CN108033542A - 一种快速去除苯并（a）芘（BaP）和砷复合污染废水的方法 - Google Patents

一种快速去除苯并（a）芘（BaP）和砷复合污染废水的方法 Download PDF

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Abstract

一种快速去除苯并（a）芘（BaP）和砷复合污染废水的方法，涉及一种去除复合污染废水的方法，本发明BaP和As3+预氧化和微生物降解两步法的协同使用。预氧化所选用的高铁酸钾能同时氧化两种污染物、降低复合污染的毒性而其本身不带来二次污染的一种强氧化剂，微生物降解所选用的微生物是既能耐受高毒性复合污染废水，同时又能高效吸附与降解复合污染物的镰刀菌。本发明首次运用2步法（预氧化和生物处理）有效解决了高毒性有机物与重金属复合污染难于生化的瓶颈。经处理后的复合污染废水，BaP 10d的去除率为88.98%，总As（As3+和As5+）的去除率为96.15%。该方法技术通用性好，广泛适用于毒性强难于生化的有机物与重金属复合污染废水的治理。

Description

一种快速去除苯并（a）芘（BaP）和砷复合污染废水的方法
技术领域
本发明涉及一种去除复合污染废水的方法，特别是涉及一种快速去除苯并（a）芘（BaP）和砷复合污染废水的方法。
背景技术
伴随工农业的飞速发展, 与日俱增的重金属和持久有机污染物在未经处理或处理不达标的情况下排放到环境中，大量的污染物随降雨和径流等途径最终汇入河流、湖泊等水体沉积物,造成地表水的持续污染。重金属和多环芳烃（分别以砷和苯并(a)芘为例）是环境中两类典型的严重污染物，它们在环境中共存并且经常发生各种交互作用影响赋存形态的转变。苯并(a)芘（BaP）是典型的PAHs类有机污染物，由于其致畸和致癌性，美国环保局已将16种多环芳烃列入优先控制有机污染物名单；而砷是世界公认的优先重视的典型重金属类污染物。据报道，在沉积物复合污染体系中，一些多环芳烃的微生物代谢产物比其母体化合物毒性更强，另一方面某些重金属在相应条件下与小分子有机物络合后所生成的有机金属化合物毒性成指数倍上升。它们在水环境中不断积累到超饱和的程度时，当受到环境条件变化时,这些复合污染物质就像触发的 “化学定时炸弹”,导致严重生态环境灾难。因此，研究沉环境中金属与多环芳烃同时快速去除的方法对环境效益、经济效益与社会效益具有十分重要的意义。
近几十年来，许多学者利用物理、化学和微生物的方法治理BaP和As3+污染废水。但是这些方法在不同方面均有一定局限性。BaP和As3+复合污染废水的特点是砷在微生物扰动条件下，严重影响BaP的降解率、矿化率与降解途径。三价砷的毒性远大于五价砷。许多微生物对BaP和As3+共存的复合污染废水的耐受性极差。因此，寻找降低BaP和As3+复合污染毒性、本身又无二次污染的化合物是十分必要的。高铁酸钾作为一种环境友好型高效水处理剂，集氧化、杀菌和吸附功能于一体，并且本身不会产生二次污染而备受关注。因此，如何运用高铁酸钾对复合污染物进行预氧化而又不杀死微生物影响后续降解的方法，开发出能有效处理BaP和As3+复合污染废水的修复技术成为当务之急。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速去除苯并（a）芘（BaP）和砷复合污染废水的方法，本发明BaP和As3+预氧化和微生物降解两步法协同使用，预氧化所选用的高铁酸钾能同时氧化两种污染物、降低复合污染的毒性而其本身不带来二次污染的一种强氧化剂；微生物降解所选用的微生物是既能耐受高毒性复合污染废水，同时又能高效吸附与降解复合污染物的镰刀菌。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种快速去除苯并（a）芘（BaP）和砷复合污染废水的方法，所述方法包括以下制备过程：
①复合污染物同时氧化：设置BaP和As3+复合污染废水中的浓度均为50mg L-1, 用0.1mol L-1NaOH和0.1mol L-1HCl pH范围为5.0-9.0，然后加入适量高铁酸钾固体，迅速振摇，所加入的氧化剂高铁酸钾的量与复合污染物总浓度和之比为10:1~30:1，氧化时间0-2h；
②微生物降解：首先制备镰刀菌菌液：操作均在室温无菌环境下进行；在灭菌净化工作台内将斜面上的黑曲霉菌种转接到马铃薯培养基中，每瓶菌液（50ml）接1-2环镰刀菌菌种，然后将摇瓶放入摇床培养，温度28 ℃，转速160 r/min，18 h后按照1~15%（v:v）的量转接入上述（1）氧化后的复合污染废水中，取样时间为0~12d，取样后测定废水中残留BaP和As3+；取样后废水中残留BaP和As3+的测定分别用高效液相色谱和原子荧光分光光度计进行测定。
所述的一种快速去除苯并（a）芘（BaP）和砷复合污染废水的方法，所述污染废水初始pH为6.5。
所述的一种快速去除苯并（a）芘（BaP）和砷复合污染废水的方法，所述预氧化时间为0.5。
所述的一种快速去除苯并（a）芘（BaP）和砷复合污染废水的方法，所述高铁酸钾与复合污染物之比为10:1（m:m）。
所述的一种快速去除苯并（a）芘（BaP）和砷复合污染废水的方法，所述培养好的菌液加入到复合污染废水的量是10%（v:v）；
所述的一种快速去除苯并（a）芘（BaP）和砷复合污染废水的方法，所述取样时间为10d。
所述的一种快速去除苯并（a）芘（BaP）和砷复合污染废水的方法，所述实验温度为30℃。
所述的一种快速去除苯并（a）芘（BaP）和砷复合污染废水的方法，所述转数预氧化阶段为200r，微生物降解阶段为100r，即200-100r。
本发明的优点与效果是：
本发明对难于生化的有“三致作用”的有机物的预氧化能力强、无二次污染、对降解微生物无影响的复合污染废水快速治理方法。为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：一种同时快速去除苯并（a）芘（BaP）和砷复合污染废水的方法，主要涉及两个步骤，即复合污染物BaP和As3+的氧化和微生物降解；所述同时快速去除的方法是运用具有强氧化能力的高铁酸钾同时氧化BaP和As3+，使有机物和重金属的毒性同时降低。氧化反应结束后，接入耐受砷污染并且能高效降解BaP的优势微生物黑曲霉菌液。所用的高铁酸钾发生氧化后生成多级羟基氧化铁，能够有效吸附废水中的BaP和As3+的母体化合物以及氧化产物，使废水中的复合污染物浓度显著降低，增大可生化性。
1．本发明首次运用2步法（预氧化和生物处理），将具有高毒性难于生化的复合污染废水经预氧化后毒性显著降低，然后运用驯化好的优势微生物进行吸附与降解。有效解决了高毒性有机物与重金属复合污染难于生化的瓶颈。
2．本发明的2步法处理BaP和As3+复合污染废水获得较理想的处理效果，完全能够解决高毒性有机与无机复合污染废水难于生化的难题。BaP 10d的去除率为88.98%，总As（As3+和As5+）的去除率为96.15%。所选用的氧化剂高铁酸钾氧化能力强、反应时间短，高铁酸钾氧化后不再具有杀菌性，因此不会影响下一步微生物降解。该方法技术通用性好，广泛适用于毒性强难于生化的有机物与重金属复合污染废水的治理。
附图说明
图1 是高铁酸钾与污染物质量之比值；
图2 是镰刀菌用量对复合污染物去除率的影响；
图3 是溶液初始酸度对复合污染物综合去除效果的影响；
图4 是摇瓶转数对不同浓度复合污染物去除率的影响。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
本发明的技术步骤：
1. 复合污染物同时氧化：设置BaP和As3+复合污染废水中的浓度均为20mg L-1, 用0.1mol L-1NaOH和0.1mol L-1HCl 调复合污染废水的初始pH范围为5.0-9.0，然后加入适量高铁酸钾固体，迅速振摇0.5h，所加入的氧化剂高铁酸钾与复合污染物之比为10:1~30:1（m:m）；
2. 微生物降解：
马铃薯培养基：马铃薯去皮，取100 g切成小块，加入500 mL蒸馏水，煮沸30 min后过6层纱布，在滤液中加入10 g蔗糖并补足水分到500 mL。准备10个250 mL锥形瓶，分别加入10.0 mL马铃薯培养液和90.0 mL蒸馏水，用12层纱布封好，放入预热好的蒸汽灭菌器中，锥形瓶上端口用牛皮纸封好（防止湿热灭菌时进水）。灭菌条件：压力0.13 MPa，温度120 ℃，时间20 min，灭菌完成，冷却至室温后取出，备用。
首先制备镰刀菌菌液：在灭菌净化工作台内将斜面上的镰刀菌菌种转接到马铃薯培养基中，每瓶菌液（50ml）接1-2环镰刀菌菌种，然后将摇瓶放入摇床培养，温度28 ℃，转速160 r/min，18 h后按照1~15%（v:v）的量转接入上述（1）氧化后的复合污染废水中，取样时间为0~12d，取样后测定废水中残留BaP和As3+和As5+。BaP和As的测定分别用高效液相色谱和原子荧光分光光度计进行测定。
3.上述的复合污染废水治理方法中，经过条件优化后，所述步骤1中，污染废水初始pH为6.5，预氧化时间为0.5，高铁酸钾与复合污染物之比为10:1（m:m）；所述步骤1中，培养好的菌液加入到复合污染废水的量是10%（v:v），取样时间为10d；实验温度为30℃；预氧化阶段摇瓶转数为200r，微生物降解阶段为100r，记为200-100r。
实施例
以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
以下各实施例中，采用的实验设备、药剂和测定方法等如下：
1．实验设备及仪器
本发明将选用高铁酸钾为氧化剂，氧化反应结束后利用驯化的镰刀菌（来源于中科院沈阳应用生态研究所）进行处理实验室模拟BaP和As3+废水，探讨了最佳处理条件及效果。
实验中需要使用的主要实验设备有高效液相色谱、原子荧光分光光度计、净化工作台、生化培养箱、高压灭菌锅和恒温震荡摇床等。
2．主要实验材料与药剂
镰刀菌来源于中科院沈阳应用生态研究所，经目标污染物反复驯化（污染物浓度由低到高逐步驯化45d）。
3．测定方法
BaP的测定运用高效液相色谱，As3+测定运用原子荧光分光光度计。
实施例1：高铁酸钾用量对BaP和As3+去除效果的影响
实验主要是分两步进行：
化学氧化步骤：BaP和As3+的浓度均为20mg L-1, 用0.1mol L-1NaOH和0.1mol L-1HCl调复合污染废水的初始pH范围为5.0-9.0，然后加入适量高铁酸钾固体，迅速振摇，所加入的氧化剂高铁酸钾与复合污染物之比为10:1-30:1（m:m），氧化时间0-2h；
微生物降解步骤：首先制备镰刀菌菌液（培养基如上所述），在灭菌净化工作台内将斜面上的镰刀菌菌种转接到马铃薯培养基中，每瓶菌液（50ml）接1-2环镰刀菌菌种，然后将摇瓶放入摇床培养，温度28 ℃，转速160 r/min，18 h后按照1~15%（v:v）的量转接入上述“第一步”氧化后的复合污染废水中，取样时间为0-12d，取样后测定废水中残留BaP和总As含量。所确定的最佳值用于下一条件。
实施例2：镰刀菌用量对复合污染物去除效果的影响
利用上述已确定的最佳条件并在其他条件不变的情况下，将浓度均一的菌液按体积（1%-20%）分别加入到氧化后的复合污染废水中，每个样品做5个平行实验，其他条件和方法同上。
实施例3：废水初始酸度对化学氧化和微生物降解综合效果的影响
利用上述已确定的最佳条件并在其他条件不变的情况下，研究废水初始酸度对化学氧化和微生物降解综合效果的影响。废水酸度用0.1mol L-1NaOH和0.1mol L-1HCl 调pH范围为5.0-9.0（以实际调出的结果记录数据），其他条件和方法同上。
实施例4：不同温度和转数对实验综合效果的影响
利用已确定的最佳条件并在其他条件不变的情况下，研究不同温度（20-40℃）、不同转数（100r、200r、100-200r和200-100r）对BaP和As去除综合效果的影响。
所述100-200r是指氧化段为100r，微生物降解段为200r；同样200-100r是指氧化段为200r，微生物降解段为100r。
根据上述实验确定化学氧化与微生物联合降解含BaP和As3+复合污染废水的最佳条件为氧化剂高铁酸钾与复合污染物（BaP和As3+质量和）之比为10:1（m:m）、镰刀菌菌液加入量为10%（v:v）、废水初始pH为6.5、实验温度为30℃、转数为200-100r(200r，微生物降解段为100r)。
复合污染废水的去除效果为：BaP 10d的去除率为88.98%，总As的去除率为96.15%。说明本发明运用高铁酸钾和镰刀菌的两步法去除BaP和As3+复合污染废水的效果较好，完全能够解决高毒性有机与无机复合污染废水难于生化的难题。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种快速去除苯并（a）芘（BaP）和砷复合污染废水的方法，其特征在于，所述方法包括以下制备过程：
①复合污染物同时氧化：设置BaP和As3+复合污染废水中的浓度均为50mg L-1, 用0.1mol L-1NaOH和0.1mol L-1HCl pH范围为5.0-9.0，然后加入适量高铁酸钾固体，迅速振摇，所加入的氧化剂高铁酸钾的量与复合污染物总浓度和之比为10:1~30:1，氧化时间0-2h；
②微生物降解：首先制备镰刀菌菌液：操作均在室温无菌环境下进行；在灭菌净化工作台内将斜面上的黑曲霉菌种转接到马铃薯培养基中，每瓶菌液（50ml）接1-2环镰刀菌菌种，然后将摇瓶放入摇床培养，温度28 ℃，转速160 r/min，18 h后按照1~15%（v:v）的量转接入上述（1）氧化后的复合污染废水中，取样时间为0~12d，取样后测定废水中残留BaP和As3+；取样后废水中残留BaP和As3+的测定分别用高效液相色谱和原子荧光分光光度计进行测定。
2.根据权利要求1所述的一种快速去除苯并（a）芘（BaP）和砷复合污染废水的方法，其特征在于，所述污染废水初始pH为6.5。
3.根据权利要求1所述的一种快速去除苯并（a）芘（BaP）和砷复合污染废水的方法，其特征在于，所述预氧化时间为0.5。
4.根据权利要求1所述的一种快速去除苯并（a）芘（BaP）和砷复合污染废水的方法，其特征在于，所述高铁酸钾与复合污染物之比为10:1（m:m）。
5.根据权利要求1所述的一种快速去除苯并（a）芘（BaP）和砷复合污染废水的方法，其特征在于，所述培养好的菌液加入到复合污染废水的量是10%（v:v）。
6.根据权利要求1所述的一种快速去除苯并（a）芘（BaP）和砷复合污染废水的方法，其特征在于，所述取样时间为10d。
7.根据权利要求1所述的一种快速去除苯并（a）芘（BaP）和砷复合污染废水的方法，其特征在于，所述实验温度为30℃。
8.根据权利要求1所述的一种快速去除苯并（a）芘（BaP）和砷复合污染废水的方法，其特征在于，所述转数预氧化阶段为200r，微生物降解阶段为100r，即200-100r。
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