其發生斷鏈,降解成乙酸、乙酸乙酯等小分子有機物,再通過進一步的氧化作用,直至最終礦化。同主題文章1.朱正齊,姜佩華,陳季華. 曝氣生物濾池(BAF)的研究進展 J. 凈水技術. 2005.(01)2.本刊編輯部. 曝氣生物濾池工程技術規程審查會在安徽省馬鞍山市舉行 J. 中國給水排水. 2009.(06)3.本刊編輯部. 中國給水排水雜志社“曝氣生物濾池(BAF)專題研討會”成功舉辦 J. 中國給水排水. 2009.(18)4.曝氣生物濾池技術在火電廠廢水回用中的應用 J. 中國環保產業. 2006.(08)5.楊青,趙玉華,周晴,傅金祥,陳正清. 曝氣生物濾池對COD_(Cr)去除效果的試驗研究 J. 沈陽建筑大學學報(自然科學版). 2005.(02)6.張寶軍,馮啟言,張雁秋. 微污染水源水處理技術的研究與發展 J. 徐州建筑職業技術學院學報. 2004.(02)7.萬金保,蘭輝,黃學平. 曝氣生物濾池濾層高度與去除率關系的研究 J. 南昌水專學報. 2004.(02)8.車鳴,單琦. 曝氣生物濾池設計的之我見 J. 中國新技術新產品. 2010.(07)9.李善評,張鑒達,贠軍鋒,欒富波. 曝氣生物濾池在啤酒