四种三氯乙烯去除工艺的基础研究与比较

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随着工农业的迅速发展,以三氯乙烯(trichloroethylene, TCE)为代表的大量有机氯代烃因不合理的使用、处理和处置进入环境造成严重的水环境污染。颗粒活性炭(granular activated carbon, GAC)吸附工艺作为一套成熟可靠的工艺被广泛用于难降解有机污染物的去除,可以达到深度净化的目的(如10μg/L)；生物活性炭(biological activated carbon, BAC)工艺可以通过生物再生的方式克服活性炭吸附容量的限制,延长活性炭的使用周期；厌氧膨胀颗粒污泥床(expanded granular sludge bed, EGSB)反应器对高浓度有毒污染物有独特的处理优势；生物滴滤器(biotrickling filter, BTF)对于气体抽提后的难降解有机气体有良好的去除效果。本文探讨了上述这四种工艺用于去除TCE的可行性,考察不同工艺操作条件对TCE去除效果的影响,分析它们各自的适用场合和应用前景,从而为特定TCE污染情况的处理提供切实可行的方法。 为评价活性炭对TCE的吸附性能,以10种不同原料制备的活性炭样品进行了TCE的平衡容量实验和连续流微型快速穿透(MCRB)实验。各种活性炭对TCE的吸附容量的排列与其苯酚值排列相同,TCE初始浓度和少量甲醇的加入不会影响活性炭的吸附容量。相比其他炭型,含有丰富中孔的煤质炭对TCE吸附容量较低,但吸附容量利用率较高,适合用于实际工艺中去除TCE；由毛竹制备而成的竹质炭,对TCE的去除量和吸附容量利用率均颇为可观,是一种值得开发的新型环保炭型。水体中的共存有机物会降低活性炭对TCE的吸附容量,其竞争吸附的程度跟水体中有机物的分子量大小分布有关。两个串联的活性炭炭床是高效低耗吸附处理工艺的关键单元,因为前置炭床的利用率能得到大幅度提升,后置炭床能保障出水达标。 好氧条件下TCE只能通过共代谢方式降解。苯酚是一种高效的共代谢基质,以活性污泥培养驯化的苯酚混合菌为TCE降解菌源,通过批式降解实验评估其对TCE的降解性能。苯酚能诱导产生氧化酶和TCE共代谢需要的能量,是TCE共降解过程中必不可少的共代谢基质；TCE的大幅度降解要在苯酚基本利用后才会发生。通过接种驯化好的TCE降解菌,可以迅速启动BAC系统；在170天的连续运行期间,BAC对TCE的去除率维持在20-40%。使用对TCE具有高吸附量的活性炭能确保BAC工艺在运行初期和有冲击负荷情况下的高度处理效果。生长基质苯酚的进水浓度是TCE去除效率的关键因素,苯酚浓度过高会加重TCE共代谢的竞争性抑制,过低不足以维持其高效降解。苯酚浓度在2-4mg/L,苯酚/TCE进水负荷比率在15左右时,BAC对TCE的去除率最高达到40%左右。根据TCE-苯酚的共代谢降解规律,使用苯酚、TCE单独循环进水的工艺操作模式,有效避免了竞争性抑制,较好地维持了微生物的生长和降解活性,强化了TCE去除效率；在每天2h苯酚进水、22h TCE的进水情况下,TCE去除率最高为72%(进水浓度200μg/L),平均去除率达到65%,最大去除能力为0.39g/m3/h。 厌氧条件下TCE能通过还原脱氯依次转化为二氯乙烯、一氯乙烯和乙烯。
利用生物强化的方法将商业脱氯菌SDC-9投入到接种颗粒污泥的厌氧EGSB反应器中,达成快速启动；进水浓度在2-10mg/L,水力停留时间在6h时,TCE的去除率为85%左右,其最大去除能力超过1.5g/m3/h。将EGSB转为序批式操作模式,延长反应时间有助于乙烯的生成。厌氧颗粒污泥是一种优良的生物载体,可以很好地负载特定降解菌并有效防止微生物脱落,从而使EGSB反应器工艺达到长期稳定降解TCE的功能。 通过接种SDC-9快速启动厌氧BTF；空床停留时间为12min时,稳定运行下的气态TCE去除率在99%以上(进气浓度为700mg/m3),终产物乙烯占到50%左右。厌氧BTF对TCE的最大去除能力达到9.0g/m3/h,显示出优越的处理性能,而且150多天的稳定运行证实了BTF不会因床层堵塞等问题造成处理性能的下降。在运行过程中,降解TCE的床层区域会逐渐转移到反应器前半部分。不同高度床层的处理性能与脱氯菌种和基因的种类、数量和活性之间存在关联性。停运60天后厌氧BTF内的微生物只剩2%的TCE降解活性,同时微生物总量减少了50%,但BTF重启后可以快速恢复TCE去除性能；停运28天和60天的厌氧BTF分别在1天和8天后基本恢复原先的TCE去除能力,但全面恢复之前的降解性能(乙烯转化率)则需要更长时间。 本课题研究了四种各具特色并有各自适用场合的TCE去除工艺。GAC工艺主要用于去除TCE轻度污染水体,达到深度净化的目的；BAC工艺持续稳定、抗冲击负荷强,能长期稳定的处理低浓度TCE(500μg/L)水体；厌氧EGSB反应器工艺具有较高的TCE去除能力,适用于TCE严重污染水体(10mg/L)的处理；
对于需要使用气提去除水体里TCE的场合,厌氧BTF工艺可以高效去除进气中的TCE,潜在的应用前景广阔。本文的特色在于：在GAC工艺研究阶段,提出使用苯酚值可以预测活性炭对于TCE的吸附性能,丹宁酸值能表征吸附容量利用率,竞争吸附对活性炭吸附容量的影响程度跟水体中有机物的分子量大小分布有关,同时验证了MCRB测试可以准确模拟传统穿透实验,并提出一套高效低耗的GAC吸附工艺；在BAC工艺中,通过研究TCE-苯酚的共代谢降解规律,研发了新型的苯酚、TCE循环进水的BAC运行模式,有效提高了BAC工艺对TCE的降解效率；在厌氧BTF中,研究了相关菌种和特定基因在BTF不同床层高度的分布变化及随时间的迁移转换,揭示了脱氯菌群和功能基因的种类、数量和活性与BTF处理性能之间的内在关联性；同时,还对厌氧BTF在停运闲置期间微生物的TCE脱氯性能、活性和数量的变化进行了分析,并评估了反应器在长期停运后的恢复运行效果。