生物滤池-超滤耦合工艺去除微污染地表水中典型PPCPs的机制及调控研究

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药品与个人护理品(PPCPs)因其具有化学持久性、难降解和易生物富集等特点,近年来受到国内外学者持续关注,但目前针对北江和西江流域饮用水系统中的PPCPs的研究相对匮乏。本论文基于固相萃取前处理技术和超高压液相色谱-质谱联用技术,建立并优化了水中痕量PPCPs检测分析方法;调研了北江和西江两大水系中PPCPs的浓度分布特征,探讨常规工艺和深度处理工艺对PPCPs的去除规律;提出了生物滤池耦合超滤工艺去除PPCPs,考察了耦合工艺对PPCPs的去除效能且优化了运行条件;探究了耦合工艺在长期运行过程中典型污染物的去除路径及机制。利用固相萃取前处理技术与超高压液相色谱-质谱联用技术相结合,建立并优化了水中25种目标PPCPs的检测分析方法,该方法的检出限在0.1-4.8 ng/L之间,在低于500 ng/L的加标浓度下,25种目标PPCPs中半数以上的物质回收率超过80%。同时,利用该方法追踪了广东省北江和西江两大地表水系中PPCPs的分布情况。北江和西江干流检出的PPCPs种类较少,平均检出浓度分别为0.7-24.7 ng/L和0.8-22.1 ng/L,PPCPs污染潜在风险较低。相较于干流,下游支流由于受养殖废水及地面径流污染影响,PPCPs检出种类多,平均检出浓度相较于干流高,存在较高PPCPs污染风险。此外,对研究区域内的四座净水厂的进厂水、出厂水和管网水中PPCPs进行了检测分析。结果表明,出厂水和管网水中均有PPCPs检出,但检出频率和检出浓度较进厂水显著降低,且管网水中PPCPs的检出种类、频率和浓度均较出厂水低。水厂现有的常规水处理工艺对PPCPs有一定的去除效果,且预氯化和混凝工艺对PPCPs去除效果优于沉淀和过滤工艺;此外,活性炭-超滤深度处理工艺对PPCPs也具有显著的去除作用,尤其是活性炭吸附工艺。此外,对比了椰壳活性炭和生物陶粒两种滤料对五种目标PPCPs吸附去除规律,去除效果由高到低的顺序为:红霉素>磺胺嘧啶>磺胺甲氧哒嗪>磺胺甲氧嘧啶>咖啡因。在影响吸附去除的因素中,三种磺胺类PPCPs受p H影响较为明显,随着p H的升高,吸附能力明显减弱。咖啡因受温度影响较为明显,随着温度的升高,吸附能力下降。在活性炭生物滤池和曝气生物滤池去除PPCPs影响因素的研究中发现,滤层高度、滤速、进水PPCPs浓度和进水p H等因素对PPCPs去除效果影响显著,气水比对曝气生物滤池的去除效果影响不明显。五种目标PPCPs在两种生物滤池中的去除效果顺序如下:红霉素>咖啡因>三种磺胺类PPCPs。生物滤池对PPCPs的去除主要在滤池的前半段发生,平均去除率约占总去除率的75.0%。生物滤池对PPCPs的去除主要靠滤料吸附和生物降解作用,滤料的吸附去除起到主要作用。生物降解作用对咖啡因的去除影响较为明显,对其他四种物质去除影响不明显。超滤工艺对PPCPs的去除受p H和进水PPCPs浓度影响。在五种目标PPCPs中,超滤对咖啡因的去除效果最佳,对磺胺甲氧嘧啶的去除效果最差。在对生物滤池耦合超滤工艺对目标PPCPs的去除与其他水质参数关系的研究中发现,耦合工艺对典型PPCPs的去除率与对DOC的去除率相关性较高。生物滤池对水中的颗粒物和胶体的去除效果较差,需与超滤工艺联用以强化对水中胶体和颗粒物的去除效能,以提升抗浊度冲击负荷能力,同时保证出水的生物安全。生物滤池耦合超滤工艺对水中高锰酸盐指数(以O2计)、UV254、氨(以N计)和亚硝酸盐均具有显著的去除效果,同时对PPCPs也具有较好的去除效果。通过追踪污染物在耦合工艺中的沿程迁移和去除过程可知,生物滤池对水中污染物(如PPCPs、高锰酸盐指数、UV254、氨等)的去除起主要贡献,同时超滤膜表面形成的生物滤饼层也显著强化了超滤工艺对上述污染物的去除效能。
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