薛 爽,金乌吉斯古楞,2,陈忠林*,王 智,王 俭,文 杨,张 营,王 杰
(1.辽宁大学环境学院,辽宁 沈阳 110036;2.吉林建筑大学城建学院,吉林 长春 130111)
冬季不同污水处理工艺对溶解性有机物的去除
薛 爽1,金乌吉斯古楞1,2,陈忠林1*,王 智1,王 俭1,文 杨1,张 营1,王 杰1
(1.辽宁大学环境学院,辽宁 沈阳 110036;2.吉林建筑大学城建学院,吉林 长春 130111)
以东北地区4个城市污水处理厂为研究对象,考察冬季不同污水处理工艺对溶解性有机物(DOM)组分的去除效果,以及对DOM组分的光谱学特性和卤代活性的影响.利用XAD树脂将DOM分为5个部分:疏水性有机酸(HPO-A)、疏水性中性有机物(HPO-N)、过渡亲水性有机酸(TPI-A)、过渡亲水性中性有机物(TPI-N)和亲水性有机物(HPI).结果表明,A/O法、曝气生物滤池、浮动填料法和A2/O法对DOM都具有较高的去除能力,其中曝气生物滤池对DOM的处理效果最好.经4种污水处理工艺处理后,5种组分的芳香性和三卤甲烷生成活性(STHMFP)均升高.A2/O法对HPO-A和TPI-A的芳香性增强程度最高,而曝气生物滤池对HPO-N,TPI-N和HPI的芳香性增强程度最高.浮动填料法对HPO-A,TPI-A和HPI的STHMFP升高最显著,A2/O法对HPO-N的STHMFP增加最显著,曝气生物滤池对TPI-N的STHMFP升高最显著.4种污水处理工艺对HPI中荧光物质的去除率高于非荧光物质.而对于其他4种DOM组分来说,不同的污水处理工艺对不同荧光峰的改变不相同.
冬季;污水处理工艺;溶解性有机物组分;光谱学特性;卤代活性
温度是城市污水处理厂污水处理效果的重要影响因素,尤其对生物处理工艺的影响更加明显[1].我国东北地区冬季漫长寒冷,城市污水处理厂对污染物质的去除效率低,使排入水体的污染物质的量远远超过其他季节[2].
溶解性有机物(DOM),既可引起色、嗅、浊等表观水质问题,又在水体微污染物的迁移、转化中起着重要作用[3-6].并且,在加氯消毒过程中DOM会和氯反应生成三卤甲烷(THMs)、卤乙酸(HAAs)等消毒副产物(DBPs),对人体健康构成威胁[7].由于DOM组成的复杂性,传统的测试项目如总有机碳(TOC)或溶解性有机碳(DOC)只能反映DOM的总量.而XAD树脂分离法可以有效地富集和分离水体中的DOM[8].XAD是一种立体网状结构的非离子大孔径吸附剂,其吸附机理尚未明确,在一定的酸性条件下,溶质分子和树脂之间存在一定的亲水和憎水的相互作用[8-9].其优点是富集和分离水样同时进行,对极性相似组分的富集和分离效率较高[8].XAD树脂吸附分级法为研究DOM的内在特性,使水处理工艺研究做到有的放矢提供了可能[10].
以往关于饮用水和污水处理工艺对DOM去除的研究多集中在常温和高温条件下[11-12],而关于低温条件下不同污水处理工艺对DOM组分的去除效果及对其特性影响的研究未见报道.本研究利用XAD树脂吸附分级法,选择冬季东北地区4个污水处理厂为研究对象,考察冬季城市污水处理厂不同处理工艺对DOM组分的去除效果,以及对DOM组分的光谱学特性和卤代活性的影响.
1.1 样品采集
表1 污水处理厂及采样点描述Table 1 Description of municipal sewage treatment plants and sampling sites
表2 各采样点所采集水样的水质参数Table 2 Water quality parameters for samples collected from each sampling site
本研究以沈阳市A,B,C 3个污水处理厂和锦州市D污水处理厂共4个污水处理厂为研究对象,4个污水处理厂均主要接受生活污水.于2012年12月6~28日在这4个污水处理厂采集水样,采样时气温为-25~-16℃,水样取回后于4℃的条件下保存.4个污水处理厂的日处理量、处理工艺等情况,以及采样点位置如表1所示,各采样点所采集水样的水质参数如表2所示.
1.2 溶解性有机物的分级分离方法
水样经过0.45μm滤膜过滤后,依次通过串联XAD-8和XAD-4树脂柱,按DOM在不同树脂上的吸附特性将其分为疏水性有机酸(HPO-A)、疏水性中性有机物(HPO-N)、过渡亲水性有机酸(TPI-A)、过渡亲水性中性有机物(TPI-N)和亲水性有机物(HPI)等5种组分[13].
1.3 分析方法
1.3.1 DOC DOC采用Shimadou TOC-5000(日本岛津公司)测定.各DOM组分的含量均以DOC来表征.
1.3.2 紫外-可见吸收光谱 调节水样pH=7,然后置于1cm石英比色皿中,用紫外-可见分光光度计(Cary 50,美国Varian公司)进行紫外-可见扫描,扫描范围为190~900nm,用高纯水作空白.
1.3.3 三卤甲烷生成势 三卤甲烷生成势(THMFP)是指在保证加氯量足够的条件下,与氯反应足够长的时间后,水样中所能产生的4种三卤甲烷的最大量.测定步骤为:取100mL水样于具反口胶塞的玻璃瓶中,用0.1mol/L的NaOH溶液或0.1mol/L的HCl调节pH 7.0±0.2.加入2mL磷酸盐缓冲溶液,并根据确定的水样耗氯量(耗氯量按公式[CI2]=(3×[DOC])+(7.5×[NH4+])计算,加入次氯酸钠使用液.20℃避光反应72h,反应结束后取20mL水样,加入2mL的甲基叔丁基醚(MTBE)和10g Na2SO4,剧烈震荡至Na2SO4全部溶解,静止分层.待两相分层后移取1μL有机相注入CP-3800气相色谱仪(美国Varian公司)测定.
1.3.4 三维荧光光谱 三维荧光光谱用Cary Eclipse荧光分光光度计(美国Varian公司)测定.测定荧光光谱时,将DOM各组分稀释至DOC为1mg/L,调节水样pH值为7.样品装入1cm石英荧光样品池.激发和发射狭缝宽度均为5nm,扫描速度为1200nm/min.三维荧光光谱图的激发波长扫描范围为220~450nm,发射波长扫描范围为280~550nm,扫描间隔为1nm.本研究中所有水样的荧光光谱均用蒸馏水进行空白校正.
2.1 4个污水处理厂的DOC去除效果
图1 4个城市污水处理厂进水和出水中的DOM及各组分的DOC值Fig.1 DOC values for DOM and its fractions in influents and effluents of the four municipal sewage treatment plants
由图1可知,A,B,C和D污水处理厂进水DOC分别为30.7,28.3,35.5,46.0mg/L,出水DOC分别为12.5,5.9,7.6和9.8mg/L. 4个污水处理厂对DOM的去除率分别为59.3%,78.5%,79.2%和78.8%. 4种处理工艺对DOM都具有较高的去除能力,其中曝气生物滤池对DOM的处理效果最好.这是因为曝气生物滤池采用生化反应和物理过滤联合处理的方式,同时发挥了生物膜法和活性污泥法的优点.由于它具有生物氧化降解和过滤的双重作用,因而可获得较高的出水水质[14-15].据文献报道[16-17],气温在18~30℃时,污水处理厂的DOC去除率可达到82%以上.与此相比,该研究中的DOC去除率较低,这反映了温度对污水处理效果的影响,即低温条件下污水处理厂的DOC去除率低于常温和高温条件.
A污水处理厂进水经A/O工艺处理后,HPO-A,HPO-N,TPI-A,TPI-N和HPI的去除率可排序为HPO-N (81.7%)>HPI (72.5%)>TPI-N(40.3%)>TPI-A (22.2%)>HPO-A (8.7%).B污水处理厂HPO-A,HPO-N,TPI-A, TPI-N和HPI的出水DOC值比进水DOC值分别降低16.6%,82.7%,53.4%,50.8%和86.2%.经C污水处理厂的浮动填料工艺处理后,HPO-A,HPO-N,TPI-A,TPI-N和HPI的DOC分别降低32.3%,85.5%,47.2%,73.9%和92.2%.D污水处理厂出水中HPO-A,HPO-N,TPI-A,TPI-N和HPI的DOC值比进水分别降低42.5%,90.0%,73.8%,78.6%和82.6%.表明4种污水处理工艺对HPO-N和HPI的去除率大于其他3种组分.这可能是由于HPI主要包括一些分子质量较低的物质,如氨基酸、蛋白质和多聚糖等[18-19],易于被生物降解,因此其在污水处理工艺中的去除率较高.而HPO-N是疏水性的高分子量物质[20-21],其生物降解性较低[22],而在本研究中,它的去除率却相对较高,可能是它的去除主要依靠的是絮凝沉淀作用[23].
4个污水处理厂进水水样中,HPO-N和HPI含量较高,分别占总DOC的27.5%和43.0%(A),26.3%和50.1% (B),28.3%和45.4% (C),22.4%和50.0% (D);而HPO-A,TPI-A和TPI-N的含量较低,均不超过15%.魏群山等[10]认为,受污染水体中HPO-N的含量增加,导致HPO-A相对含量降低,即未受污染水体中HPO-A相对含量高于受污染水体.4个污水处理厂出水水样中,HPO-N和HPI含量分别降低至12.3%和29.0%(A),12.7%和32.3% (B),10.2%和28.2% (C),10.6%和41.0% (D),而HPO-A的含量则增加至36.1%(A),31.9% (B),36.1% (C)和30.1% (D).TPI-A和TPI-N的DOC百分含量在污水处理前后变化不大,仍不超过15.0%.这说明,HPO-N和HPI是污水处理厂进水中主要的DOM组分,而HPO-A和HPI是出水中主要的DOM组分.
2.2 污水处理厂进出水的紫外-可见吸收光谱
由图2可知,除HPI外,各DOM组分的紫外-可见吸收光谱的形状比较相似,均是吸光度随着波长的增加而下降,并且无明显特征吸收峰,这是由于多种官能团相互干扰的结果.HPI在波长200~240nm范围内出现吸收带,但这些吸收带强度较低,不足以进行结构鉴定.4个城市污水处理厂进水和出水中的HPO-A在紫外区域显示出强烈的吸收,指示了芳香族C=C以及其它生色团的存在[24].根据Fuentes等[25]的研究,E253/E203指示芳环的取代程度,低E253/E203值表示芳环的取代程度较低或者芳环上的取代基是脂肪族官能团,高E253/E203值则指示了含氧官能团(羰基、羧基、羟基)在芳环上的取代.
图2 4个城市污水处理厂进水和出水中的DOM组分的紫外-可见光谱Fig.2 UV/Vis spectro of DOM fractions in influents and effluents of the four municipal sewage treatment plants
表3 4个城市污水处理厂进水和出水中的DOM组分的E253/E203、E465/E665、A280和A600值Table 3 The E253/E203, E465/E665, A280and A600values for DOM fractions in influents and effluents of the four municipal sewage treatment plants
由表3可知,各厂进水水样中HPO-A,HPON和TPI-A的E253/E203值较高,而TPI-N和HPI的E253/E203值较低,这与张军政等[26]的研究基本一致.经4种污水处理工艺处理后,HPO-A,HPO-N,TPI-A和TPI-N的E253/E203均降低,而HPI的E253/E203值升高.其中,A污水处理厂HPO-A,HPO-N,TPI-A和TPI-N的E253/E203降低率分别为21.0%,14.3%,7.8%和17.7%,B污水处理厂为27.3%,21.7%,34.6%和60.0%,C污水处理厂为28.6%,13.6%,14.8%和5.3%,D污水处理厂为26.5%,15.4%,12.5%和17.4%.另一方面,4个污水处理厂HPI的E253/E203升高率分别为22.2%,41.7%,20.8%和5%.由此可知,污水处理会使HPO-A,HPO-N,TPI-A和TPI-N的芳环取代程度降低,使HPI的芳环取代程度增加.其中,浮动填料法对HPO-A的芳环取代程度降低最显著;曝气生物滤池对HPO-N,TPI-A和TPI-N的芳环取代程度降低最显著,对HPI的芳环取代程度增加最显著.Richard等[27]认为,E465/E665与分子量负相关.由表3可知,5种DOM组分的分子量排序为:HPO-A>HPO-N,TPI-N>TPI-A>HPI.经4种污水处理工艺处理后,各组分分子量均增加,其中HPI增加率相对较高,5种DOM组分的分子量排序不变.Fuentes等[25]的研究表示,A280反映了芳香族C-C的相对含量,高A280表明芳香性强,低A280表明芳香性弱.由实验结果来看,4个污水处理厂进、出水水样中HPO-A和TPI-N的芳香性最强,而HPI的芳香性最弱.这与前人的看法基本一致:二级处理出水中,HPO-A及TPI-N中与不饱和双键或芳香环相关的芳香性有机物含量相对较高[28].经4种污水处理工艺处理后,5种组分的A280值均升高,这说明污水处理工艺对DOM组分中的非芳香族物质的去除率高于芳香族物质,导致DOM组分的芳香性升高.其中,HPO-A的A280值升高率最低,A、B、C和D4厂分别升高21.9%,4.2%,17.5%和30.7%;HPI的A280值升高率最高,A、B、C和D4厂的升高率分别为132.9%,270.4%,170.0%和85.2%.在4种污水处理工艺中,A2/O法对HPO-A和TPI-A的芳香性增强程度最高,而曝气生物滤池对HPO-N,TPI-N和HPI的芳香性增强程度最高.Richard等[27]认为,A600与脂肪族或多芳环结构中扩大的共轭体系有关,可表示水体中腐殖质的腐殖化程度.除C污水处理厂的HPO-A和D污水处理厂的HPI的出水A600比进水减少之外,经4种污水处理工艺处理后,各DOM组分的A600均升高,这说明污水处理工艺不仅降低了DOM的浓度,并且使其稳定性增强.其中HPO-A经过曝气生物滤池处理后腐殖化程度增加最明显,HPO-N,TPI-A和TPI-N经过A2/O法处理后腐殖化程度增加最明显,HPI经过A/O法处理后腐殖化程度增加最明显.
2.3 污水处理厂进出水的三卤甲烷生成活性
三卤甲烷生成活性(STHMFP)是单位质量有机物的三卤甲烷生成势,代表了有机物与氯反应生成三卤甲烷的能力.由图3可知,A污水处理厂进水中DOM组分的STHMFP可排序为HPO-A >TPI-N > TPI-A > HPO-N > HPI.经处理后,5种组分的STHMFP均升高,升高率分别为HPI(164.6%) > HPO-N (60.3%) > TPI-A (17.0) >TPI-N (13.9) > HPO-A (10.1%).该污水处理厂出水中的DOM组分的STHMFP排序变为:HPO-A >HPO-N > TPI-N > TPI-A > HPI.B污水处理厂进水和出水中DOM组分的STHMFP可排序为:HPO-A > TPI-N > TPI-A > HPO-N > HPI和HPO-A > HPO-N > TPI-N > HPI > TPI-A.经处理后,HPO-N和HPI的STHMFP升高率最高,分别为159.8%和131.5%,HPO-A,TPI-A和TPI-N的STHMFP升高率为28.2%,76.9%和78.0%.C污水处理厂中,进水HPO-A,HPO-N,TPI-A, TPI-N和HPI的STHMFP分别为794.07,449.29,246.32,489.10,392.72µg/mg.由此可知,HPO-A,HPO-N和TPI-N的STHMFP较大,TPI-A和HPI的较小.经处理后,5种组分的STHMFP均升高,升高率分别为8.3%,37.1%, 77.5%,80.2%和87.3%,出水中DOM组分的STHMFP的排序为:HPO-A > TPI-N > HPI > HPO-N > TPI-A.对于D污水处理厂来说,进、出水中各组分的STHMFP的排序均为HPO-A > TPI-N > TPI-A > HPO-N > HPI.经处理后,HPO-A, HPO-N,TPI-A,TPI-N和HPI的STHMFP升高率分别为41.4%,97.0%,92.5%,47.1%和175.1%.
图3 4个城市污水处理厂进水和出水中的DOM及各组分的STHMFP值Fig.3 STHMFP values for DOM and its fractions in influents and effluents of the four municipal sewage treatment plants进水出水
由以上分析可知,在A,B,C和D污水处理厂进、出水样中的5种组分中,HPO-A的STHMFP最高,而HPI的STHMFP较低.这一实验结果和前人的看法基本一致:HPO-A与氯反应的能力比其它DOM组分强[29].经4种污水处理工艺处理后,5种DOM组分的STHMFP均升高,说明DOM中的非三卤甲烷前体物在污水处理工艺中得到优先去除.其中HPO-A的STHMFP升高率最低,而HPI的STHMFP升高率最高.4种污水处理工艺中,浮动填料法对HPO-A,TPI-A和HPI的STHMFP增加最显著,A2/O法对HPO-N的STHMFP增加最显著,曝气生物滤池对TPI-N的STHMFP增加最显著.
2.4 4个污水处理厂进水和出水的荧光光谱
在图4中可以观察到4个明显的荧光峰,分别为类富里酸荧光峰(激发波长(Ex)/发射波长(Em)=235~260/405~440nm)、类腐殖酸荧光峰(Ex/Em=295~330/411~434nm)、类芳香族蛋白质荧光峰(Ex<240nm)和类溶解性微生物代谢产物荧光峰(Ex/Em=280/316~348nm)[30-33].
图4 4个城市污水处理厂进水和出水中的DOM组分的荧光光谱图Fig.4 Fluorescence spectra of DOM fractions in influents and effluents of the four municipal sewage treatment plants
表4 4个城市污水处理厂进水和出水中的DOM组分荧光峰的位置和强度Table 4 Position and intensity of fluorescence peaks of of DOM fractions in influents and effluents of the four municipal sewage treatment plants
由图4和表4可知,在A污水处理厂进水水样的5种DOM组分中,除TPI-N外,其他4种组分的类芳香族蛋白质荧光峰均为光谱图上的最强峰,说明类芳香族蛋白质荧光物质是A污水处理厂进水DOM中的主要荧光成分.对于A和D污水处理厂进水来说,HPO-A和HPI的4个荧光峰的强度均高于其他3种DOM组分,这表明HPO-A和HPI中荧光物质的相对含量较高.对于B污水处理厂进水来说,4类荧光物质主要集中在HPO-A中.C污水处理厂进水水样中,荧光物质在HPO-A,TPI-A和HPI中的相对含量较高,而在HPO-N和TPI-N的相对含量较低.
由于测定荧光光谱时,每个DOM组分水样均被稀释至DOC为1mg/L,所以表4中荧光峰的强度值反映了DOM组分中荧光物质的相对含量.出水水样的荧光强度值高于进水水样,说明污水处理工艺对荧光物质的去除率低于非荧光物质,导致其在DOM组分中相对含量的升高;荧光强度值降低则相反.由表4可知,经过4种处理工艺处理后,除了D污水处理厂HPI的类腐殖酸荧光峰强度升高外,HPI的4个荧光峰的强度均降低,说明这4种污水处理工艺对HPI中荧光物质的去除率高于非荧光物质.而对于其他4种DOM组分来说,不同的污水处理工艺对不同荧光峰的改变不相同.C污水处理厂出水水样中HPO-A的4个荧光峰的强度均比进水水样低,而D污水处理厂则相反,这说明浮动填料法优先去除HPO-A中的荧光物质,而A2/O法优先去除HPO-A中的非荧光物质.A/O法和曝气生物滤池能够有效去除HPO-A中的类芳香族蛋白质荧光物质和类溶解性微生物代谢产物荧光物质,而对类富里酸荧光物质的去除率低于非荧光物质.A/O法和A2/O法对HPO-N中的类富里酸荧光物质、类芳香族蛋白质荧光物质和类溶解性微生物代谢产物荧光物质的去除率低于非荧光物质,而气生物滤池和浮动填料法曝气生物滤池和浮动填料法对HPO-N中类富里酸荧光物质和溶解性微生物代谢产物荧光物质的去除率高于非荧光物质.A、B和D污水处理厂出水水样中TPI-A的类富里酸荧光峰和类芳香族蛋白质荧光峰的强度均比进水水样低,而C污水处理厂则相反,这说明A/O法、曝气生物滤池和A2/O法优先去除TPI-A中的类富里酸荧光物质和类芳香族蛋白质荧光物质,而浮动填料法对TPI-A中的类富里酸荧光物质和类芳香族蛋白质荧光物质的去除率低于非荧光物质.A/O法和A2/O法能够有效去除TPI-N中的荧光物质,而曝气生物滤池和浮动填料法对TPI-N中的类腐殖酸荧光物质的去除率低于非荧光物质.
由图4和表4还可以看出,在4个污水处理厂进、出水水样中,HPO-A和TPI-A中的主要荧光物质为类富里酸荧光物质,类腐殖酸荧光物质和类芳香族蛋白质荧光物质.HPO-N和TPI-N中的主要荧光物质为类芳香族蛋白质荧光物质.而HPI中4类荧光物质的含量均较高.
3.1 A/O法、曝气生物滤池、浮动填料法和A2/O法对DOM都具有较高的去除能力,其中曝气生物滤池对DOM的处理效果最好.4种污水处理工艺对HPO-N和HPI的去除率大于其他3种组分.
3.2 经4种污水处理工艺处理后,5种组分的芳香性均增强.A2/O法对HPO-A和TPI-A的芳香性增强程度最高,而曝气生物滤池对HPO-N,TPI-N和HPI的芳香性增强程度最高.污水处理工艺不仅降低了DOM的浓度,并且使其稳定性增强.其中HPO-A经过曝气生物滤池处理后腐殖化程度增加最明显,HPO-N,TPI-A和TPI-N经过A2/O法处理后腐殖化程度增加最明显,HPI经过A/O法处理后腐殖化程度增加最明显.
3.3 经4种污水处理工艺处理后,5种DOM组分的STHMFP均升高.其中HPO-A的STHMFP升高率最低,而HPI的STHMFP升高率最高.4种污水处理工艺中,浮动填料法对HPO-A,TPI-A,TPI-N的STHMFP增加最显著.
3.4 4种污水处理工艺对HPI中荧光物质的去除率高于非荧光物质.而对于其他4种DOM组分来说,不同的污水处理工艺对不同荧光峰的改变不相同.
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Removals of dissolved organic matter fractions by different wastewater treatment processes in winter.
XUE Shuang1, JIN Wujisiguleng1,2, CHEN Zhong-lin1*, WANG Zhi1, WANG Jian1, WEN Yang1, ZHANG Ying1, WANG Jie1
(1.School of Environmental Science, Liaoning University, Shenyang 110036, China;2.The City College of Jilin Jianzhu University, Changchun 130111, China).
China Environmental Science, 2015,35(2):410~419
The removals of dissolved organic matter (DOM) fractions as well as changes in the spectroscopic characteristics of DOM fractions in four municipal sewage treatment plants in the Northeast in winter were investigated. DOM was fractionated using XAD resins into five fractions: hydrophobic acid (HPO-A), hydrophobic neutral (HPO-N), transphilic acid (TPI-A),transphilic neutral (TPI-N) and hydrophilic fraction (HPI). Removals of DOM by anaerobic-anoxic-oxic (A2/O)、biological aerated filter (BAF)、suspended carrier activated sewage (SCAS) and A2/O processes were high, and the BAF process was the most efficient process for reduction of DOM. Both aromaticity and specific trihalomethaneformation potential (STHMFP)increased as a result of the four wastewater treatment processes. The increases in aromaticity of HPO-A and TPI-A caused by the A2/O process were the greatest, while those of HPO-N、TPI-N and HPI caused by the BAF process were the greatest. The increases in STHMFP of HPO-A, TPI-A and HPI caused by the SCAS process were the greatest, while those of HPO-N and TPI-N caused by the A2/O and BAF processes were the greatest, respectively. The removal efficiency of fluorescent materials in HPI was higher than that of non-fluorescent materials by the four wastewater treatment processes. On the other hand, the changes in different fluorescence peaks of the other four DOM fractions caused by different wastewater treatment processes were distinct and different.
winter;wastewater treatment process;dissolved organic matter fractions;spectroscopic characteristics;chlorine reactivity
X703
A
1000-6923(2015)02-0410-10
薛 爽(1977-),女,河南洛阳人,副教授,博士,主要研究方向为低温条件下污染物的地球化学行为.发表论文30余篇.
2014-05-28
国家自然科学基金(21107039);辽宁省教育厅项目(L2011002);辽宁省科学技术计划项目(2011230009)
* 责任作者, 高级实验师, ldxslw666@126.com.cn