胞外聚合物(EPS)是微生物产生的胞外多糖、蛋白、脂质等高分子聚合物,其在吸附和降解外源有机物过程中起着重要作用。长期以来,环境系统中采用微生物法处理有机污染物主要聚焦于筛选降解菌、优化代谢条件、外源添加氧化还原材料等,而鲜有涉及微生物对外源有机污染物的胞外感应识别、功能基因调控及其降解关系的深入研究。综述了EPS的组成和性质、去除有机物的胞外作用机理及微生物的群体感应调控特征,以期对强化微生物EPS合成,实现高效去除有机污染物提供指导作用。
生物测试方法包括体外生物测试与体内生物测试,是水质毒性评价中的重要手段。综述了常用于水质毒性评价的体外和体内生物测试方法。针对体外生物测试,介绍了细胞毒性与遗传毒性实验的方法及应用现状,并着重论述了重组受体报告基因法的生物活性终点种类和效应触发值;针对体内生物测试方法,阐述了体内实验的受试生物种类、毒性测试方法与毒性终点判断。在此基础上,比较了体外生物测试和体内生物测试的优缺点,并对生物测试应用于水质毒性评价的未来研究方法提出了建议,旨在为今后生物测试方法在水质毒性评价中的应用及相关标准制定提供参考。
生物毒性测试对于水质安全评估至关重要。环境水体含有组成复杂的已知和未知化学物质,而往往这些物质的生物毒性效应只有在高倍浓缩条件下才能产生。为了准确评估水样的生物毒性,需要选择合适的样品前处理方法。对液-液萃取和固相萃取的方法原理以及其在环境水样毒性测试中的应用进行了归纳总结,在此基础上对比分析了二者的适用场景,旨在为水样生物毒性测试选择合适的样品前处理方法提供参考。
暴露在水环境中的痕量有机污染物(Trace organic contaminants,TrOCs)已经威胁到人类健康。TrOCs排放至水环境的主要源头是污水处理厂,其在污水处理厂可通过二级处理工艺和深度处理工艺去除。但由于TrOCs种类繁多、浓度低,监测难度较高,加之人们为了便于对工艺进行可行性评价、比较以及改进等又提出了频繁监测的需求,因此,实时监测TrOCs在处理过程中的衰减具有挑战性。现已有研究提出了采用替代指标指示TrOCs的衰减,其中基于三维荧光光谱(Excitation emission matrix,EEM)开发的荧光参数是预测TrOCs衰减的合适替代指标。综述了三种EEM的主要分析方法,包括峰值法、荧光区域积分和平行因子分析以及各方法涉及到的相关荧光参数。在此基础上,详细介绍和比较了基于EEM构建的预测TrOCs衰减的线性回归模型和非线性回归模型及其构建过程,最后对预测模型在各种污水处理场景中的应用进行了回顾。本综述可为选择和开发预测TrOCs衰减的荧光参数和模型提供参考。
大量的新兴污染物(ECs)随污水排放入自然环境中,对水生生物和水质安全造成了潜在的威胁。污水中新兴污染物的识别,是研究污染物迁移转化过程、毒性效应的前提。基于色谱-高分辨率质谱的非靶向筛查技术能够实现复杂水环境中新兴污染物的高通量测定。综述了现有非靶向筛查技术在识别污水中的新兴污染物的研究进展,主要包括样品的预处理方法,色谱-高分辨率质谱仪器测定方法与数据处理的过程及参数优化,非靶向识别新兴污染物的应用进展和发展趋势等,可为污水中新兴污染物的识别提供方法学参考。
类固醇雌激素(SEs)是水环境中高频检出的一类微量难降解有机物,其在我国大部分水体中的残留质量浓度往往超过欧盟规定的雌激素干扰效应质量浓度阈值1 ng/L,对生态环境及人体产生潜在健康风险,是影响二级生化尾水深度处理后安全再利用的重要污染物。综述了类固醇雌激素的理化性质、在水环境中的分布特征及其潜在环境风险,并对其主要的深度去除技术进行了总结。在此基础上,从新型吸附材料、经济高效的催化氧化技术、多污染物协同深度净化、组合工艺及反应器开发等四个方面展望了未来的研究趋势。
过硫酸盐(Persulfate,PS)高级氧化工艺是去除污水中污染物的有效方法。该工艺以PS为氧化剂,将其活化后对污染物进行氧化降解。PS的不同活化方式相互联合具有协同作用,表现出超越单一活化简单加和的污染物去除效果。综述了PS的活化方式,阐述了包括过渡金属之间联合活化、非金属与过渡金属联合活化、非金属之间联合活化在内的不同类别联合活化的活化机理,讨论了联合活化PS在去除微量有机污染物中的应用现状,并对联合活化PS技术的发展前景进行展望。
纺织印染废水是典型难降解有毒废水。早期水处理研究主要针对废水的常规污染物去除,近年来纺织印染废水的毒性削减越来越受到关注。从纺织印染废水的毒性特征、潜在关键致毒物以及不同处理工艺的毒性削减性能角度综述了近年来相关研究进展,并对今后研究方向提出建议,旨在为纺织印染废水的安全排放和回用提供参考。
大环内酯类抗生素(MA)是国内外水环境中高频检出的微量难降解有机污染物。在水环境中通常以ng/L或μg/L的质量浓度存在。其进入人体后会造成抗生素抗体的表达,影响人体健康,是再生水安全利用的重点关注目标污染物。综述了四种常见大环内酯类抗生素的理化性质、环境风险以及其在水环境中的浓度分布情况,并对现有的大环内酯类抗生素深度处理技术及机理进行了系统的总结,分析了相关技术的处理效果、存在不足和可能的发展方向。在此基础上,从新型吸附材料、廉价氧化剂和组合工艺这三个方面对MA去除技术未来的发展趋势进行了展望,旨在为含有MA的污水深度处理技术与再生水安全回用技术的发展提供指导。
工业废水中毒害污染物的识别是废水管控的难点。本研究融合细胞毒性及其污染物非靶检测方法,开展了典型集成电路废水处理单元出水中的关键污染物甄别研究。结果发现二沉池及强化二沉池出水中高响应可疑物均为酰胺类含氮化合物。基于人肝癌细胞(HepG2)毒性效应导向的分馏分析发现,两种水体高毒馏分中可疑物主要为含氮化合物、含氟酮类化合物和酯类物质,但两种水体的具体高致毒物质不同,可能是强化工艺对污染物的差异化混凝去除所致。本研究可为集成电路废水中关键致毒物质甄别提供方法学参考。
通过序批式反应器(SBR)和移动床生物膜反应器(MBBR)两种类型反应器的运行比较了活性污泥和生物膜工艺对不同浓度四环素废水中污染物的去除效果,发现在相同生物量条件下生物膜系统对总氮和四环素的去除效果优于活性污泥系统。基于高通量测序的宏基因组学分析结果表明,活性污泥和生物膜中抗生素抗性基因(ARGs)种类和丰度的差异可能是导致污染物去除效果不同的主要原因。进一步对活性污泥和生物膜中微生物群落结构及其与ARGs的相关性进行分析,证实了微生物群落结构与ARGs组成显著相关,是造成活性污泥和生物膜中ARGs差异的主要原因,进而影响了两种工艺对四环素废水中污染物的去除。
通过定向驯化从垃圾渗滤液处理系统活性污泥中筛选获得4株高效脱色菌,经鉴定分别为A neurinibacillus sp.YR-2、Stenotrophomonas acidaminiphila YR-3、Citrobacter freundii HR-1及Klebsiella sp.HR-3。按等体积将4株菌的菌液进行复配,获得最佳复配菌群,并进一步考察其普适性。结果显示,由YR-2、YR-3、HR-3组成的复配菌群脱色速率最快、效率最高,为最佳复配菌群。该菌群耐碱耐高盐,适应pH范围为7~10,耐受盐度范围为0%~10%。此外,该菌群对偶氮类染料、杂环类染料及三苯甲烷染料脱色率均高达92%以上,具有良好的脱色广谱性。
通过富集、驯化和筛选,从垃圾渗滤液活性污泥中分离获得一株垃圾渗滤液膜浓缩液高效脱氮菌Pseudomonas balearica EBT-1。利用单因素实验考察得到EBT-1处理垃圾渗滤液膜浓缩液的最佳温度为30℃、最优C/N为4、最适菌液投加体积为待处理液体积的10%。EBT-1属于耐盐菌,对盐度耐受范围为0%~5%;对重金属Cr(Ⅵ)、Cu(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)耐受范围分别为0~250 μg/L、0~3 000 μg/L、0~2 500 μg/L。外源投加EBT-1可强化系统对垃圾渗滤液膜浓缩液中总氮的脱除效果,并大大缩短冲击条件下系统的恢复时间。
在生物炭或微生物单一体系处理重金属废水研究的基础上,总结了生物炭协同微生物体系处理重金属废水的研究进展。主要从微生物固定化技术层面阐述了协同体系构建的可行性,并对协同技术在重金属废水处理领域的应用现状、效果优化、过程机理等进行了总结和讨论,以期为重金属废水处理新技术的开发提供借鉴。
综述了以不同无机硫源为电子供体的自养反硝化工艺的特点,着重分析了不同电子供体的优缺点、反硝化原理、所用生物反应器及工艺条件,并提出了不同电子供体在硫自养反硝化研究中的选择标准,旨在为未来硫自养反硝化技术研究提供参考。
近些年来活化过硫酸盐在处理水体有机污染物方面得到广泛应用。电化学活化过硫酸盐是一种新型、高效、环境友好且具有良好前景的活化方式。该活化方式能够使目标污染物得到有效降解,而且对pH的适应范围很广。电极材料是影响电化学活化最重要的因素之一。综述了金属电极、金属氧化物电极和碳材料电极在电活化过硫酸盐降解水中有机污染物方面的应用,并讨论了不同电极的活化机理。最后总结了不同材料电极在应用中存在的一些问题,并提出了未来的发展方向。
工业园区的废水具有来源广泛、水质复杂且难降解组分多等特点,采用常规的二级处理工艺处理此类废水,难以满足现行排放标准的要求,因此废水的深度处理势在必行。阐述了我国工业园区废水处理的现状,并总结出工业园区废水常用的4种深度处理技术:混凝、吸附、高级氧化和膜工艺;分析了上述工艺在实际运用中存在的问题,并进一步提出优化方法。这些技术多样的组合方式及工艺升级优化等均可为未来工业园区集中式污水处理厂的设计和运行提供参考。
厌氧生物处理技术因其经济和高效的特点广泛应用于硝基芳烃(NACs)等难降解有机废水的治理。但由于NACs类废水毒性较强且厌氧生物代谢缓慢,限制了其实际应用效果。基于此,综述了3种一体化物化-生物耦合技术(电场、氧化还原介体、零价铁耦合厌氧生物强化技术)在强化NACs还原转化方面的研究进展,包括应用进展、影响因素、强化机制以及后续的研究方向,并进行了总结与比较,以期为NACs类废水强化处理工艺的研发提供依据和参考。
综述了催化湿式氧化法、类Fenton法、过氧化盐法、臭氧催化氧化法、电化学氧化法、光催化氧化法等高级氧化技术在难降解苯胺废水处理中的研究应用进展,具体包括各技术处理的条件、效果和限制工业化应用的原因。研究结果表明,过氧化盐法本身具有氧化性,且反应条件温和;电化学氧化法、光催化氧化法则具有产生氧化基团容易、无运输和储存环节、适用范围宽、离子干扰小(可能还有促进作用)和无二次污染等特点,上述方法在未来苯胺废水处理的工业应用中具有更好的前景。
费托合成水具有组分复杂、组分之间可形成共沸物、酸性强、COD高以及低碳醇含量高、难分离但利用价值高等特点。对费托合成水的处理方法进行了概述,对国内外有关费托合成水处理的专利技术进行了总结,并对费托合成水中副产物低碳醇分离技术(萃取精馏、共沸精馏、电渗析、渗透汽化等)的研究进展进行了综述,以期为高效、经济地处理费托合成水提供参考。
采用镁盐改性和煅烧改性的方法制备改性凹凸棒土颗粒(Mg-TAP),利用正交试验确定了最优改性条件:MgCl2质量分数为40%,煅烧温度500℃,颗粒粒径1.0~2.0 mm。通过XRF、XRD、FTIR等手段对制备的产品进行了表征,并结合等温吸附试验探讨了Mg-TAP对磷的吸附机理。结果表明,镁盐改性可以增加凹凸棒土晶体中碱金属离子含量,提高离子交换能力;高温煅烧可使凹凸棒土脱除部分结晶水,增加比表面积,并形成MgO和CaO等活性金属氧化物,其与水中磷酸根可形成MgHPO4和Ca3(PO4)2沉淀;Mg-TAP对磷的吸附为单分子层吸附,最大平衡吸附量为16.41 mg/g。
采用简单溶液法合成了分等级花状磁性氧化镍(NiO)微球,研究了制备的花状磁性NiO微球对水中染料刚果红的吸附效果,并探讨了吸附机理。结果表明,花状磁性NiO微球对刚果红的最大吸附量达155.9 mg/g,吸附机理可归因于带正电荷的吸附剂表面与阴离子染料刚果红之间的静电相互作用。磁性NiO微球能通过磁铁快速从溶液中分离,且对阴离子染料具有良好的选择吸附性能。
设置2组序批式(SBR)反应器,在不同温度条件下探究了温度与污泥膨胀的关系,并结合传统方法和FISH技术对污泥膨胀过程中丝状菌的种类及数量变化进行了分析。实验证明,低温条件下污泥膨胀更严重,且在污泥膨胀严重时,丝状菌种类单一;在污泥膨胀过程中,存在一定程度的丝状菌演替。
以宁夏某染化公司印染废水为研究对象,采用树脂吸附法对废水中的2-氨基-4-乙酰氨基苯甲醚进行处理,利用基于单因素实验的响应面法对处理条件进行了优化。实验结果表明,树脂吸附可将废水中2-氨基-4-乙酰氨基苯甲醚的质量浓度由1.64×106 μg/L降低至不可检出,且在去除还原物过程中温度、pH和流速3个因素两两交互作用明显,优化工艺条件:吸附液流速1.84 mL/min,pH 4.39,温度23.08℃。
以棉籽壳制备的生物炭为原始炭(BC),对其进行KMnO4改性,制得改性生物炭(BC-Mn),并通过实验研究了BC-Mn对水中铅的吸附性能。结果表明:BC-Mn具有较大的比表面积和丰富的孔径结构。当初始Pb2+质量浓度为300 mg/L,pH=5,吸附剂投加量为2 g/L时,吸附效果最佳,最大吸附量可达到126.79 mg/g。BC-Mn对Pb2+的吸附符合Langmuir等温方程和拟二级动力学模型,且该吸附过程是可以自发进行的吸热过程。模拟废水实验结果表明,BC-Mn是一种吸附性能良好且具有实际应用价值的重金属吸附剂。
针对海上油田返排液处理装置小型化、撬装化及高效化要求,研发设计了由若干特殊构造法兰单元组合构成的新型微涡流混凝器。通过现场试验考察了该装置的絮凝效果,并对混凝器内部流场进行了数值模拟分析。结果表明,污水经微涡流絮凝处理后,COD去除率>90%,悬浮物去除率>99%,出水COD和悬浮物含量达到《污水综合排放标准》(DB 12/356—2018)的三级排放标准。微涡流混凝器内流体呈现类似于圆管射流的流动特性,法兰构造显著增加了流体的湍流扰动,有效促进了凝聚效率的提升。
以双氰胺为原料,采用热缩聚法制备了原位掺杂Fe的石墨相氮化碳(g-C3N4)。以制备的Fe/g-C3N4为催化剂,在可见光照射下,外加过硫酸盐(PS)形成多相光催化-类Fenton体系降解水中罗丹明B,研究了光催化-类Fenton体系最佳反应条件,初步探究了反应机理。结果表明,Fe掺杂后的g-C3N4催化性能明显提高。对于Fe掺杂量为2%,焙烧温度为500℃下制备的Fe/g-C3N4,当pH为3,催化剂投加量为0.6 g/L,PS投加量为2 g/L,降解时间为60 min时,催化降解效果最好,罗丹明B降解率达98.9%。
碳源不足是污水处理中常见问题,添加低成本高效碳源对降低污水处理成本至关重要。通过模拟和应用实验,对一种新型高能碳源在污水处理中的效能进行了探究。结果表明,该碳源以有机钾盐替代钠盐,不含氯离子和As、Pb、Cd等污染元素,具有环境友好的特点。该碳源的应用能够有效降低污水中的COD、TN、TP和NH4+-N,污染物的整体去除效率优于使用传统的乙酸钠碳源。使用该碳源的吨水处理碳源成本比乙酸钠低56.5%,具有良好的应用前景。
采用研磨-焙烧工艺制备了CuFe2O4/g-C3N4复合催化剂,并在可见光下进行了CuFe2O4/g-C3N4非均相光Fenton体系降解水中罗丹明B(RhB)的研究。结果表明,当复合催化剂CuFe2O4掺杂量为50%,复合催化剂投加量为1 g/L,H2O2浓度为10 mmol/L,pH=7,温度为20℃(室温)时,RhB去除率可达92.3%,反应活化能为9.97 kJ/mol。自由基猝灭实验证明,·OH和h+是起主要降解作用的活性物种。循环实验证实,CuFe2O4/g-C3N4具有良好的稳定性。天然日光驱动下该体系对高浓度RhB废水(800 mg/L)的脱色率和COD去除率分别可达100%和90.52%。
采用折点加氯法去除脱硫废水中的氨氮,通过响应面法考察了pH、n(Cl)/n(N)和初始氨氮浓度对氨氮去除效果的影响。结果表明,pH对出水氨氮浓度的线性效应显著,n(Cl)/n(N)和初始氨氮浓度对出水氨氮浓度的线性效应极显著。通过该方法可以得到不同初始氨氮浓度条件下,满足出水氨氮达标排放的pH和n(Cl)/n(N)。折点加氯可有效去除脱硫废水中的氨氮,出水氨氮满足《污水综合排放标准》(GB 8978—1996)中一级标准的要求。
构建覆膜活性炭三维电极系统处理垃圾渗滤液,探究了不同操作因素对垃圾渗滤液中COD和氨氮去除效果的影响以及系统的能耗情况。结果表明:在极板间距为6 cm,Na2SO4投加质量浓度为0.4 g/L,活性炭填充质量浓度为800 g/L,初始pH=5,覆膜活性炭-活性炭填充比为1∶2的条件下,电解6 h后,COD去除率达76.6%,氨氮去除率达90.3%。相较于覆膜粒子加入前,系统的总能耗降低了836.1 kW·h/kgCOD。覆膜活性炭三维电极系统对垃圾渗滤液有良好的处理效果,覆膜粒子的加入降低了系统的能耗。
针对焦化废水中难降解有机物含量高、色度高、毒性大、处理难度高等问题,研究采用“一级催化臭氧氧化+生物强化MBR+二级催化臭氧氧化”组合工艺对其进行深度处理,探究了臭氧(O3)浓度在两级催化氧化过程中对COD氧化降解的影响和氧化降解机制。结果表明,当原水COD为150~200 mg/L时,两级催化臭氧氧化废水中的O3质量浓度分别为57、80 mg/L,能使COD去除率达到最优,氧化降解过程符合一级反应动力学模型。该工艺具有COD去除率高、成本低廉的优点。
研究了NaClO3抑制剂对SBBR工艺亚硝化过程的影响,并对NaClO3抑制剂潜在生态毒性进行了分析。研究结果表明,投加NaClO3对NH4+-N的去除无明显影响,但可以提高NO2--N的积累速度,当NaClO3投加量为1 mol/L时,实现NO2--N积累的时间比不投加NaClO3缩短了10 d;且活性污泥颗粒化程度更高,生成颗粒污泥速度更快。NaClO3毒性分析结果表明,投加1 mol/L NaClO3不会对水体造成二次污染。投加NaClO3抑制剂有利于SBBR工艺亚硝态氮的快速积累,能够在更短的时间内实现亚硝化。
研究了采用以聚氨酯海绵和沸石粉为单体制备的新型载体与普通聚氨酯海绵载体的MBBR体系的脱氮效果,并利用微电极技术对2种载体内部的DO和ORP分布特征进行了分析。结果表明,新型载体MBBR体系具有更高效的脱氮性能,TN去除率和同步硝化反硝化(SND)性能比聚氨酯海绵载体MBBR体系高约10%;新型载体内部的DO和ORP比聚氨酯海绵载体下降快,其内部具有更大范围的缺氧区域,从而有利于反硝化过程的发生,提高了体系的SND性能。
食用菌渣是真菌蚀刻的天然原料,具有多维框架的疏松结构。以食用菌渣作为低成本前体制备食用菌渣活性炭(EFAC),利用响应面法确定了最佳制备条件,并考察了最佳条件下制备的EFAC对水中亚甲基蓝(MB)的去除性能。结果表明,对100 mg/L的MB溶液,当EFAC投加量为0.4 g/L时,去除率高达99.32%。Langmuir等温吸附模型可以较好地描述EFAC对MB的吸附过程,25℃下最大吸附量为666.67 mg/g。吸附主要通过静电作用、氢键和π-π相互作用。
以聚丙烯(PP)溶液涂覆不锈钢网进行表面疏水改性,优选涂覆液PP质量浓度为40 g/L,钢网目数为350目,改性后钢网表面水接触角153°。研究了改性钢网对3种模拟化学驱油田污水的破乳除油效果,结果表明,改性钢网对3种污水(表活剂驱污水、聚驱污水和二元驱污水)均具有聚结破乳效果,其中,对表活剂驱污水的破乳除油效果最好,最佳搅拌条件下除油率为85.4%;油珠粒径显著增大,基本从乳化油转化为分散油。
火电厂含煤废水具有悬浮物含量高、色度大等特点,采用传统的工艺技术对其进行处理效果不理想。本工程采用平板式陶瓷膜微滤技术对其进行处理,运行结果表明,产水SS<3.0 mg/L,浊度<2.0 NTU,COD去除率约为57%,处理出水水质优于回用要求。该工艺耐水质水量冲击负荷能力强,设备维护成本低,系统运行稳定可靠,较传统工艺有明显优势。
目前,国内已建高含硫气田均采用“正压气提+密闭氧化除硫”工艺去除气田采出水中的硫化物。该工艺应用过程中由于正压气提对气田采出水中硫化物的去除率低,从而造成吨水处理成本高。为降低处理成本,开展了负压气提工艺现场中试研究,确定了进水pH、气水比、塔内工作压力等最佳工艺参数,出水硫化物去除率达到99%。对YB29污水站进行负压气提工艺改造,整体运行数据与中试试验基本吻合,吨水处理费用降低至56元。
为去除循环水排污水中的有机物和总氮,降低后续臭氧-生物活性炭单元的处理负荷,使系统处理出水能够达标排放,某电厂采用ABFT技术对均质调节后的循环水排污水进行预处理。调试运行结果表明,在进水TN为10~30 mg/L,COD为60~100 mg/L的情况下,ABFT工艺对TN和COD的平均去除率分别为55%和36%,出水水质稳定,满足ABFT单元出水要求,降低了后续单元处理负荷,确保了最终处理出水能够达标排放。
针对某炼化公司循环水系统水质恶化情况,选择膜生物反应器(MBR)与频繁倒极电渗析(EDR)组合工艺深度处理循环水旁滤反洗废水和清净废水。深度处理后出水水质良好,满足《石油化工污水再生利用设计规范》(SH 3173—2013)要求,应用数字化技术使循环水系统运行更加稳定。工程运行费用为1.87元/t,EDR在线化学清洗周期为50~60 d,离线清洗周期为12~14月。