生活污水臭氧深度处理试验

摘要：

我国是世界上水资源短缺很为严重的国家之一，城市污水回用是解决水资源短缺的有效途径[1]。城镇生活污水的处理以生物法为主，出水水质通常不能满足回用水的要求，需要深度处理，以进一步去除水中微量有机污染物、悬浮物、氮和磷等。臭氧深度处理是一种简单、有效的深度处理技术，反应快且无二次污染，常用于生活污水的深度处理。针对如何评价和表征处理后回用水的水质安全风险问题[2-4]，研究者主要采用生物毒性作为物理化学指标的补充。急性生物毒性是指人、鱼类、细菌和藻类等生物体在一次或在24h内多次与毒性物质接触后，短期内产生的致毒效应。水体中含有各种无机离子和有机物，水体中的氯离子、硫酸根离子和硝酸根离子，有可能与高级氧化过程中产生的·OH等发生反应，MUTH-UKUMAR等在处理染料废水中报道[5]，臭氧氧化中的臭氧、·OH和水体中的无机离子会发生反应。但是目前针对生活污水的臭氧深度处理研究中，缺乏对臭氧深度处理对出水急性毒性的影响因素的研究。

本实验采用臭氧氧化深度处理生活污水，研究臭氧氧化对生活污水的急性毒性变化的影响，考察水中无机离子对臭氧氧化深度处理生活污水急性毒性的影响，并对产生毒性的主要物质组分进行了分离，以识别关键的生物毒性组分。
 

1 材料与方法

1.1 实验装置

本研究的实验装置如图1所示。臭氧发生器产生臭氧，臭氧接触柱由玻璃制作，总高1.3m，内部直径3.56cm。接触柱内部中空，底部设有气室，采用多孔钛板均匀曝气。接触柱采用下层进气、上层进水，水气交错，以增大接触面积和接触时间。臭氧反应的温度在室温25℃，反应时间为15min，臭氧投加速率为2.1mg·L^-1·min^-1。

1.2实验用水
 

实验用水为某校园生活污水二级生物处理出水，其水质情况如表1所示。

生物处理出水中的3种无机离子的浓度如表2所示。

为考察水中无机离子对臭氧氧化处理生活污水急性毒性的影响，在上述出水水样中人工投加了一定量的氯离子、硫酸根离子和硝酸根离子，配置以下模拟水样，如表3所示。

 

1.3 水质指标的测定
 

水样的COD、TOC、氨氮和总磷的测定方法采用国家标准方法[6]：COD采用微回流消解比色法测定（Hach DR890，USA）；TOC采用岛津TOC分析仪测定（Shimadzu TOC-VCPH，Japan）；氨氮采用水杨酸-次氯酸盐分光光度法测定；总磷采用过硫酸钾消解-钼锐抗分光光度法测定；气相中臭氧浓度的测定方法参考《臭氧发生器臭氧浓度、产量、电耗的测量CJ/T3028.2-1994》，液相中的臭氧浓度采用靛蓝法检测。
 

1.4 急性毒性测试
 

急性毒性测试选用青海弧菌Q67（Vibrioqinghaiensis sp.Q67）[7-9]为指示生物。发光细菌毒性检测是一种操作简单、反应快速和灵敏度高的方法，已被广泛应用于环境污染物急性毒性的研究[10]。
 

首先调节各水样pH值范围为7.0~8.0，然后进行固相萃取，选用6mL，500mg的HLB固相萃取小柱（Waters Oasis，USA）分别用正己烷、二氯甲烷、甲醇洗脱得到总洗脱混合液，将混合液旋转蒸发浓缩至1~2mL，氮气吹干后，分别用200uL二甲基亚矾（DMSO）复溶。实验前配置毒性实验测试方法中需要的稀释水，稀释水配方为：CaCl2，11.1mg，KCl4.2mg，NaHCO3，42mg，MgSO4，28.6mg，NaNO34.1ug溶于1L超纯水中。然后用稀释水稀释待测样品，设10个稀释度，每个稀释度做3个平行，以模拟湖水为空白对照，将待测样品和菌悬液混匀15min后用酶标仪（Tecan infinite-200）测定相对发光度RLU（relative lightunits），计算样品的相对发光抑制率：

相对抑制率（%）=（1-试样的RLU/空白对照的RLU）×100

以样品的相对发光抑制率对样品的稀释倍数作图，求出样品的EC50值，即很大毒性效应的半数效应浓度，急性毒性单位定义为：1TU=EC50^-1
 

1.5吸附树脂分离

参考文献中的方法[7]，将水样经0.45um的微孔滤膜过滤后，通过XAD-8吸附树脂层析柱（Φ=1.6cm，H=20cm，体积为40mL），流出液储存备用，用0.1mol·L^-1HC1反冲洗树脂柱，得到疏水碱性组分（HOB）。再将流出液用浓盐酸调节pH至2.0±0.1，并再次通过树脂柱，流出的组分为亲水性组分（HIS），再用0.1mol·L^-1NaOH反冲洗树脂柱，得到疏水酸性组分（HOA），很后用甲醇反复洗脱树脂柱，得到疏水中性组分（HON）。

1.6三维荧光光谱扫描

对水样进行三维荧光光谱（HitachiF4500型荧光光谱分析仪）扫描。扫描条件为激发光源：150-W氩弧灯；PMT电压：750V；扫描间隔：Ex=5nm，Em=10nm；采用自动响应时间，扫描速度为30000nm·min-1，激发和发射波长范围：Ex=200~400nm，Em=280~550nm，以超纯水做空白对照。用Origin8.5软件对扫描得到的每个发射/激发波长下的荧光强度数据进行处理，将得到的三维数据矩阵作等值线图，EEM的积分方法参考CHEN[11]的荧光区域积分方法（FRI）。

 

点击下载：生活污水的臭氧深度处理及其急性毒性PDF

参考文献(共18条):

[1] 陈亚萍, 康永祥. 城市污水回用及其途径[J]. 干旱区研究, 2005, 22(3):382-386

[2] 余若祯, 穆玉峰, 王海燕, 等. 排水综合评价中的生物毒性测试技术[J]. 环境科学研究, 2014, 27(4):390-397

[3] 胡洪营, 吴乾元, 杨扬, 等. 面向毒性控制的工业废水水质安全评价与管理方法[J]. 环境工程技术学报, 2011, 1(1):46-51

[4] LIBRALATO G, ANNAMARIA V G, Francesco A. How toxic is toxic? A proposal for wastewater toxicity hazard assessment[J]. Ecotoxicology & Environmental Safety, 2010, 73(7):1602-1611

[5] MUTHUKUMAR M, SELVAKUMAR N. Studies on the effect of inorganic salts on decolouration of acid dye effluents by ozonation[J]. Dyes & Pigments, 2004, 62(3):221-228

[6] 国家环境保护总局. 水和废水监测分析方法[M]. 第4版. 北京:中国环境科学出版社, 2002:211-281

[7] 孙迎雪, 吴乾元, 田杰, 等. 污水中溶解性有机物组分特性及其氯消毒副产物生成潜能[J]. 环境科学, 2009, 30(8):2282-2287

[8] 马梅, 童中华, 王子健, 等. 新型淡水发光菌(Vibrio qinghaiensis sp. Q67)应用于环境样品毒性测试的初步研究[J]. 环境科学学报, 1998, 18(1):88-93

[9] 朱文杰, 汪杰, 陈晓耘, 等. 发光细菌一新种——青海弧菌[J]. 海洋与湖沼, 1994, 25(3):273-279

[10] 卓平清, 王弋博, 薛林贵, 等. 青海弧菌在环境污染物监测中的应用研究进展[J]. 天水师范学院学报, 2014, 34(2):22-26

[11] CHEN W, WESTERHOFF P, LEENHEER J A, et al. Fluorescence excitation-emission matrix regional integration to quantify spectra for dissolved organic matter[J]. Environmental Science & Technology, 2003, 37(24):5701-5710

[12] BELTRÁN F J, GARCÍA-ARAYA J F, ÁLVAREZ P M. pH sequential ozonation of domestic and wine-distillery wastewaters[J]. Water Research, 2001, 35(4):929-936

[13] COBLE P G, GREEN S A, BLOUGH N V, et al. Characterization of dissolved organic matter in the Black Sea by fluorescence spectroscopy[J]. Nature, 1990, 348:432-435

[14] HER N, AMY G, MCKNIGHT D. Characterization of DOM as a function of MW by fluorescence EEM and HPLC-SEC using UVA, DOC, and fluorescence detection[J]. Water Research, 2003, 37(17):4295-4303

[15] WU F, EVANS R, DILLON P. Separation and characterization of NOM by high-performance liquid chromatography and on-line three-dimensional excitation emission matrix fluorescence detection[J]. Environmental Science & Technology, 2003, 37(16):3687-3693

[16] HUDSON N, BAKER A, REYNOLDS D. Fluorescence analysis of dissolved organic matter in natural, waste and polluted waters-A review[J]. River Research and Applications, 2007, 23(6):631-649

[17] HENDERSON R K, BAKER A, MURPHY K R, et al. Fluorescence as a potential monitoring tool for recycled water systems:A review[J]. Water Research, 2009, 43(4):863-881

[18] 孔赟, 朱亮, 吕梅乐, 等. 三维荧光光谱技术在水环境修复和废水处理中的应用[J]. 生态环境学报, 2012, 21(9):1647-1654

[19]张松,李菲菲,史晨,胡翔,朱小彪，生活污水的臭氧深度处理及其急性毒性,环境工程学报,1673-9108(2017)06-3468-7