CN111762978B - 深度去除污水中药物类微污染物的uv/h2o2联合生物活性炭工艺 - Google Patents
深度去除污水中药物类微污染物的uv/h2o2联合生物活性炭工艺 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种深度去除污水中药物类微污染物的UV/H2O2联合生物活性炭工艺,包括以下步骤:(1)配置药物类微污染物标准品高浓度混合液,加入H2O2进行UV光照反应;(2)添加营养源驯养生物活性炭柱;(3)生物活性炭柱的进一步稳定和活化;(4)污水沉淀分离;(5)加入H2O2溶液进行UV光照反应,使水中微污染物初步分解矿化;(6)出水进行生物活性炭处理;(7)出水进行结果分析,消毒,排放。本发明使用UV/H2O2联合生物活性炭工艺,可有效去除污水中的药物类污染物,使污水排放达到要求,降低了药物类污染物带来的环境风险。且本发明弥补了现有技术对药物类去除不完全、转化产物增大风险的缺点,填补了国内外污水中药物类污染物去除技术的空白。
Description
技术领域
本发明涉及污水深度净化处理技术领域,具体是涉及一种深度去除污水中药物类微污染物的UV/H2O2联合生物活性炭工艺。
背景技术
药物属于新型污染物,种类繁多,可包括广泛使用的各类处方药和非处方药,如抗生素、非甾体类抗炎药、β-受体阻滞剂、脂质调节剂、止痛药、***、镇静剂和激素等。药物类微污染物通常不会完全被人体吸收,因此未被吸收的部分就会随着***进入下水道,能够通过多种途径进入水环境,包括市政污水、工业废水处理厂直接排放、医院污水、下水道泄漏/下水道溢流、垃圾渗滤液,以及来自城市或农业区域的地表径流。水环境中排放的药物类微污染物通常可以保留其原始浓度和结构,或者被物理或生物转化为其他活性 (或非活性)化合物。尽管水环境中药物类微污染物的浓度较低,一些微污染物在低浓度下仍然具有生物活性,并且会在水生生物中积累,最终导致水生生态***可持续性的变化。现有研究表明药物类微污染物会产生内分泌干扰、神经毒性、遗传毒性和致变突性等风险。因此,需要重点关注污水处理厂中药物类微污染物的去除与毒性的评估。
常见的污水深度处理净化工艺有生物净化、絮凝/沉淀-砂滤、反渗透、颗粒活性炭吸附、紫外光解和光催化,以及臭氧化等。其中生物净化、絮凝/ 沉淀-砂滤通常对药物类微污染物的处理效果不够好,而反渗透等膜技术成本又太高。相比之下,高级氧化工艺(AOPs)因其强氧化能力且对微污染物有很好的去除率而受到广泛关注,而由颗粒活性炭(GAC)改性而来的生物活性炭(BAC)技术因为具有活性炭吸附和微生物降解的双重作用而对微污染物有很好的处理效果。将高级氧化预处理和生物活性炭相结合可以利用两者的优点,相较于其他工艺具有去除效率高、成本可观、不会或很少残留有毒副产物等优点,达到深度去除微污染物、削减风险的目的。使用UV/H2O2联合生物活性炭工艺去除实际污水中药物类微污染物尚无***的研究。
发明内容
针对以上技术问题,本发明提供一种用UV/H2O2联合生物活性炭工艺,可以有效去除污水中的药物类微污染物,使污水处理达到要求。
本发明的技术方案是:深度去除污水中药物类微污染物的UV/H2O2联合生物活性炭工艺,包括以下步骤:
S1:配置药物类微污染物标准品(100-1000μg/L)混合液,加入适量的H2O2(30wt%)溶液,使得H2O2与微污染物的摩尔浓度比10-20:1,通过电磁搅拌而保持均匀,通过光反应器进行UV光照,光照功率为22W-300W;
S2:将步骤S1中的出水补充添加营养源,碳源:COD 50mg/L,氮源:NO3-N 10mg/L、NH4-N 5mg/L,驯养生物活性炭柱(AquaSorb PICABIOL2,8×18mesh) 直至生物活性炭柱上的微生物活性初步稳定;稳定运行期间生物活性炭上属水平主要的微生物是Zoogloea,占比为11.16%。其次,Ensifer、Rhodobacter、 Hydrogenghaga占比也较高;
S3:生物活性炭柱的进一步稳定和活化:
采用间歇式驯养方式,经过20℃~25℃培养1~7d、25℃~30℃培养7~14d、 30℃~40℃培养7~14d,再加入相对于生物活性炭柱总重量0.1-0.5%的稳定剂和活化剂,即可以获得驯养好的生物活性炭柱;
所述活化剂成分为ε-聚-L-赖氨酸和乳酸乙酯,其中,ε-聚-L-赖氨酸的的质量百分比为1.2%,乳酸乙酯的质量百分比为3%;
所述稳定剂为棉籽壳微粉、海藻糖脂按3:1的重量比组成的混合物;
所述棉籽壳微粉的制备方法为:将棉籽壳粉碎至300-800目后,加入到麦饭石水分散液中,浸渍后,过滤,干燥,然后置于超微粉碎机中粉碎至50目以下;经试验验证,采用上述稳定剂和活化剂能够有效稳定活性炭柱上的微生物,并且保持微生物的活性,进一步提高污水处理效果,与普通方法相比,对药物类微污染物的去除率能至少提高10-15%左右。
S4:使污水重力自流至二沉池,通过二沉池进行沉淀分离;
S5:将步骤S4中的污水进行沉淀分离,加入H2O2溶液(30wt%),开启光反应器,启动反应,使水中微污染物初步分解矿化;
S6:将步骤S5中的出水采用步骤S3中稳定和活化好的生物活性炭柱进行生物处理,对难处理的剩余微污染物和高级氧化阶段的转化产物进行进一步的矿化;
S7:收集步骤S6出水进行微污染物浓度检测及发光细菌毒性评估,然后送入接触消毒池与ClO2反应消毒,最后接触池出水排至城市污水管网。
进一步地,在上述方案中,所述步骤S1和S5中的光反应器由有机玻璃制成,中间竖直放置石英管套,石英管内放置紫外灯,通过紫外灯发出光照。
更进一步地,所述步骤S1和S5中使用低压汞灯,考虑到污水处理厂运行经济成果和去除率提高的幅度,石英管壁外壁254nm处的紫外光强度为0.52 uW/cm2。
进一步地,在上述方案中,考虑到微污染物能生成主要转化产物所需要的最低氧化剂剂量与过量H2O2可能带来的经济成本,所述步骤S1中H2O2与微污染物的摩尔浓度比10:1。
进一步地,在上述方案中,考虑到最终TOC矿化率以及时间成本,决定所述步骤S1中光照反应时间10-30min。
进一步地,在上述方案中,为了使微污染物达到最佳矿化率,所述步骤S5 中优选设置H2O2与微污染物的摩尔浓度比100-1000:1。
进一步地,在上述方案中,同样为了使微污染物达到最佳矿化率并考虑时间成本,所述步骤S5中光照反应时间30-60min。
进一步地,在上述方案中,考虑到最佳毒性去除效果以及时间成本,所述步骤S6中生物活性炭柱空床接触时间优选设置为60min。
进一步地,在上述方案中,所述药物类污染物包括:双氯芬酸、卡马西平、红霉素、吉非罗奇。
与现有技术相比,本发明的有益效果体现在以下几点:
1、本发明使用UV/H2O2联合生物活性炭工艺,通过高级氧化阶段催化分解氧化剂等,产生氧化性极强的羟基自由基(·OH)从而使水中微污染物部分分解或矿化,而生物活性炭吸附降解高级氧化过程未降解的微污染物以及高级氧化阶段的副产物,可有效去除污水中的药物类微污染物,降低毒性、削减风险使污水排放达到要求,避免了对环境的污染。
2、本发明的方法处理效果好,经济适用性高,具有设备简单、操作简便、费用便宜等优点,且无污染、稳定性高。
3、本发明弥补了目前污净化工艺的不足,改进现有技术对药物类微污染物效果差、运行不稳定缺点,填补了国内外有关水源中药物类微污染物深度去除技术的空白。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图;
图2是本发明的UV/H2O2联合生物活性炭工艺沿流程发光毒性检测结果;
图3是生物活性炭柱上驯养出的微生物群落结构;
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。
实施例1
该实施例是以南京某市政污水处理厂的二级生物出水为对象进行的,该去除污水中药物类微污染物的UV/H2O2联合生物活性炭工艺,包括以下步骤:
深度去除污水中药物类微污染物的UV/H2O2联合生物活性炭工艺,包括以下步骤:
S1:配置药物类微污染物标准品(100μg/L)混合液,加入适量的浓度为30wt%的H2O2溶液,使得H2O2与微污染物的摩尔浓度比10:1,通过电磁搅拌而保持均匀,通过光反应器进行UV光照,反应10min,光照功率为22W;
S2:将步骤S1中的出水补充添加营养源,碳源:COD 50mg/L,氮源:NO3-N 10mg/L、NH4-N 5mg/L,驯养生物活性炭柱(AquaSorb PICABIOL2,8×18mesh) 直至生物活性炭柱上的微生物活性初步稳定;稳定运行期间生物活性炭上属水平主要的微生物是Zoogloea,占比为11.16%。其次,Ensifer、Rhodobacter、 Hydrogenghaga占比也较高,见附图3;
S3:生物活性炭柱的进一步稳定和活化:
采用间歇式驯养方式,经过20℃培养1d、25℃培养7d、30℃培养7d,再加入相对于生物活性炭柱总重量0.1%的稳定剂和活化剂,即可以获得驯养好的生物活性炭柱;
所述活化剂成分为ε-聚-L-赖氨酸和乳酸乙酯,其中,ε-聚-L-赖氨酸的的质量百分比为1.2%,乳酸乙酯的质量百分比为3%;
所述稳定剂为棉籽壳微粉、海藻糖脂按3:1的重量比组成的混合物;
所述棉籽壳微粉的制备方法为:将棉籽壳粉碎至300目后,加入到麦饭石水分散液中,浸渍后,过滤,干燥,然后置于超微粉碎机中粉碎至50目以下;经试验验证,采用上述稳定剂和活化剂能够有效稳定活性炭柱上的微生物,并且保持微生物的活性。
S4:使污水重力自流至二沉池,通过二沉池进行沉淀分离;
S5:将步骤S4中的污水进行沉淀分离,加入浓度为30wt%的H2O2溶液,使得H2O2与微污染物的摩尔浓度比100:1,开启光反应器,反应30min启动反应,使水中微污染物初步分解矿化;
S6:将步骤S5中的出水采用步骤S3中稳定和活化好的生物活性炭柱进行生物处理,生物活性炭柱空床接触时间为60min,对难处理的剩余微污染物和高级氧化阶段的转化产物进行进一步的矿化;
S7:收集步骤S6出水进行微污染物浓度检测及发光细菌毒性评估,然后送入接触消毒池与ClO2反应消毒,最后接触池出水排至城市污水管网。
其中,步骤S1和S5中的光反应器由有机玻璃制成,中间竖直放置石英管套,石英管内放置紫外灯,通过紫外灯发出光照。且使用低压汞灯,石英管壁外壁254nm处的紫外光强度为0.52uW/cm2。
实施例2
该实施例是以南京某市政污水处理厂的二级生物出水为对象进行的,该去除污水中药物类微污染物的UV/H2O2联合生物活性炭工艺,包括以下步骤:
深度去除污水中药物类微污染物的UV/H2O2联合生物活性炭工艺,包括以下步骤:
S1:配置药物类微污染物标准品(500μg/L)混合液,加入适量的浓度为30wt%的H2O2溶液,使得H2O2与微污染物的摩尔浓度比15:1,通过电磁搅拌而保持均匀,通过光反应器进行UV光照,反应20min,光照功率为100W;
S2:将步骤S1中的出水补充添加营养源,碳源:COD 50mg/L,氮源:NO3-N 10mg/L、NH4-N 5mg/L,驯养生物活性炭柱(AquaSorb PICABIOL2,8×18mesh) 直至生物活性炭柱上的微生物活性初步稳定;稳定运行期间生物活性炭上属水平主要的微生物是Zoogloea,占比为11.16%。其次,Ensifer、Rhodobacter、 Hydrogenghaga占比也较高;
S3:生物活性炭柱的进一步稳定和活化:
采用间歇式驯养方式,经过20℃5d、25℃培养10d、30℃1培养10d,再加入相对于生物活性炭柱总重量0.3%的稳定剂和活化剂,即可以获得驯养好的生物活性炭柱;
所述活化剂成分为ε-聚-L-赖氨酸和乳酸乙酯,其中,ε-聚-L-赖氨酸的的质量百分比为1.2%,乳酸乙酯的质量百分比为3%;
所述稳定剂为棉籽壳微粉、海藻糖脂按3:1的重量比组成的混合物;
所述棉籽壳微粉的制备方法为:将棉籽壳粉碎至500目后,加入到麦饭石水分散液中,浸渍后,过滤,干燥,然后置于超微粉碎机中粉碎至50目以下;经试验验证,采用上述稳定剂和活化剂能够有效稳定活性炭柱上的微生物,并且保持微生物的活性。
S4:使污水重力自流至二沉池,通过二沉池进行沉淀分离;
S5:将步骤S4中的污水进行沉淀分离,加入浓度为30wt%的H2O2溶液,使得H2O2与微污染物的摩尔浓度比500:1,开启光反应器,反应40min启动反应,使水中微污染物初步分解矿化;
S6:将步骤S5中的出水采用步骤S3中稳定和活化好的生物活性炭柱进行生物处理,生物活性炭柱空床接触时间为60min,对难处理的剩余微污染物和高级氧化阶段的转化产物进行进一步的矿化;
S7:收集步骤S6出水进行微污染物浓度检测及发光细菌毒性评估,然后送入接触消毒池与ClO2反应消毒,最后接触池出水排至城市污水管网。
其中,步骤S1和S5中的光反应器由有机玻璃制成,中间竖直放置石英管套,石英管内放置紫外灯,通过紫外灯发出光照。且使用低压汞灯,石英管壁外壁254nm处的紫外光强度为0.52uW/cm2。
实施例3
该实施例是以南京某市政污水处理厂的二级生物出水为对象进行的,该去除污水中药物类微污染物的UV/H2O2联合生物活性炭工艺,包括以下步骤:
深度去除污水中药物类微污染物的UV/H2O2联合生物活性炭工艺,包括以下步骤:
S1:配置药物类微污染物标准品(1000μg/L)混合液,加入适量的浓度为 30wt%的H2O2溶液,使得H2O2与微污染物的摩尔浓度比20:1,通过电磁搅拌而保持均匀,通过光反应器进行UV光照,反应30min,光照功率为300W;
S2:将步骤S1中的出水补充添加营养源,碳源:COD 50mg/L,氮源:NO3-N 10mg/L、NH4-N 5mg/L,驯养生物活性炭柱(AquaSorb PICABIOL2,8×18mesh) 直至生物活性炭柱上的微生物活性初步稳定;稳定运行期间生物活性炭上属水平主要的微生物是Zoogloea,占比为11.16%。其次,Ensifer、Rhodobacter、 Hydrogenghaga占比也较高;
S3:生物活性炭柱的进一步稳定和活化:
采用间歇式驯养方式,经过25℃培养7d、30℃培养14d、40℃培养14d,再加入相对于生物活性炭柱总重量0.5%的稳定剂和活化剂,即可以获得驯养好的生物活性炭柱;
所述活化剂成分为ε-聚-L-赖氨酸和乳酸乙酯,其中,ε-聚-L-赖氨酸的的质量百分比为1.2%,乳酸乙酯的质量百分比为3%;
所述稳定剂为棉籽壳微粉、海藻糖脂按3:1的重量比组成的混合物;
所述棉籽壳微粉的制备方法为:将棉籽壳粉碎至300-800目后,加入到麦饭石水分散液中,浸渍后,过滤,干燥,然后置于超微粉碎机中粉碎至50目以下;经试验验证,采用上述稳定剂和活化剂能够有效稳定活性炭柱上的微生物,并且保持微生物的活性。
S4:使污水重力自流至二沉池,通过二沉池进行沉淀分离;
S5:将步骤S4中的污水进行沉淀分离,加入浓度为30wt%的H2O2溶液,使得H2O2与微污染物的摩尔浓度比1000:1,开启光反应器,反应60min启动反应,使水中微污染物初步分解矿化;
S6:将步骤S5中的出水采用步骤S3中稳定和活化好的生物活性炭柱进行生物处理,生物活性炭柱空床接触时间为60min,对难处理的剩余微污染物和高级氧化阶段的转化产物进行进一步的矿化;
S7:收集步骤S6出水进行微污染物浓度检测及发光细菌毒性评估,然后送入接触消毒池与ClO2反应消毒,最后接触池出水排至城市污水管网。
其中,步骤S1和S5中的光反应器由有机玻璃制成,中间竖直放置石英管套,石英管内放置紫外灯,通过紫外灯发出光照。且使用低压汞灯,石英管壁外壁254nm处的紫外光强度为0.52uW/cm2。
结果分析
取500mL水样用0.22μm混合纤维膜过滤,过滤后存于4℃冰箱中以待后续的固相萃取操作以及随之的微污染物浓度测定。每个实验重复三次,取平均值±标准偏差进行分析。简单的实验流程如图1所示。
A)四种药物类微污染物浓缩提取
选用的固相萃取柱为上海安谱提供的CNW HLB(60mg,3mL)水相——有机平衡小柱。具体步骤如下:
a)用3mL甲醇平衡CNW HLB小柱;
b)用3mL纯水洗涤CNW HLB小柱;
c)将50mL水样以5mL/min的速度通过CNW HLB小柱;
d)用3mL 5%甲醇再次洗涤CNW HLB小柱;
e)用6mL甲醇溶液洗脱,洗脱液氮吹定容至1mL,存于4℃冰箱,以待后续的上机检测;
B)液质联用检测药物类微污染物浓度:
所选用的液质联用仪器为美国Waters公司的Xevo TQ-S UPLC-MS液质联用仪,采用电喷雾离子源(ESI),正负电离多反应监测模式(MRM)。多反应监测的参数见表1。
表1.四种药物类微污染物的多反应监测参数
液相分离选用的色谱柱为Acquity UPLC BEH C18色谱柱(2.1×50mm,1.7 um),柱温保持在30℃。所选用的流动相为水(A)和甲醇(B)。流动相使用前超声脱气。液相流速为0.1mL/min,梯度洗脱。进样量为10μL,采用自动进样器进样。
C)四种药物类微污染物去除率分析
四种药物类微污染物的去除率=(1-C/C0)×100%。其中C0为初始浓度,C为反应后的四种药物类微污染物浓度,测定的四种药物类微污染物包括红霉素 ERY、吉非罗奇GEM、双氯芬酸DCF、卡马西平CBZ。
表2.UV/H2O2联合生物活性炭工艺的去除效果
由表二可以看出UV/H2O2高级氧化对不同微污染物去除率排序为:双氯芬酸大于卡马西平大于红霉素大于吉非罗奇。其中双氯芬酸能够在光催化下直接光解,达到基本去除;卡马西平大部分去除,而吉非罗奇与红霉素只有部分去除。
生物活性炭上覆盖的生物膜通常带负电,容易去除带有正电和高疏水性的微污染物,例如红霉素与卡马西平,因此可以看出高级氧化出水经过生物活性炭柱处理后,红霉素与卡马西平去除率高达97%以上。而吉非罗奇具有较高的疏水性与生物降解性,所以也能有较高的去除率。
D)工艺沿流程发光毒性检测结果分析
如图2所示,对联合工艺处理实际污水进行发光毒性检测可以发现高级氧化过程中刚开始会让毒性逐渐增加,到达一定时间会有轻微的缓和,但总体而言由于矿化不完全、高级氧化副产物的产生还是增大了毒性,而生物活性炭能够吸附降解未矿化的微污染物及光催化阶段的氧化产物,具有很好的毒性降解效果,能够将高级氧化出水毒性降到很低值。从结果分析可以看出,本发明的方法可有效去除污水中的药物类微污染物、降低生态风险。
Claims (9)
1.深度去除污水中药物类微污染物的UV/H2O2联合生物活性炭工艺,其特征在于,包括以下步骤:
S1:配置药物类微污染物标准品混合液,加入适量的H2O2溶液,使得H2O2与微污染物的摩尔浓度比10-20:1,通过电磁搅拌而保持均匀,通过光反应器进行UV光照,光照功率为22W-300W;
S2:将步骤S1中的出水补充添加营养源,碳源:COD 50mg/L,氮源:NO3-N10mg/L、NH4-N5mg/L,驯养生物活性炭柱直至生物活性炭柱上的微生物活性初步稳定;稳定运行期间生物活性炭上属水平主要的微生物是Zoogloea,占比为11.16%;
S3:生物活性炭柱的进一步稳定和活化:
采用间歇式驯养方式,经过20℃~25℃培养1~7d、25℃~30℃培养7~14d、30℃~40℃培养7~14d,再加入相对于生物活性炭柱总重量0.1-0.5%的稳定剂和活化剂,即获得驯养好的生物活性炭柱;
所述活化剂成分为ε-聚-L-赖氨酸和乳酸乙酯,其中,ε-聚-L-赖氨酸的质量百分比为1.2%,乳酸乙酯的质量百分比为3%;
所述稳定剂为棉籽壳微粉、海藻糖脂按3:1的重量比组成的混合物;
S4:使污水重力自流至二沉池,通过二沉池进行沉淀分离;
S5:将步骤S4中的污水进行沉淀分离,加入H2O2溶液,开启光反应器,启动反应,使水中微污染物初步分解矿化;
S6:将步骤S5中的出水采用步骤S3中稳定和活化好的生物活性炭柱进行生物处理,对难处理的剩余微污染物和高级氧化阶段的转化产物进行进一步的矿化;
S7:收集步骤S6出水进行微污染物浓度检测及发光细菌毒性评估,然后送入接触消毒池与ClO2反应消毒,最后接触池出水排至城市污水管网。
2.根据权利要求1所述的深度去除污水中药物类微污染物的UV/H2O2联合生物活性炭工艺,其特征在于,所述步骤S1和S5中的光反应器由有机玻璃制成,中间竖直放置石英管套,石英管内放置紫外灯,通过紫外灯发出光照。
3.根据权利要求2所述的深度去除污水中药物类微污染物的UV/H2O2联合生物活性炭工艺,其特征在于,所述步骤S1和S5中使用低压汞灯,石英管壁外壁254nm处的紫外光强度为0.52uW/cm2。
4.根据权利要求1所述的深度去除污水中药物类微污染物的UV/H2O2联合生物活性炭工艺,其特征在于,所述步骤S1中H2O2与微污染物的摩尔浓度比10:1。
5.根据权利要求1所述的深度去除污水中药物类微污染物的UV/H2O2联合生物活性炭工艺,其特征在于,所述步骤S1中光照反应时间10-30min。
6.根据权利要求1所述的深度去除污水中药物类微污染物的UV/H2O2联合生物活性炭工艺,其特征在于,所述步骤S5中H2O2与微污染物的摩尔浓度比100-1000:1。
7.根据权利要求1所述的深度去除污水中药物类微污染物的UV/H2O2联合生物活性炭工艺,其特征在于,所述步骤S1中光照反应时间10-30min,所述步骤S5中光照反应时间30-60min。
8.根据权利要求1所述的深度去除污水中药物类微污染物的UV/H2O2联合生物活性炭工艺,其特征在于,所述步骤S6中所述生物活性炭空床接触时间为60min。
9.根据权利要求1所述的深度去除污水中药物类微污染物的UV/H2O2联合生物活性炭工艺,其特征在于,所述药物类微污染物包括:双氯芬酸、卡马西平、红霉素、吉非罗奇。
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GR01 | Patent grant | ||
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