论文部分内容阅读
混凝法是污水再生工艺中应用最为广泛的技术之一。其中,有约80%的混凝处理工艺选择了铝盐作为混凝剂。铝盐混凝对于传统污染物（如悬浮性有机物SS和化学需氧量COD等）高效去除的特性已被广泛报道与应用。然而,铝盐混凝对溶解性微生物代谢产物的去除规律还鲜见报道。此外,铝盐混凝深度处理出水中残留Al（Ⅲ）的水环境行为与危害尚未得到关注。论文以我国一个典型污水处理厂出水为研究对象,探讨了铝盐混凝深度处理城市污水处理厂二级出水时,对溶解性有机物的去除和铝的残留情况。此外,系统阐明了余铝加速饱和多孔介质堵塞的作用与潜在危害及对生物膜形成的影响与机制。以长春市某污水处理厂二级出水为研究对象,探究了混凝对SS和溶解性有机物的去除规律。尽管该污水处理厂的出水在SS和COD等指标上满足了中国城镇污水排放标准中的最高要求（1级A标准）,其出水中的有机物仍然含有大量的生物质相关产物（biomass-associated products,BAPs）,且这部分溶解性有机物的分子量高达150 kDa。组分分析结果表明,混凝后出水中的溶解性有机物含有大量的蛋白质成分。AlCl3混凝剂和PAC混凝剂对腐殖酸类和富里酸类物质去除效果并不显著,导致出水的可生化性较低,BOD5与COD的比值小于0.17。混凝强化深度处理后,出水中典型的BAPs,蛋白质类和多糖类物质仍然分别高达1.6 mg/L和1.2 mg/L。研究发现,使用混凝工艺深度处理城市污水,SS和BAPs无法同时达到最优的去除效果。在不同的混凝剂投加量下,残余的Al可以达到0.53-2.12 mg/L。再生水的地下储存是再生水深度处理后的去向之一。论文由此进一步探讨了再生水中的余Al（Ⅲ）导致回灌系统堵塞和堵塞机制问题。研究利用再生水回灌模拟含水层柱实验揭示了Al（Ⅲ）在饱和多孔介质的生物堵塞及Si溶解沉淀过程中的作用。发现了余Al（Ⅲ）的浓度即使低至国家饮用水的标准,在没有添加消毒剂的条件下,仍然会在大约140 h内对饱和多孔介质造成严重的堵塞。当模拟的含水层柱中含有微生物,Al（Ⅲ）的浓度分别为0.05,0.2,0.6 mg/L时,饱和多孔介质的渗透系数会分别降低40%,96%,97%,与无菌的模拟柱相比,分别增加了30%,27%,和2%。这些堵塞过程与Al（Ⅲ）对石英砂表面的性质改变相关,Al（Ⅲ）与石英砂表面形成了Si-O-Al（OH）n,促进了生物膜在石英砂表面的附着。Al（Ⅲ）增加了胞外聚合物的分泌,并因此加剧了Al与生物质同时截留的作用。当Al（Ⅲ）的浓度为0.05,0.2和0.6 mg/L时,与无Al（Ⅲ）的对照组相比,饱和多孔介质中生物质的量分别增加了21%,23%和80%。同时,由于生物质与Al（Ⅲ）的结合,使得Al（Ⅲ）的截留量分别增加了29.1%,45.2%,91.8%。微生物质产生和被截留作用的增强,促进了含水层Si的溶解和沉淀作用,破坏了饱和多孔介质的结构。以上研究表明,再生水在进行回灌时,余Al（Ⅲ）的浓度及微生物的生长需要被严格地控制。再生水残余的低浓度Al（Ⅲ）通常是与微生物共存的。因此,余铝在生物膜形成过程中的作用是其对水环境关键影响因素之一。与其他的阳离子相比,由于Al（Ⅲ）的生物毒性及水解特性,我们提出了Al（Ⅲ）能够加速生物膜形成的科学假说,并从生物膜活性和微观结构表征等方面阐述了相关机制。在0.6和2.0 mg/L Al（Ⅲ）的混凝作用下,悬浮的细菌细胞会迅速沉积,同时Al（Ⅲ）的浓度分别降低了0.07和0.14 mg/L。细胞微观结构观察结果表明Al（Ⅲ）毒害了与其紧密相连的细菌细胞,同时细菌细胞的三磷酸腺苷（ATP）分别降低了22.36%和55.91%。Al（Ⅲ）形成的聚合物与细胞壁紧密接触,破坏了细菌的细胞壁及细胞膜。这使得胞内的蛋白质从结合点的位置释放出来。Al与释放出的蛋白质上的-NH2/-NH-发生作用,进一步加速了生物膜的形成。多糖的分泌保护了生物膜继续受到Al（Ⅲ）毒性的刺激,从而促进了生物膜的成熟。因此,生物膜的微观结构显示出了明显的双层结构,蛋白和死菌细胞在下层,多糖和活菌在上层。上述研究结果表明,Al（Ⅲ）的絮凝作用和毒性刺激作用共同加速了生物膜的形成。论文阐释了Al盐混凝剂对溶解性微生物代谢产物的去除局限性和铝盐在再生水中的低浓度残留,阐明了余Al对饱和多孔介质的堵塞作用和破坏的机制,揭示了余Al在生物膜形成过程中的影响与相关机制,为污水再生工艺及地下储存提供了理论依据。