CN105130112A - 去除水中典型内分泌干扰物的复合土层系统、方法和实验装置 - Google Patents

Abstract

一种去除水中典型内分泌干扰物的复合土层系统，包括：位于最上的用于强化微生物的降解作用及保证高水力负荷的降解层，降解层的填充土壤中添加有火山岩；位于中间的强化填料对污染物的吸附去除作用的吸附层；以及位于最下的用于支撑和过滤的过滤承托层，使待处理水自上而下依次通过降解层、吸附层和过滤承托层实现处理，本发明还提供了一种去除水中典型内分泌干扰物的实验装置，与现有技术相比，本发明针对目标污染物，采用吸附能力、生物降解能力较强的人工滤料代替传统土地处理系统当中的天然土层，构建复合土层处理系统，借助以滤料为主的介质与污染物之间的物理、化学、生物等作用达到水质净化的目的。

Description

去除水中典型内分泌干扰物的复合土层系统、方法和实验装置

技术领域

本发明属于水处理技术领域，特别涉及一种去除水中典型内分泌干扰物的复合土层系统、方法和实验装置。

背景技术

近几十年来，水资源越来越成为制约社会经济发展的战略性资源。再生水被看作是城市的第二水源，经深度处理后回用可以实现水资源的循环利用和补充，是缓解水资源紧缺问题的有效途径之一。由于传统污水二级处理技术对内分泌干扰物(EDCs)等微量有毒有害污染物的去除能力有限，以及物质本身的持久性与累积性，再生水中EDCs污染物的存在，使其在再生利用过程中可能会对人体健康及生态安全存在风险。

EE2具有较高雌二醇当量(EEQ＝8.71)，是体内雌激素活性最强的类固醇激素。EE2广泛应用于生育生产、内分泌失调或骨质疏松等疾病治疗，同时在畜牧业中可作为促进动物生长的药物。对EE2进行剂量-生物活性效应的实验研究，结果显示仅需要1～10ngL-1的EE2，就可以引起实验鱼种的雌激素活性反应。EE2由于在极低浓度下即对生态环境及人体健康具有严重危害，因而是水环境中具有较高环境风险的EDCs种类之一。

BPA既是重要的有机化工原料，也用于日常生活中广泛使用的塑料产品、供水管等的生产。BPA可由化工产品中转移至环境，目前已成为一种全球性污染物，对水生生物具有雌激素干扰性及急性毒性。很多研究结果表明，BPA是水环境中具有较高环境风险的EDCs种类。对全国16座代表性城市的水样抽检调研结果表明，BPA在再生水和地下水中都是检出率和检出浓度最高的EDCs。

目前国内外研究者针对EDCs等微量有机污染物的去除进行了研究，如活性炭、交联聚合树脂吸附技术，离子交换技术，生物膜技术，高级氧化技术以及高压膜如纳滤(NF)膜、反渗透(RO)膜去除技术等，但大多数由于技术要求高，投资、运行成本等原因，在实际运用中往往受到限制。其中，针对目标污染物的去除对传统土地处理系统中的填料介质进行改进优化后，构建人工复合土层处理系统，具有投资少，运行成本低，操作简单等优点。关于利用土层系统去除微量有机污染物的研究已经有许多文献报道过，但由于天然土层去除能力有限，去除持久效果较差，因而在实际运行中难以推广运用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种去除水中典型内分泌干扰物的复合土层系统、方法和实验装置，针对目标污染物，采用吸附能力、生物降解能力较强的人工滤料代替传统土地处理系统当中的天然土层，构建复合土层处理系统，借助以滤料为主的介质与污染物之间的物理、化学、生物等作用达到水质净化的目的。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种去除水中典型内分泌干扰物的复合土层系统，包括：

位于最上的用于强化微生物的降解作用及保证高水力负荷的降解层1，降解层1的填充土壤中添加有火山岩；

位于中间的强化填料对污染物的吸附去除作用的吸附层2；

以及位于最下的用于支撑和过滤的过滤承托层3。

所述降解层1厚度30cm，填充土壤由采自北京潮白河再生水回灌区的包气带及底泥土壤按V:V＝1:1混合得到，火山岩按照与填充土壤V:V＝1:1的比例添加；所述吸附层2厚度50cm，填料为沸石、陶粒或蛭石；所述过滤承托层3厚度10cm，填充介质为粗砂砾和卵石。

所述典型内分泌干扰物为EE2和BPA。

本发明还提供了基于所述去除水中典型内分泌干扰物的复合土层系统的方法，其特征在于，使待处理水自上而下依次通过降解层1、吸附层2和过滤承托层3。

本发明还提供了一种去除水中典型内分泌干扰物的实验装置，包括：

有机玻璃柱体4，外径15cm，内径14cm，总高度1m，其顶端有进水口，底端有出水口；

自下而上位于有机玻璃柱体4内的厚度10cm的过滤承托层3、厚度50cm的吸附层2和厚度30cm的降解层1；

位于降解层1上方的再生水容腔5，再生水容腔5侧面设置溢流口6，再生水在再生水容腔5中高度为7cm，溢流口6距离有机玻璃柱体4顶端进水口3cm；

其中，有机玻璃柱体4的侧面开有3个水样取口7，与降解层1上表面的距离依次为10cm、30cm、55cm；

所述水样取口7设置有用于取水的双管陶土头，与所述水样取口7位于同一水平面上设置有相应的土样取口8。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)能高效去除再生水中微量EE2和BPA，去除率在97％以上，降低了再生水回用带来的生态及人体健康风险。

2)对水中EE2和BPA有高效、持久的去除效率，对含高浓度EE2及BPA的再生水配水，能保持90％以上的去除效率。

3)系统具有较高的水力负荷，相比于传统土层处理系统，降解层土壤厚度相对较小，且添加了大颗粒的火山岩填料，增强了通透性，有效缓解了堵塞问题。

4)对场地及技术要求低，填料介质来源广泛且价格低廉，具有投资少，运行成本低，操作简单等优点。

附图说明

图1为本发明的人工复合土层系统示意图。

图2为实施例1中回灌6d后BPA沿程去除情况。

图3为实施例1中回灌15d后BPA沿程去除情况。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

水中EE2和BPA进入土层处理系统，主要通过土层中滤料的吸附及降解作用得到去除。本发明人工复合土层包括3层，最上层为降解层1，复氧效率高，利于生物降解作用；下层为吸附层2，逐渐趋于厌氧条件，通过强化吸附作用强化截留效率；底部以不同粒径的卵石等作为过滤承托层3。

降解层1厚度为30cm，以强化EDCs的生物降解作用为主，主要填充微生物含量丰富、渗透性好的自然壤土，或土壤与矿物填料介质混合得到的透气性土壤。吸附层2功能为进一步吸附去除EDCs及上层渗滤液中的其他污染物，厚度为50cm，以吸附容量较大且便宜易获得的填料为主，如沸石、陶粒、蛭石等，通过滤料的吸附解吸特性进行选择。过滤承托层3的功能为支撑上部的填充介质，厚度为10cm，填充介质为粗砂砾和卵石。具体构建内容为：

(1)吸附层填料优选

通过EE2和BPA在选择的4种常用填料介质中的吸附解吸特性研究可知，4种常用填料介质对EE2的吸附能力大小排序为：火山岩>粘土陶粒≈页岩陶粒>沸石；对BPA的吸附能力由大到小排序为：火山岩≈粘土陶粒>页岩陶粒>沸石。综合考虑4种填料介质的抗压能力、外形等物理性质及对EDCs类污染物的吸附去除能力等因素，火山岩和粘土陶粒都对EE2和BPA有较强的吸附能力，但由于火山岩呈多孔疏松状，易压碎，而粘土陶粒外表面呈光滑圆形，利于布水，因而在复合土层构建中优选粘土陶粒作为吸附层2的填料。

(2)降解层构建

研究结果表明，土壤中微生物代谢产生的胞外聚合物堵塞土壤孔隙可能是造成土层处理系统堵塞的主要原因。因而，降解层选取富含微生物及有机质含量丰富、易于微生物生长的土壤，便于运行过程中降解生物膜的形成，加强生物降解作用；同时可在土壤中添加孔隙率及颗粒较大的填料介质，一方面能增强吸附作用，另一方面可提高土壤通透性，加强降解层复氧，强化微生物降解作用。

该人工复合土层中，表层介质复氧效率高，利于生物降解作用；深层介质逐渐趋于厌氧条件，通过强化吸附作用强化截留效率。

为对上述系统进行实验，构建了简单的实验装置。

如图1所示，实验装置土柱由有机玻璃制成，包括：

有机玻璃柱体4，外径15cm，内径14cm，总高度1m，其顶端有进水口，底端有出水口；

自下而上位于有机玻璃柱体4内的厚度10cm的过滤承托层3、厚度50cm的吸附层2和厚度30cm的降解层1；

位于降解层1上方的再生水容腔5，再生水容腔5侧面设置溢流口6，再生水在再生水容腔5中高度为7cm，溢流口6距离有机玻璃柱体4顶端进水口3cm；

其中，有机玻璃柱体4的侧面开有3个水样取口7，与降解层1上表面的距离依次为10cm、30cm、55cm；水样取口7设置有用于取水的双管陶土头，与水样取口7位于同一水平面上设置有相应的土样取口8。

本发明构建的人工复合土层系统，具体构建内容为：

最上层降解层厚度为30cm，在通透性较好的包气带土壤中，以体积比1:1的比例添加富含微生物及有机质含量丰富、易于微生物生长的底泥土壤，便于运行过程中降解生物膜的形成，加强生物降解作用。以北京潮白河再生水回灌区的包气带及底泥按V:V＝1:1得到混合土壤，用于混合填充的两类土壤的理化性质如表1所示。同时在混合土壤中添加孔隙率及颗粒较大，且对EE2及BPA都具有较高吸附能力的火山岩填料，一方面能增强吸附作用，另一方面可提高土壤通透性，加强降解层复氧，强化微生物降解作用。

表1受试土壤理化性质

下层为吸附层，强化填料对污染物的吸附去除作用，厚度为50cm，以吸附容量较大且便宜易获得的填料为主，如沸石、陶粒、蛭石等，通过滤料的吸附解吸特性进行选择。通过EE2和BPA在所选的4种常用填料介质中的吸附解吸特性研究可知，填料介质对EE2的吸附能力大小排序为：火山岩>粘土陶粒≈页岩陶粒>沸石；对BPA的吸附能力由大到小排序为：火山岩≈粘土陶粒>页岩陶粒>沸石。综合考虑4种填料介质的抗压能力、外形等物理性质及对EDCs类污染物的吸附去除能力等因素，火山岩和粘土陶粒都对EE2和BPA有较强的吸附能力，但由于火山岩呈多孔疏松状，易压碎，而粘土陶粒外表面呈光滑圆形，利于布水，因而在复合土层构建中优选粘土陶粒作为吸附层填料。粘土陶粒以黏土、亚黏土等为主要原料，经加工制粒，烧胀而成的，外形为无尖粒状，对水流阻力小，不易堵塞，布水布气均匀；具有轻质、吸水率低、强度高、抗冻耐腐蚀等特点，具有很强的吸附作用。用于吸附层填充的粘土陶粒的表面结构特征如下表所示：

表2填料介质的表面结构特征

底部以不同粒径的卵石等作为过滤承托层，功能为支撑上部的填充介质，厚度为10cm，填充介质为粗砂砾和卵石。

实施例分析1

以清华大学中水站出水为土柱进水，以1d为一个周期，按照湿干比为1:1，淹灌与落干交替进行。对取得的清华大学中水站出水中的EE2和BPA浓度进行检测，其中EE2浓度未检出，BPA浓度为45.52ngL^-1。在回灌6d及15d后分别对各土柱沿程出水中BPA浓度进行检测。回灌6d及15d后，系统对BPA的去除率分别为100％和99.56％，构建的人工复合土层系统在低浓度BPA进水的条件下对其具有很好的去除效果。

对土柱沿程出水中BPA浓度进行检测，回灌6d后BPA沿程去除情况如图2所示；回灌15d后BPA沿程去除情况如图3所示。

由BPA沿程浓度分布看到，经过15d的干湿交替回灌，系统降解层的去除能力明显提高，在土层前10cm，90％左右的BPA都得到去除。

再生水回灌5d、10d时，系统的表观渗透速率保持在0.95m·d^-1左右，几乎没有降低。

实施例分析2

在取得的清华大学中水站出水中人为添加污染物，使回灌进水中EE2和BPA的浓度都达到10μgL^-1。同样以1d为一个周期，按照湿干比为1:1，淹灌与落干交替进行回灌。分别在回灌1、3、6、7、8、10、12d后取土柱底部出水，研究高浓度污染物回灌下所构建的人工复合土层系统对典型EDCs污染物的去除效果。系统对EE2/BPA的去除率见表3。

表3高浓度回灌下系统对EE2/BPA的去除率

Claims (6)

1.一种去除水中典型内分泌干扰物的复合土层系统，其特征在于，包括：

位于最上的用于强化微生物的降解作用及保证高水力负荷的降解层(1)，降解层(1)的填充土壤中添加有火山岩；

位于中间的强化填料对污染物的吸附去除作用的吸附层(2)；

以及位于最下的用于支撑和过滤的过滤承托层(3)。

2.根据权利要求1所述去除水中典型内分泌干扰物的复合土层系统，其特征在于，所述降解层(1)厚度30cm，填充土壤由采自北京潮白河再生水回灌区的包气带及底泥土壤按V:V＝1:1混合得到，火山岩按照与填充土壤V:V＝1:1的比例添加；所述吸附层(2)厚度50cm，填料为沸石、陶粒或蛭石；所述过滤承托层(3)厚度10cm，填充介质为粗砂砾和卵石。

3.根据权利要求2所述去除水中典型内分泌干扰物的复合土层系统，其特征在于，所述降解层(1)中填充土壤的理化性质为：

包气带pH值7.9；

底泥pH值7.3；

包气带CEC9.07cmol·kg^-1；

底泥CEC12.28cmol·kg^-1；

包气带有机质质量含量0.236％；

底泥有机质质量含量5.75％；

包气带粒径分布2-0.05mm占比91.70％，0.05-0.002mm占比5.56％，<0.002mm占比2.73％

底泥粒径分布2-0.05mm占比90.14％，0.05-0.002mm占比5.67％，<0.002mm占比4.19％

包气带土壤质地砂土或砂土与壤砂土的混合；

底泥土壤质地砂土或砂土与壤砂土的混合；

所述吸附层(2)的填料为粘土陶粒，其表面结构特征如下：

比表面积0.4199m²g^-1

微孔内比表面积0.1765m²g^-1

总孔体积0.0011mLg^-1

微孔体积0.0001mLg^-1

平均孔径4.4383nm。

4.根据权利要求1所述去除水中典型内分泌干扰物的复合土层系统，其特征在于，所述典型内分泌干扰物为EE2和BPA。

5.基于权利要求1所述去除水中典型内分泌干扰物的复合土层系统的方法，其特征在于，使待处理水自上而下依次通过降解层(1)、吸附层(2)和过滤承托层(3)。

6.去除水中典型内分泌干扰物的实验装置，其特征在于，包括：

有机玻璃柱体(4)，外径15cm，内径14cm，总高度1m，其顶端有进水口，底端有出水口；

自下而上位于有机玻璃柱体(4)内的厚度10cm的过滤承托层(3)、厚度50cm的吸附层(2)和厚度30cm的降解层(1)；

位于降解层(1)上方的再生水容腔(5)，再生水容腔(5)侧面设置溢流口(6)，再生水在再生水容腔(5)中高度为7cm，溢流口(6)距离有机玻璃柱体(4)顶端进水口3cm；

其中，有机玻璃柱体(4)的侧面开有3个水样取口(7)，与降解层(1)上表面的距离依次为10cm、30cm、55cm；

所述水样取口(7)设置有用于取水的双管陶土头，与所述水样取口(7)位于同一水平面上设置有相应的土样取口(8)。