CN106542698B - 一种去除多溴联苯醚的人工复合土层渗滤系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种去除多溴联苯醚的人工复合土层渗滤系统，该系统自上而下包括截留好氧降解层(1)、吸附兼氧降解层(2)、外源电子供体强化降解层(3)和承托层(4)。该系统可在连续运行3～5年的条件下，去除90％以上的多溴联苯醚，水力负荷在0.5m/d以上，适用于再生水河湖利用涵养地下水河床的设计、多溴联苯醚污染水体的深度净化和电子拆解场地的地面设计。

Description

一种去除多溴联苯醚的人工复合土层渗滤系统
技术领域
本发明属于环境工程技术领域，具体涉及一种去除多溴联苯醚的人工复合土层渗滤系统，更具体的说是一种应用于再生水河湖利用涵养地下水前处理工艺河床的设计、多溴联苯醚污染水体的深度循环净化工艺和电子拆解场地的污染防控地面设计。
背景技术
我国每年有约数百亿吨的再生水排入附近的河湖，而这部分再生水通过河湖利用、园林绿化和农田灌溉等途径自然涵养地下水，其中微量的多溴联苯醚对地下水乃至饮用水水质安全构成威胁。多溴联苯醚(PBDEs)作为一种溴代添加型阻燃剂，广泛应用于塑料、纺织、电路板等产品生产中。多溴联苯醚具有内分泌干扰特性和三致效应，是斯德哥尔摩公约中新增的受控污染物。由于多溴联苯醚的启用时间早、使用范围广，这些含有多溴联苯醚的产品在使用和废弃处置的过程中会将PBDEs持续释放到环境中，进而在环境中进行迁移、转化。土壤是多溴联苯醚的汇聚地，因为大多数PBDEs疏水性较强，具有较高的辛醇分配系数，因此在再生水河湖利用入渗地下水过程中及电子拆解场场地污染物迁移过程中，土壤是截留污染物、防止PBDEs迁移进入地下水的主要介质。而土壤对PBDEs的去除机制主要为吸附和生物降解作用。现有的土壤处理系统多以自然土地为处理渗滤介质，对场地的水文地质条件、土壤类型和地下水埋深等因素都有特定的要求。这些因素大大限制了该技术的应用。普通的土壤处理主要依靠土壤介质对PBDEs的吸附和生物降解达到水质净化能力，对PBDEs的去除能力有限，因此，按照污染物下渗过程中，场地条件由好氧-缺氧-厌氧的氧化还原条件，充分利用不同微生物的降解能力和吸附平衡之间的关系，提高土地处理系统的净化能力，构建一种强化去除多溴联苯醚的人工复合土层渗滤系统是一种颇具应用前景的处理技术。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种再生水涵养地下水过程中，以强化去除多溴联苯醚为主的人工复合土层渗滤系统，该系统具有投资和运行成本低、场地要求简单的特点，可作为再生水涵养地下水的前处理工艺和电子拆解厂的场地截污介质。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种去除多溴联苯醚的人工复合土层渗滤系统，该系统自上而下包括截留好氧降解层1、吸附兼氧降解层2、外源电子供体强化降解层3和承托层4，所述复合土层中微生物总量>107CFU/g；
所述截留好氧降解层1包括由质量比为5～10:10～15:60～70:1～3:10～15:0.5～1的细砂、河流表层沉积物、自然土壤、生物碳、富含变形菌门及酸杆菌门土壤与零价铁材料组成的复合介质，该复合介质的有机质含量>10g/kg、比表面积>10m2/g、颗粒(0.05-2mm)组成>45(wt)％，变形菌门及酸杆菌门微生物含量在微生物总量中的占比分别大于50％和30％；。
所述吸附兼氧降解层2包括由质量比为70～80:1～3:3～5:25～30的粉煤灰、黑炭、生物质和沸石粉、硅藻土或海泡石粉组成的混合物，该混合物经中温热处理制备成过滤吸附颗粒介质，所述介质的有机质含量>5g/kg、比表面积>20m2/g、颗粒(0.05-2mm)组成>55(wt)％，颗粒粒径为0.2～2cm；
所述外源电子供体强化降解层3包括由质量比为10～20:30～40:60～70的生物碳、硝酸盐氮缓释土和富含硝化螺旋菌门及Thaumarchaeota古菌门河流沉积物组成的介质，该介质比表面积>25m2/g、颗粒(0.05-2mm)组成>70(wt)％，硝化螺旋菌门及Thaumarchaeota古菌门的含量在微生物总量中的占比分别大于5％和3％；
所述承托层4自上而下包括由体积比为1～2:2～4:4～8的细砂、粗砂和鹅卵石组成的支撑透水层，三层的厚度分别为0.5～1cm，1～3cm，3～5cm。
进一步，所述系统顶部设置待处理水层，其由布水器均匀分布，采用淹没式或均匀喷洒式。
进一步，所述截留好氧降解层1、吸附兼氧降解层2、外源电子供体强化降解层3和承托层4的厚度分别为10～30cm、30～100cm、50～100cm和10～30cm。
进一步，所述吸附兼氧降解层2中颗粒介质的制备包括以下步骤，将该层物料混合均匀后，加入占物料总重量5～8％的净水，搅拌均匀后在2～6℃条件下陈化12～16h，用模具一次挤压成型，自然风干4～6h，在80～120℃下干燥10～12h，然后在通入氮气的条件下于400～500℃的马弗炉中焙烧3～5h，随炉冷却至室温后成型。
进一步，所述生物碳的制备程序为，首先将农业废弃物秸秆粉碎成1～3cm的小段，在磺化煤催化的限氧旋转马弗炉160～200℃的条件下加热2～4h，自然冷却至室温后制备而成。
进一步，所述承托层4的底部设有穿孔集水管，底部表面设有孔径为0.1～0.5mm的无纺布隔层。
本发明的有益效果：
1.本系统出水水质好，且3～5年运行过程中,强化多溴联苯醚去除率在90％以上。
2.本系统的水力负荷相比传统土壤淋溶处理水力负荷提高50％～100％，且土层厚度较低、强化污染物降解能力提升、堵塞问题解决。
3.对场地条件要求低，适用范围广，本系统采用的砂石和土壤来自天然介质，强化吸附材料来自工业和农业废弃物及水处理行业通用的材料，价格低廉，来源广泛，投资和运行费用低，系统维护简单，大大增加了本系统的使用范围。
附图说明
图1为本发明强化去除多溴联苯醚的人工复合土层渗滤系统对BDE-99的去除效果示意图。
图2为本发明强化去除多溴联苯醚的人工复合土层渗滤系统的结构示意图。
图3为实施例1制备的农业废弃物玉米秸秆制生物质炭的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图4为实施例1制备的农业废弃物玉米秸秆制生物质炭的红外分析图。
图5为实施例1制备的吸附兼氧降解层颗粒介质的扫描电子显微镜(SEM)图像。
图6为实施例1制备的吸附兼氧降解层颗粒介质的能谱分析图。
图7为实施例1制备的吸附兼氧降解层颗粒介质的XRD图。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
参见图2，一种强化去除多溴联苯醚的人工复合土层渗滤系统，自上而下包括4层，依次为截留好氧降解层1、吸附兼氧降解层2、外源电子供体强化降解层3和承托层4。截留好氧降解层1功能为强化多溴联苯醚的好氧生物降解和吸附，截留水中的悬浮性物质；吸附兼氧降解层2进一步强化吸附和兼氧微生物对上层渗滤液中多溴联苯醚及其代谢产物的降解；外源电子供体强化降解层3，在厌氧条件下，利用外来电子供体强化厌氧细菌及古菌对渗滤液中脱溴代谢产物、羟化及羧化代谢产物的碳化分解；承托层4支撑上部的填充介质，防止滤料流失，并截留细小的颗粒物质。
截留好氧降解层填充介质为河流河床的细砂、河流表层沉积物、自然土壤、生物碳、富含变形菌门及酸杆菌门土壤与零价铁等完全混合得到的透气性好、电子供体充足的透气性复合介质，强化以多溴联苯醚为代表的痕量难降解有机污染物的吸附和好氧降解；吸附兼氧降解层介质为对多溴联苯醚吸附性能良好的、易于兼氧微生物挂膜生长的、比表面积较大的粒径复合吸附填料，包括粉煤灰、黑炭、生物质和沸石粉、硅藻土或海泡石粉中温热处理制备的填料，进一步吸附和降解脱溴中间代谢产物；外源电子供体强化降解层介质为生物碳、硝酸盐氮缓释土层和富含硝化螺旋菌门及Thaumarchaeota古菌门河流沉积物的复合介质，强化厌氧条件下的生物降解作用；承托层介质为细砂、粗砂和鹅卵石组成的支撑透水层，防止渗滤层滤料流失。
所述的截留好氧降解层1由质量比为5～10:10～15:60～70:1～3:10～15:0.5～1河流河床的细砂、河流表层沉积物、自然土壤、生物碳、富含变形菌门及酸杆菌门土壤与零价铁等材料组成的复合介质，复合介质为有机质含量>10g/kg、比表面积>10m2/g、颗粒组成(0.05-2mm)>45(wt)％，变形菌门及酸杆菌门微生物含量在微生物总量中的占比分别大于50％和30％，所述复合土层中微生物总量大于107CFU/g。
所述的吸附兼氧降解层2由质量比为70～80:1～3:3～5:25～30粉煤灰、黑炭、生物质和沸石粉、硅藻土或海泡石粉等材料中温热处理制备的过滤吸附颗粒介质，介质为有机质含量>5g/kg、比表面积>20m2/g、颗粒组成(0.05-2mm)>55(wt)％，颗粒粒径为0.2～2cm。
所述的外源电子供体强化降解层3由质量比为10～20:30～40:60～70生物碳、硝酸盐氮缓释土层和富含硝化螺旋菌门及Thaumarchaeota古菌门河流沉积物等材料组成的介质，介质比表面积>25m2/g、颗粒组成(0.05-2mm)>70(wt)％，硝化螺旋菌门及Thaumarchaeota古菌门的含量在微生物总量中的占比分别大于5％和3％，所述复合土层中微生物总量>107CFU/g。
所述的承托层4为自上而下体积比为1～2:2～4:4～8的细砂、粗砂和鹅卵石组成的支撑透水层，三种介质的级配为0.5～1cm，1～3cm，3～5cm。
所述截留好氧降解层1、吸附兼氧降解层2、外源电子供体强化降解层3和承托层4的厚度分别为10～30cm、30～100cm、30～100cm和10～30cm。
所述复合土层渗滤系统顶部的布水系统需要均匀布设，采用淹没式或均匀喷洒式。
所述吸附兼氧降解层2颗粒介质的制备，将物料混合均匀后，加入占混合料总重量5～8％的净水，搅拌均匀后在2～6℃条件下陈化12～16h，用机械模具一次挤压成型，自然风干4～6h，在80～120℃下干燥10～12h，然后在通入氮气的条件下于400～500℃的马弗炉中焙烧3～5h，随炉冷却至室温后成型。
所述生物碳的制备程序为，首先将农业废弃物秸秆粉碎成1～3cm的小段，在磺化煤催化的限氧旋转马弗炉160～200℃的条件下加热2～4h，自然冷却至室温后制备而成。
所述承托层4的底部设有穿孔集水管，底部表面设有孔径为0.1～0.5mm的无纺布隔层。
具体方法为：在强化去除多溴联苯醚的人工复合土层渗滤系统的纵向上，沿垂直方向每0.5m设置1个渗滤液收集装置5和监测取样口7，渗滤液收集装置5用来收集不用深度土层的渗滤液，监测不同深度多溴联苯醚及代谢产物的种类和浓度、温度、pH、氧化还原电位；监测取样口7连接测压管用来监测土层中的水位，并可用来取不同深度的土壤样品，分析多溴联苯醚及代谢产物在土壤中的累积。复合土层上部0.2m处设置溢流口6排除超高液位的水；复合土层下部设有监测口9用于监测土层的渗透速率，承托层4中间设有穿孔集水管12，并与监测口9连接。
待处理的再生水或入渗地下的河水，由循环泵8输送至复合土层渗滤系统上方，由布水器10均匀分布到人工复合土层渗滤系统的上方，形成待处理水层11，超出设计最高水位的进水由溢流口6排出。净水经过滤承托层底部的穿孔集水管12收集后，在复合土层下方由监测口9排出。
本发明的强化去除多溴联苯醚的人工复合土层渗滤系统可连续运行，形成连续定水头淹灌；也可采用干湿交替的运行方式，干湿比1:3～6。
实施例1
一种强化去除多溴联苯醚的人工复合土层渗滤系统，其截留好氧降解层1由质量比为5:10:60:1:10:0.5的潮白河河流河床的细砂及河流表层沉积物、大兴区自然农田土壤、生物碳、潮白河再生水回灌区富含变形菌门及酸杆菌门土壤与零价铁粉末等材料组成的复合介质，混合后的比表面积为12.838m2/g，填充厚度为30cm。
吸附兼氧降解层2由质量比为70:1:3:2:25粉煤灰、碱提取黑炭、生物质和沸石粉、硅藻土或海泡石粉等材料中温热处理制备的过滤吸附颗粒介质，介质为有机质含量为5.7g/kg、比表面积为20.6m2/g、颗粒组成(0.05-2mm)占57.9(wt)％，颗粒粒径为0.2～2cm，填充厚度为30cm。
外源电子供体强化降解层3由质量比为10:30:60生物碳、硝酸盐氮缓释土层和富含硝化螺旋菌门及Thaumarchaeota古菌门潮白河河流沉积物等材料组成的介质，介质比表面积>25m2/g、颗粒组成(0.05-2mm)>70(wt)％，硝化螺旋菌门及Thaumarchaeota古菌门的含量在微生物总量中的占比分别大于5％和3％，比表面积为27.6m2/g、颗粒组成(0.05-2mm)占70.2(wt)％，填充厚度为30cm。
承托层4为自上而下体积比为2:4:4的细砂、粗砂和鹅卵石组成的支撑透水层，三种介质的级配为0.5～1cm，1～3cm，3～5cm，填充厚度为25cm。
所述生物碳的制备程序为，首先将农业废弃物秸秆粉碎成1～3cm的小段，在磺化煤催化的限氧旋转马弗炉160℃的条件下加热2h，自然冷却至室温后制备而成。
本实施例以北京市某再生水为供试水源，多溴联苯醚BDE-99浓度为25μg/L，运行方式为连续定水头淹灌和干湿交替回灌，干湿比为1:6。本实施例的强化多溴联苯醚去除的人工复合土层渗滤系统可在连续运行1年的条件下，去除90％以上的多溴联苯醚及中间代谢产物，水力负荷在0.5m/d以上。
由图1可以看出，连续运行1年的时间内，BDE-99的去除率在90％以上，且土壤中累积的BDE-99总量并未达到其饱和吸附容量，其去除机制以生物降解为主，因此该系统可以对BDE-99保持持续的去除效果。
以上实施例仅用于说明本发明的实施方案，并不限制本发明的实施范围。凡不偏离本发明的权利要求所做的等同变化与修饰，仍属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种去除多溴联苯醚的人工复合土层渗滤系统，其特征在于，该系统自上而下包括截留好氧降解层(1)、吸附兼氧降解层(2)、外源电子供体强化降解层(3)和承托层(4)，所述复合土层中微生物总量>107CFU/g；
所述截留好氧降解层(1)包括由质量比为5～10:10～15:60～70:1～3:10～15:0.5～1的细砂、河流表层沉积物、自然土壤、生物碳、富含变形菌门及酸杆菌门土壤与零价铁材料组成的复合介质，该复合介质的有机质含量>10g/kg、比表面积>10m2/g、0.05-2mm颗粒>45wt％，变形菌门及酸杆菌门微生物含量在微生物总量中的占比分别大于50％和30％；
所述吸附兼氧降解层(2)包括由质量比为70～80:1～3:3～5:25～30的粉煤灰、黑炭、生物质和沸石粉、硅藻土或海泡石粉组成的混合物，该混合物经中温热处理制备成过滤吸附颗粒介质，所述介质的有机质含量>5g/kg、比表面积>20m2/g、0.05-2mm颗粒>55wt％，颗粒粒径为0.2～2cm；所述吸附兼氧降解层(2)中颗粒介质的制备包括以下步骤，将该层物料混合均匀后，加入占物料总重量5～8％的净水，搅拌均匀后在2～6℃条件下陈化12～16h，用模具一次挤压成型，自然风干4～6h，在80～120℃下干燥10～12h，然后在通入氮气的条件下于400～500℃的马弗炉中焙烧3～5h，随炉冷却至室温后成型；
所述外源电子供体强化降解层(3)包括由质量比为10～20:30～40:60～70生物碳、硝酸盐氮缓释土和富含硝化螺旋菌门及Thaumarchaeota古菌门河流沉积物组成的介质，该介质比表面积>25m2/g、0.05-2mm颗粒>70wt％，硝化螺旋菌门及Thaumarchaeota古菌门的含量在微生物总量中的占比分别大于5％和3％；
所述承托层(4)自上而下包括由体积比为1～2:2～4:4～8的细砂、粗砂和鹅卵石组成的支撑透水层，三层的厚度分别为0.5～1cm，1～3cm，3～5cm；
所述生物碳的制备程序为，将秸秆粉碎至1～3cm，在磺化煤催化的限氧旋转马弗炉160～200℃的条件下加热2～4h，自然冷却至室温后制备而成。
2.根据权利要求1所述渗滤系统，其特征在于，所述系统顶部设置待处理水层，其由布水器均匀分布，采用淹没式或均匀喷洒式。
3.根据权利要求1所述渗滤系统，其特征在于，所述截留好氧降解层(1)、吸附兼氧降解层(2)、外源电子供体强化降解层(3)和承托层(4)的厚度分别为10～30cm、30～100cm、50～100cm和10～30cm。
4.根据权利要求1所述渗滤系统，其特征在于，所述承托层(4)的底部设有穿孔集水管，顶部表面设有孔径为0.1～0.5mm的无纺布隔层。
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