人工湿地对7种常见酚类内分泌干扰物的去除效果及影响因素研究

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酚类内分泌干扰物(PEDCs)是一类具有酚结构,可以引起生物多样性退化、生物发育畸变、生物早熟和易感疾病等不良生态效应的化合物,其污染问题已成为研究的热点。然而,目前尚无应对PEDCs的成熟的修复技术。人工湿地是一种廉价而有效的生态水处理技术,已经有大量研究表明该技术可以有效去除水体中的常规污染物。然而,有关利用人工湿地处理有机微污染物的研究尚起步。人们对人工湿地能否有效去除PEDCs仍存在争议,且有关人工湿地去除PEDCs的关键影响因素尚未理清。同时,二级污水处理厂不能完全去除PEDCs,使二级尾水成为环境水体的重要污染源,如使尾水直接排入饮用水源地将对人类健康造成潜在的危害,并引起难以预测的生态后果。针对上述需要,本文通过两个L9(3~4)正交试验表构建12个小型人工湿地装置,对原污水中7种常见PEDCs进行试验研究,全面探讨4种基本人工湿地工艺(包括表面流(SF)、上行潜流(SSF-U)、水平行潜流(SSF-H)和下行潜流(SSF-D))对PEDCs的去除能力、规律及影响因素;进而分别研究中试规模的组合工艺人工湿地(有植物)与单工艺人工湿地(无植物--生物滤床)在深度处理二级污水处理厂尾水7种PEDCs中的应用效果,为进一步研究人工湿地去除污水中PEDCs的效果、机制及设计参数等提供理论与应用基础。本研究得出如下主要结论:1、正交试验表明:7种PEDCs在12个小试装置中能得到不同程度的去除,这些差异主要由化合物性质、工艺类型、基质种类、植物种类与水力负荷条件等因素引起。这些因素的影响如下:(1)依PEDCs在最优工艺中的去除效果来看,去除从易到难依次为E2(93%)、TCS(90%)、4-t-OP(89%)、E1(82%)、4-NP(75%)、BPA(73%)和EE2(63%),选择合适的湿地工艺可高效去除7种PEDCs。(2)工艺类型对7种PEDCs的去除均有显著影响(p <0.05),其中SSF-D对E1、E2、EE2、TCS、4-NP和4-t-OP去除效果最优;而在处理BPA时,SSF-H效果为最优;且SSF-D与SSF-H二者在处理EE2、TCS和BPA时效果无显著差异(p>0.05)。说明在实际应用上,可以优先考虑SSF-D、SSF-H工艺或者二者的组合工艺作为主体处理技术。(3)基质种类对疏水性强的TCS、4-NP和4-t-OP(logKow>4.6)均有显著影响(p <0.05),而对疏水性稍弱的E1、E2、EE2和BPA均没有显著影响(p>0.05);总体上,在研究的三种基质中,以砾石系统的去除效果最优,优于火山石与沸石系统。因此,在实际工程应用上可以选用价廉物美的砾石作为人工湿地的基质填料。(4)无植物系统由于溶氧稍高于植物系统而对E1和EE2的去除有显著优势(p <0.05),而有植物系统对BPA(logKow=3.3)的去除明显优于无植物系统(p <0.05),而有无植物或植物种类均对E2、TCS、4-NP和4-t-OP等疏水性稍强的(logKow>3.5)的污染物则无显著影响(p>0.05);反映了溶氧对雌激素的去除有重要影响,而植物对疏水性弱的BPA的去除有重要作用。(5)E2与EE2分别为最易于去除与最难于去除的PEDCs,其去除没有受所设计的水力负荷变化的影响,而其它5种PEDCs的去除均受水力负荷的显著影响(p <0.05);其中,E1、TCS、4-NP和4-t-OP的去除效率随水力负荷的减小而升高,0.125m/d与0.25m/d间的差异不显著(p>0.05);而BPA的去除率则在0.5m/d时显著优于0.25m/d(p <0.05),与0.125m/d无显著差异。综合考虑,在原污水处理的应用中可以选择0.25m/d的水力负荷。2、中试研究表明:下行-水平行潜流组合湿地可以显著削减二级污水处理厂尾水PEDCs的含量(p <0.001),其中除4-NP外,其它几种污染物浓度均可低于预测无效应浓度(PNEC);在水力负荷为0.5,1.0,1.5和2.0m/d下,水力负荷对BPA、4-NP、4-t-OP的去除有较大影响,而对TCS和E1的去除影响不大;除E1外,其它几种PEDCs去除效率与进水质量负荷呈线性关系,可利用一级反应动力学模型描述其在湿地中的去除,去除速率常数为0.12~4.43,表明组合湿地可在较小占地面积的情况下有效去除所选PEDCs。3、中试研究表明:自然曝气生物滤床(下行潜流-无植物湿地系统)可有效去除常规污染物的同时显著削减尾水中PEDCs的含量(p <0.001),是一种经济可行的生物处理技术;在水力负荷为3.2,4.8,6.4和8.0m/d下,水力负荷条件对BPA、4-NP、4-t-OP和TCS的去除率影响较大,而对E1的去除率影响不大;强疏水性PEDCs较容易被去除,而疏水性最弱的BPA则在吸附竞争中处于劣势而不易去除。综上所述,人工湿地在处理PEDCs时既可作为二级处理技术也可作为二级尾水深度处理技术,工艺类型是影响人工湿地去除PEDCs的主要因素,基质、植物与水力负荷因素对PEDCs在人工湿地中的去除影响因污染物的性质而异。
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