CN113072192A - 一种强化人工湿地去除水中全氟化合物的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于环保技术领域，具体涉及一种强化人工湿地去除水中全氟化合物的系统和方法，所述系统的基质填料包括铁氧化物和铁异化还原菌，利用系统能够实现污染物胞外降解，提高了人工湿地系统的污染物降解能力，避免了全氟化合物给微生物造成的毒害。
Description
技术领域
本发明属于环保技术领域，具体涉及一种强化人工湿地去除水中全氟化合物的系统和方法。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
全氟化合物(PFCs)是一种新兴的微量有机物，具有化学稳定性、热稳定性、疏水疏油性等特性，其被广泛运用于各种工业生产，如食品包装材料、涂料、不粘锅、农药、灭火器等。由于其在自然环境和人体中都很难被分解代谢，因此其易在食物链中富集和传播。又因其具有生态毒性、生殖毒性，遗传毒性，其已被列入世界卫生组织公布的致癌物清单。目前，我国河流流域及污水处理厂、自来水厂都能检测到PFCS的存在，并且在美国收集的血液样本中，也能检测到PFCS。由于氟是电负性强，C-F键极性强、键能高，具有很强的稳定性，传统污水处理厂对其去除率极低，出水中PFCS的浓度高达1057.1～7661ng/L，远超美国环境保护总署2016年发布的健康建议值70ng/L。常用的再生水深度处理技术，例如吸附、膜过滤、高级氧化等物理化学技术可有效去除水中PFCS，但成本较高、反应条件要求苛刻、操作管理复杂、易引起二次污染，难以在流域水环境中推广。
人工湿地作为一种模拟自然过程实现废水净化的生态处理技术，主要利用“植物-基质-微生物”的协同作用去除水中的污染物，具有建造和运行费用便宜、易于维护、运行管理方便等特点。其中，基质作为人工湿地的骨架，在人工湿地的运行过程中能够吸附水中污染物，随着基质吸附作用达到饱和后又会重新释放污染物到水体中，带来二次污染。同时，由于沸石、蛋白石、陶粒和生物碳材料受制于较高的制造成本，难以大规模的应用于人工湿地。微生物作为人工湿地系统的组成成分，微生物代谢是分解污染物重要的方式，由于PFCS的可生化性差、结构复杂，难以被微生物利用，同时PFCS的跨膜传输受限，对细胞造成毒害，导致微生物胞内传质效率低、污染物去除效果差。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种强化人工湿地去除水中全氟化合物的系统和方法，能够实现污染物胞外降解，提高了人工湿地系统的污染物降解能力，避免了全氟化合物给微生物造成的毒害。
具体地，本公开的技术方案如下所述：
在本公开的第一方面，一种强化人工湿地去除水中全氟化合物的系统，所述系统的基质填料包括铁氧化物和铁异化还原菌。
在本公开的第二方面，一种强化人工湿地去除水中全氟化合物的方法，进水通过蠕动泵输送至所述的系统内，进水由上至下通过石英砂层、砾石层，净化后的水由排水管排出。
在本公开的第三方面，所述的强化人工湿地去除水中全氟化合物的系统和/或所述的强化人工湿地去除水中全氟化合物的方法在污水净化中的应用，铁氧化物耦合铁异化还原菌可将系统出水中PFOA和PFOS去除率提高至94.1±1.4％和90.1±5.7％。
本公开中的一个或多个技术方案具有如下有益效果：
(1)、本公开以自然界中常见的铁氧化物作为人工湿地的基质填料，利用铁离子的静电吸附作用强化湿地基质的吸附功能，同时，铁氧化物中的三价铁在厌氧条件下能被铁异化还原菌(FeRB)利用PFCS作为电子供体将三价铁还原为亚铁，亚铁再在大气复氧和植物根系泌氧条件下被氧化为三价铁。实现铁离子循环，避免出水铁离子超标。
(2)、利用FeRB的还原作用，实现污染物胞外降解，提高了人工湿地系统的污染物降解能力，在实现基质内污染物降解并维持基质吸附能力的同时，避免了PFCS给微生物造成的毒害。
(3)、本公开采用特定的人工湿地系统，结构简单，组装方便，而且，在去除污水中全氟化合物的过程中对于装置没有其他特殊要求，极大的降低了成本。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
以下，结合附图来详细说明本公开的实施方案，其中：
图1为实施例1的强化人工湿地去除水中全氟化合物的系统；
图2为实施例2的PFCS出水浓度对比图；
图3为实施例2的人工湿地装置基质不同深度典型PFCs浓度。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本公开。应理解，这些实施例仅用于说明本公开而不用于限制本公开的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。
目前，由于PFCS的可生化性差、结构复杂，难以被微生物利用，同时，PFCS的跨膜传输受限，对细胞造成毒害，导致现有的人工湿地系统对污染物中全氟化合物的去除效率较差，为此，本公开提供了一种强化人工湿地去除水中全氟化合物的系统和方法。
在本公开的一种实施方式中，一种强化人工湿地去除水中全氟化合物的系统，所述系统的基质填料包括铁氧化物和铁异化还原菌。铁氧化物有利于强化湿地基质的吸附功能，有利于降低二次污染，同时，铁氧化物中的三价铁在厌氧条件下能被铁异化还原菌(FeRB)利用PFCS作为电子供体将三价铁还原为亚铁，亚铁再在大气复氧和植物根系泌氧条件下被氧化为三价铁。铁异化还原菌为全氟化合物去除的功能菌，不仅可将铁离子还原，同样对全氟化合物具有去除作用。全氟化合物对微生物具有毒性，由于微生物胞内降解会对微生物造成毒害，本公开是利用铁异化还原菌的胞外降解能力，削减全氟化合物对微生物的毒性，所涉及铁异化还原菌为Acidimicrobium sp.Strain A6。
为了避免全氟化合物吸附到人工湿地系统的内壁，所述系统采用聚丙烯柱构建而成，为了构建稳定的人工湿地系统，采用内径为20-35cm，高40-60cm的聚丙烯柱构建人工湿地系统。
该人工湿地系统中，所述基质包括两层，底层为砾石层，上层为石英砂层，所述石英砂层掺杂铁氧化物，并接种铁异化还原菌。进一步地，所述砾石层的砾石粒径为2-3cm，能够防止出水口堵塞，石英砂的直径为3-4mm，控制石英砂的尺寸有助于使得铁氧化物、铁异化还原菌在系统内均匀、稳定的分布。同时，控制好基质中的环境，能够为铁异化还原菌提供最佳环境，保持菌处于最佳活性。
进一步地，所述铁氧化物选自磁铁矿、赤铁矿、菱铁矿、褐铁矿或水铁矿中的一种或多种。为了便于原位监测溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)、pH等理化参数，所述系统的中间设置有多孔PVC管，直径为3-5cm，通过对基质环境的随时监测，保证最佳的全氟化合物的去除效率。
所述人工湿地系统栽种常见的湿地植物菖蒲，采用连续流运行模式，装置上部进水，下部出水，保证待处理的水在基质中的连续运行，使得人工湿地系统保持稳定的环境。
在本公开的一种实施方式中，一种强化人工湿地去除水中全氟化合物的方法，进水通过蠕动泵输送至上述人工湿地系统内，进水由上至下通过石英砂层、砾石层，净化后的水由排水管排出。其中，所述全氟化合物包括PFCS全氟辛酸(PFOA)和全氟辛烷基磺酸(PFOS)。
具体地，在人工湿地系统中，水力停留时间为2-5天，进水负荷为0.15-0.4m3(m2·周期)，处于该进水负荷环境下，有助于维持人工湿地系统中反应的稳定进行。
在本公开的一种实施方式中，所述的强化人工湿地去除水中全氟化合物的系统和/或所述的强化人工湿地去除水中全氟化合物的方法在污水净化中的应用，应用过程中，铁氧化物耦合铁异化还原菌可将系统出水中PFOA和PFOS去除率提高至94.1±1.4％和90.1±5.7％。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本公开的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本公开的技术方案。
实施例1
一种强化人工湿地去除水中全氟化合物的系统，采用内径25cm，高50cm的聚丙烯柱构建人工湿地系统。水生植物采用菖蒲，基质共包含两层，底层高度为5cm，底层包括粒径2-3cm的砾石，石英砂层的高度为40cm，该石英砂为直径10-20mm的石英砂，石英砂层掺杂赤铁矿、水铁矿等铁氧化物并接种FeBR菌。同时，进水口设置在系统上部，出水口设置在系统下部，进水为上进下出。中间设有直径4cm的多孔PVC管，便于原位监测理化参数。
实施例2：
采用实施例1所述的人工湿地系统，去除水中的全氟化合物，具体过程为，进水采用污水处理厂一级B出水(GB 18918-2002)，并且投配PFCS全氟辛酸(PFOA)和全氟辛烷基磺酸(PFOS)。使用时，通过蠕动泵将含PFCS的污水通入到人工湿地去除水中全氟化合物的系统内，水力停留时间(HRT)设置为3天，进水负荷为0.217m3/(m2·周期)。根据人工湿地系统运行情况，随时调整污染物进水浓度，并重点对出水PFCS进行定量和定性分析。
对比例1：
与实施例2相比，区别在于，采用的人工湿地系统中，不添加铁异化还原菌。
对比例2：
与实施例2相比，区别在于，采用的人工湿地系统中，不添加铁氧化物和铁异化还原菌。
稳定运行180天后，对比例1中仅仅添加铁氧化物的人工湿地系统对水中PFOA和PFOS的去除率分别为87.9±4.13％和86.8±8.3％，而实施例1中的铁氧化物耦合FeRB可进一步将人工湿地系统出水中PFOA和PFOS去除率提高至94.1±1.4％和90.1±5.7％，较对比例2的空白对照组分别提高25％和29％左右(图2PFCS出水浓度对比图)。该实验结果表明，人工湿地系统中以铁氧化物作为基质并接种铁异化还原菌，对于去除水中PFCS具有良好的效果。其中，为了保证测试准确性，针对实施例1、对比例1、对比例2都设置了两组。
如图3所示，证明了在深层基质(即厌氧层)，铁异化还原菌发挥作用，降低了全氟化合物浓度。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种强化人工湿地去除水中全氟化合物的系统，其特征是，所述系统的基质填料包括铁氧化物和铁异化还原菌。
2.如权利要求1所述的一种强化人工湿地去除水中全氟化合物的系统，其特征是，所述系统采用聚丙烯柱构建而成。
3.如权利要求1所述的一种强化人工湿地去除水中全氟化合物的系统，其特征是，所述基质包括两层，底层为砾石层，上层为石英砂层，所述石英砂层掺杂铁氧化物，并接种铁异化还原菌。
4.如权利要求1所述的一种强化人工湿地去除水中全氟化合物的系统，其特征是，所述铁氧化物选自磁铁矿、赤铁矿、菱铁矿、褐铁矿或水铁矿中的一种或多种。
5.如权利要求3所述的一种强化人工湿地去除水中全氟化合物的系统，其特征是，所述砾石层的砾石粒径为2-3cm；或，石英砂的直径为10-20mm。
6.如权利要求1所述的一种强化人工湿地去除水中全氟化合物的系统，其特征是，所述系统的中间设置有多孔PVC管。
7.一种强化人工湿地去除水中全氟化合物的方法，其特征是，进水通过蠕动泵输送至权利要求1-6任一项所述的系统内，进水由上至下通过石英砂层、砾石层，净化后的水由排水管排出。
8.如权利要求7所述的一种强化人工湿地去除水中全氟化合物的方法，其特征是，所述全氟化合物包括PFCS全氟辛酸(PFOA)和全氟辛烷基磺酸(PFOS)。
9.如权利要求7所述的一种强化人工湿地去除水中全氟化合物的方法，其特征是，水力停留时间为2-5天，进水负荷为0.15-0.4m3(m2·周期)。
10.权利要求1-6任一所述的强化人工湿地去除水中全氟化合物的系统和/或权利要求7-9任一所述的强化人工湿地去除水中全氟化合物的方法在污水净化中的应用，其特征是，应用过程中，铁氧化物耦合铁异化还原菌可将系统出水中PFOA和PFOS去除率提高至94.1±1.4％和90.1±5.7％。
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