臭氧与生物过滤联合处理二次废水的效率研究外文翻译资料

 2022-08-02 11:10:14

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臭氧与生物过滤联合处理二次废水的效率研究

Smriti Tripathi ,B.D. Tripathi

印度巴纳拉斯大学环境科学和技术中心，印度瓦拉纳西221005

印度巴纳拉斯大学中国科学院植物研究所污染生态研究实验室，印度瓦拉纳西221005

关键词:生物过滤，臭氧化，废水处理，水生植物，重金属的毒性

摘要：这项工作研究了生物过滤与臭氧氧化联合工艺处理二级出水水质的效果。二级出水来自印度瓦拉纳西Dinapur污水处理厂。印度运用这项技术。进行生物过滤过程是利用凤眼莲和浮萍两种植物。在流量为262ml/min和植物密度为30mg/L的条件下进行48小时，结合臭氧化过程臭氧剂的量为10mg/L，接触时间为5分钟。结果表明，提高BODC的值，联合处理工艺最适合于物理化学和微生物的最高降解。生物过滤工艺能够在不产生毒性的情况下，从二次出水中去除最高比例的有毒重金属。这项技术非常适合那些污水和工业废水混合排放的热带地区。

1.介绍

印度已经成为一个快速发展的国家，导致了快速的工业化和城市化。这已经造成了严重的水污染威胁。据估计，印度城市每天产生的生活废水为229亿公升，工业废水为13500百万公升。生活污水处理量仅为5900MLD，工业废水处理量仅为8000MLD。城市污水中含有许多有毒的有机和无机物，在传统的污水处理厂中是无法被正确去除的(Chen et al，2005)。因此，从一级和二级处理污水中去除这些有毒物质和金属引起了许多工作者的注意(Weis and Weis, 2004, Brix and Arias, 2005)。分析结果表明，这些传统污水处理厂排放的废水中含有生物易降解的有机物、无机和有机化学物质、厌氧和好氧生物系统以及有毒重金属， Cr, Cd, Cu, Zn, Fe, Ni。经过二次处理的废水被排放到恒河，为印度北部的居民提供服务。废水处理不当造成了污染问题(Dyer et al，2003)。

传统的和先进的处理工艺(如微滤(MF)或超滤(UF)技术)是众所周知的，但由于其占地面积大，操作复杂，管理复杂，成本可能较高，不能广泛应用(Bao et al， 2005, Wang et al，2008)，对环境的日益关注已经导致了开发新的对环境友好和经济有效的技术去尽量减少废水的问题。

自然水生系统利用绿色环境在废水处理和资源回收方面的潜在应用，引起了人们极大的兴趣。生物过滤是解决水污染问题的方法之一(Soltan and Rashed, 2003)。各种水生大型植物已被测试作为生物过滤器以去除氮和磷净化水，这些元素会导致富营养化(Upadhyay et al， 2007)。水生大型植物在体内积累重金属的潜力很大(Mishra and Tripathi, 2009)。水生大型植物还可以去除磺胺二甲氧基(药物)(Forni etal， 2001)和Sr、Cu、Cd、Zn、Cr、Fe、Ni、Pb、Au、Pt等金属，甚至U等放射性元素(Maine etal，2006, Mishra and Tripathi, 2009)。这个系统造价低，运营，操作，维修成本有竞争力。水循环防止热分层和化学分层。水循环产生穿过池塘底部的水流帮助维持泥水界面的氧化条件(Boyd, 1998)。水的循环似乎可以刺激浮游植物的生长(Sanares et al.， 1986)，并可能通过光合作用增加溶解氧(DO)的产量。本研究在实验室条件下，研究了水生植物从生活污水中产生高质量水的能力。在水生植物存在的情况下，探索可能达到的最高处理效率。这是与当地的标准水平一起完成的，可以在一个系统中达到，该系统包括以循环或曝气补充的水生植物，以及为此目的所需的保留时间。

臭氧是一种强氧化性物质。这是由于臭氧在水中分解成存在时间很短的活性化合物OH自由基，能够破坏水中存在的有机和无机成分的几乎所有多键(CC、CN、NN等键)(Takanashi et al，2002;Liberti和Notarnicola, 1999)。它直接或间接地通过羟基自由基反应机制，导致有机物和无机物含量的减少，增加了天然有机物的生物降解性，有效灭活了多种微生物。自1970年以来，臭氧处理一直被用来满足大肠菌和病毒失活的排放要求(Rice et al，1981)。臭氧氧化处理废水和饮用水的频繁使用是因为它能够氧化复杂的有机分子、酚类、内分泌干扰化学物质(EDCs)和药物(Huber et al，2005, Snyder et al，2006, Kim and Tanaka, 2010, Tripathi et al，2011)。结合微生物消毒，臭氧化是一个有吸引力的先进的污水处理工艺的选择。由于没有产生一些消毒副产物如三卤甲烷(THMs)或其他氯化消毒副产物(DBPs)等，臭氧化处理在废水处理中的应用更为普遍(Jennifer et al，2010, Tripathi et al，2011)。

生物处理与臭氧氧化相结合是先进处理工艺中最有前途的工艺之一。综上所述，提高二次出水的处理效率是必要的，也是有前景的。

因此，本研究的目的是探讨生物过滤与臭氧氧化相结合处理污水处理厂二次出水的污染物降解特性。

2. 方法

2.1.研究区域

目前的研究地点是瓦拉纳西(82°15′E 83°30′E和24°35′N 25°30′N)。据估计,大约有275 MLD废水生成,其中只有122 MLD进行处理,剩余153 MLD未经处理的废水排入恒河。全市现有3个污水处理厂，分别位于Dinapur、Bhagwanpur和柴油机车厂(DLW)，处理能力分别为100 MLD、12 MLD和10 MLD。这些处理厂利用传统的活性污泥法进行处理。本研究采用Dinapur污水处理厂的二次处理污水。二次出水水质为碱性，有机物含量高。

2.2.样品收集

样本从流出通道收集到塑料容器中，转移到实验室，保存和储存，以便进一步进行分析测定和处理。生物活动，如微生物呼吸，化学活动，如降水或pH变化，以及物理活动，如曝气或高温必须保持在最低限度。保存方法包括冷却、控制pH值和化学添加。废水中某一成分保持稳定的时间长短与该成分的性质和使用的保存方法有关(Environmental Protection Agency, 1982, APHA, 2005)。

2.3.实验装置

2.3.1.二次处理废水的生物过滤

水生大型植物凤眼莲和浮萍是从印度瓦拉纳西巴纳拉斯印度大学的农业池塘采集的。之所以选择这些植物作为研究对象，是因为它们的广泛可用性和已被证明的去除污染物的能力(Wolverton and McDonald, 1976年，Walstad, 2003年，Odjegba和Fasidi, 2004年，Axtell等人，2003年)。选取的大型植物进行单栽，其面积100%覆盖50 L容量的玻璃鱼缸(50 cmtimes;25 cmtimes;15 cm)的总表面积，并充入35 L的二次出水，形成一个压力水头来驱动废水的流动。在本实验中，保持植物密度为30mg/以及流量262ml/min，以提高大型植物的去除潜力(Yedla et al.， 2002, Zimmels et al.， 2009)。

对照组实验装置仅含二次处理的城市污水，不含大型植物和循环水。每个含有大型植物和对照品的试验组准备5个重复，即一共30套。每隔5天对水产养殖试验废水的理化特性进行分析。在实验的开始和结束阶段进行了植物组织分析。通过加入蒸馏水，水箱保持了恒定的水量。记录蒸馏水对重金属的稀释作用，计算大型植物对重金属的实际去除量。植物根用蒸馏水彻底洗净，然后放入单独的玻璃鱼缸。

2.3.2.二次处理废水的臭氧化处理

生物过滤后的废水现在用臭氧进一步处理。臭氧化实验的初始pH保持在9。考虑到碱性条件下的臭氧活性高于酸性条件(Hoigne and Bader, 1983, Beltran, 2004, Rivas et al，2009)，因此使用碱性条件可能会导致更高的降解率。这个流出样本的体积保持为700毫升。

利用HINDCO臭氧发生器，采用紫外线放电法产生臭氧，生成臭氧气体。臭氧的产生是由气体流量决定的。所有的实验都是在室温和半批量模式下进行的，通过向废水样品中喷射含氧臭氧。由此产生的臭氧，通过搅拌器底部生物反应器组件的曝气口，借助单点气体喷射器进行鼓泡。

臭氧气体与样品反应5分钟。每一次实验，反应器被填入所需的废水量(通常为700毫升)。每隔一定时间从反应器中取出样品(每个2毫升)，并分析其理化和生物参数。为了收集没有反应的臭氧，两个含有碘化钾溶液的臭氧阱被串联在生物反应器上。在第一个含有2%碘化钾溶液的气体洗涤池中，生物反应器中的未反应臭氧通过出风口鼓泡。第一个碘化钾捕集器的剩余气体通过第二个含有20%碘化钾溶液的捕集器冒泡，然后对臭氧进行完全的吸收。因此，测量第一个捕集器中释放的碘的浓度，就可以得到每个给药周期结束时的臭氧出口浓度。采用碘量法测定了原料气和出口气的臭氧浓度。在每个给药间隔期间和每个臭氧化实验结束时测量的进口和出口气流臭氧浓度之间的质量平衡给出了生物反应器中消耗的臭氧量。所有臭氧化实验均在通风良好的实验室进行，以避免臭氧毒性。

2.4.分析方法

取自Dinapur污水处理厂二次处理后的废水样品，检测COD(化学需氧量)、TOC(总有机碳)、颜色、TN、UV254、浊度和BDOC(生物可降解有机碳)。用碘化钾和Na2S2O3滴定法测定臭氧浓度。

废水的COD、浊度、温度、溶解氧(DO)、pH、颜色等理化分析按《水与废水检测标准方法》(APHA, 2005)进行。采用岛津紫外分光光度计测定UV254。利用0.45mu;m过滤膜测定样本TOC。确定初始TOC后，将样品在20℃下保存5天，分析BDOC。5天后培养20°C样本再次使用0.45mu;m膜过滤测定TOC。TOC的初始值和终值之差被认为是水的BDOC。

用微量凯氏定氮法测定植物组织总氮，用湿氧化法法测定总磷。对于重金属分析，50 mL的水样用2 M HNO3在95°C下消化2小时，然后在脱矿化水的容量瓶中配制成100mL。消化过程是在玻璃器皿中进行的，玻璃器皿先浸泡在硝酸中，然后用除盐水冲洗。用巴克科学火焰原子吸收分光光度计(AAS) 205型对消化后的样品进行金属二重分析。样品的毛坯也进行了分析，样品中每种金属含量在1%到5%之间的结果被用来纠正分析过程中受到的任何污染。

将植物样品分为根和茎(叶和茎)，以确定从水到根和茎的积累趋势。植物样品在60°C的烤箱中干燥，直到完全干燥。干燥的样品在消化前被磨碎。用10ml的HClO4和HNO3混合物(1:3)在约80°C下消化4h，每个馏分的干燥重量为500毫克。得到的澄清的有色溶液在装有去盐蒸馏水的容量瓶(25ml)中标记出来。所使用的试剂均为分析级，所有反应容器均处理良好，避免了金属的外来贡献。样品空白分析用来纠正可能的外部贡献，而重复的样品也进行了评估，所有的分析都做了一式三份，以确保结果的重复性。用AAS Buck科学模型205A对消化后的样品进行了六种金属(Cd、Cu、Cr、Fe、Ni、Zn)的分析。

在48℃下保存14小时后，使用最可靠的方法(APHA, 2005)检测这些样本的微生物含量，包括总大肠菌群、粪便大肠菌群和大肠杆菌。

2.5．统计分析

均数的统计比较采用单向方差分析。相关性也用于统计意义。采用SPSS16统计软件包进行统计分析。

3.结果与讨论

经二次处理后的城市污水的理化分析表明，二次处理后的城市污水中营养物质和重金属的浓度高于允许限度。

3.1.生物过滤对二次处理废水的影响

对水葫芦和浮萍的组合进行了批量研究。在流量（262ml/min）和植物密度（30mg/L）条件下可以提高系统的处理效率和减少处理时间(Yedla et al , 2002年,Zimmels et al, 2009)。在连续处理过程中，滞留时间和流速是控制因素。

对照实验表明，二次处理废水中的重金属含量降低了1.5-5.1%(图1a)。沉积作用、对粘土颗粒和有机物的吸附、与次生矿物的共沉淀、阳离子和阴离子交换以及络合物的形成可能是造成这种损失的主要原因(Upadhyay et al.， 2007)。

图1a.控制重金属去除率

本研究中，植物对Cr、Cd、Zn、Ni、Cu、Fe等重金属的富集表现出较高的效率。其他各种研究也表明了这一点(Deng et al.， 2004, Gupta and Chandra, 1998)。铜、锌、铁、镍是植物代谢所必需的微量营养素。植物间重金属积累的差异反映了代谢和生长活性的差异。这表明它们对金属吸收的能力不同。铁是植物最重要的营养物质之一。铁的积累在水葫芦中是最高的(表1)。铜在细胞功能中起着重要的作用，在染色体的结构稳定性和能量传递过程中起着至关重要的作用。过量的铜会增加根尖有丝分裂的异常。本研究中植物组织中的铜含量在水葫芦和浮萍联合研究中增加到2.4g/Kg，植物组织中积累的铜含量没有达到毒性水平，因此生长没有受到影响。高浓度Cd处理的植株通常生长受阻(Wang and Zhou, 2005)。在我们的研究中，Cd浓度不足以影响植物生长（0.35-0.6g/Kg）。锌是高等植物必需的元素，参与一定的代谢过程。它的毒性会增加根膜的通透性，导致营养物质从根中泄漏。锌影响几种酶的活性和其他基本代谢过程(MacFarlane和Burchett, 2002)。本研究中所用植物中锌的积累范围为0.17-1.4g/Kg。植物代谢对镍的需求量最小。本研究中植物组织中镍的积累量低于其他金属。所有水生植物都表现出较高的去除Cr的亲和力，导致该金属在植物组织中的积累增加(0.31-0.83g/Kg)。Cr是植物的非必需元素，Cr化合物对植物的生长发育具有极高的毒性和危害性(脑桥等，2000)。在本研究中，Cr浓度不高

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