本發(fā)明屬于水處理技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種長(zhǎng)期高效去除高水利負(fù)荷條件下水中內(nèi)分泌干擾物雙酚A的土壤濾料復(fù)合處理系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

雙酚A(BispHenol A，C₂₀H₂₄O₂，BPA)，主要用于生產(chǎn)聚碳酸酯、環(huán)氧樹(shù)脂等多種高分子材料及增塑劑、阻燃劑、涂料等精細(xì)化工產(chǎn)品，據(jù)悉全世界每年生產(chǎn)2700萬(wàn)噸含有PBA的塑料，是世界上使用最廣泛的工業(yè)化合物之一，應(yīng)用于食品塑料包裝、醫(yī)療器械等日用品的制造過(guò)程。多項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)雙酚A有模擬雌激素的效果，長(zhǎng)期暴露于雙酚A環(huán)境對(duì)健康有害，毒性閾值低，低劑量BPA也能導(dǎo)致內(nèi)分泌失調(diào)新陳代謝紊亂，威脅人體健康。我國(guó)衛(wèi)生部于2011年對(duì)外發(fā)布公告禁止BPA用于嬰幼兒奶瓶。

現(xiàn)有污水處理工藝能有效去除城市污水中大多數(shù)無(wú)機(jī)污染物和部分有機(jī)污染物，對(duì)微量有毒有害污染物的去除效果不佳。內(nèi)分泌干擾物多具有較高的水土分配系數(shù)，在包氣帶中會(huì)被生物降解或吸收，發(fā)生多種理化反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水體中微量有機(jī)污染物的去除?，F(xiàn)有的土層處理系統(tǒng)研究中多以場(chǎng)地土壤直接回灌，由于土壤密實(shí)孔徑小，富含微生物及有機(jī)質(zhì)，利于形成生物膜，因而滲透速率隨回灌時(shí)間明顯有下降，甚至出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象的主要原因。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種高效去除水中雙酚A的土壤濾料復(fù)合處理系統(tǒng)及方法，針對(duì)目標(biāo)污染物，采用吸附能力、生物降解能力較強(qiáng)的人工濾料與天然土層相結(jié)合，構(gòu)建復(fù)合土層處理系統(tǒng)，借助以濾料為主的介質(zhì)與污染物之間的物理、化學(xué)、生物等作用達(dá)到水質(zhì)凈化的目的，在干濕交替回灌模式下，達(dá)到保持高水力負(fù)荷狀態(tài)穩(wěn)定高效處理污染物效果。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

高效去除水中雙酚A的土壤濾料復(fù)合處理系統(tǒng)，包括有機(jī)玻璃柱體8，自下而上填充在機(jī)玻璃柱體8內(nèi)的粗砂礫卵石3、沸石2和人工混合土壤1，位于人工混合土壤1上方的溢流容腔4，溢流容腔4上方左右兩側(cè)面各設(shè)置一個(gè)溢流口7，溢流容腔4頂部為開(kāi)有氣孔及進(jìn)水口5的有機(jī)玻璃蓋，有機(jī)玻璃柱體8位于粗砂礫卵石3底端的側(cè)面開(kāi)有出水取樣口6；所述人工混合土壤1由采自北京市高碑店污水處理廠再生水回灌示范場(chǎng)地地表2米至3米間的粉質(zhì)粘土，與火山巖和中細(xì)砂按體積比為1:4:5的比例均勻混合物，采用分層填柱法緊實(shí)填充，主要功能為強(qiáng)化土壤天然微生物降解污染物雙酚A即BPA，防止堵塞并保持高水力負(fù)荷狀態(tài)運(yùn)行；所述沸石2主要功能為物理吸附去除污染物雙酚A即BPA；所述粗砂礫卵石3主要功能為承托土壤填料并出水過(guò)濾。

所述人工混合土壤1中填充粉質(zhì)粘土的理化性質(zhì)為：

pH值 8.2；

陽(yáng)離子交換量 17.7cmol·kg-1；

底泥CEC 12.28cmol·kg-1；

有機(jī)質(zhì)質(zhì)量含量 0.052％；

粒徑分布 2-0.05mm體積占比90.16％，0.05-0.002mm體積占比3.64％，<0.002mm體積占比6.20％；

土壤質(zhì)地 砂土及壤砂土；

所述沸石2的表面結(jié)構(gòu)特征如下：

比表面積 0.4199m2g-1

微孔內(nèi)比表面積 0.1765m2g-1

總孔體積 0.0011mL g-1

微孔體積 0.0001mL g-1

平均孔徑 4.4383nm。

所述有機(jī)玻璃柱體8，外徑10cm，內(nèi)徑9cm，總高度55cm；所述粗砂礫卵石3的高度為5cm；所述沸石2的高度為25cm；所述人工混合土壤1的高度為15cm。

所述溢流容腔4的高度為7cm，溢流口7距離有機(jī)玻璃柱體8頂端進(jìn)水口2cm。

所述粗砂礫卵石3和沸石2間鋪設(shè)一層玻璃棉。

所述有機(jī)玻璃柱體8外圍整體包裹錫箔紙。

所述有機(jī)玻璃蓋上鉆有13個(gè)直徑為8mm的氣孔；所述出水取樣口6的內(nèi)徑為1cm。

所述高效去除水中雙酚A的土壤濾料復(fù)合處理系統(tǒng)的處理方法，依靠蠕動(dòng)泵動(dòng)力，使待處理水恒速自上而下進(jìn)入有機(jī)玻璃柱體8，依次通過(guò)人工混合土壤1、沸石2和粗砂礫卵石3。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

1)土壤濾料復(fù)合處理系統(tǒng)對(duì)高濃度30μgL^-1BPA去離子配水進(jìn)行處理，目標(biāo)污染物去除率在93％以上。

2)所構(gòu)建土層平均滲透系數(shù)為0.57cm/s，屬于高滲透性，蠕動(dòng)泵以5025μL/min的流速使待處理水以的速度自上而下依次通過(guò)人工混合土壤(1)、沸石(2)和粗砂礫卵石，以2d為一個(gè)周期，按照濕干比為1:1，淹灌與落干交替進(jìn)行回灌24d，水流暢通，期間未發(fā)生溢流堵塞現(xiàn)象。

3)土層處理系統(tǒng)外部增加錫箔紙，模擬實(shí)際土壤條件。

本發(fā)明針對(duì)目標(biāo)污染物BPA的去除構(gòu)建土壤濾料復(fù)合處理系統(tǒng)，采用吸附能力、生物降解能力較強(qiáng)的人工濾料與天然土層相結(jié)合，構(gòu)建復(fù)合土層處理系統(tǒng)，對(duì)高濃度污染物具有去除率良好的去除效果，保持連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行高效處理效果。此外，系統(tǒng)還具有運(yùn)行成本低廉無(wú)化學(xué)污染等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的土壤濾料復(fù)合處理系統(tǒng)示意圖。

圖2為實(shí)施例2中連續(xù)24d運(yùn)行高濃度配水中BPA去除情況。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。

水中BPA進(jìn)入土層處理系統(tǒng)，主要通過(guò)土層中微生物降解及濾料的吸附作用得到去除。人工混合土壤1厚度為15cm，以強(qiáng)化場(chǎng)地微生物降解作用為主，主要填充實(shí)際污水處理場(chǎng)地的自然壤土與填料介質(zhì)混合得到的透氣性土壤。沸石2為進(jìn)一步吸附去除污染物及上層滲濾液中的其他污染物，厚度為25cm，選擇吸附容量較大利水且常用于植物種植的沸石。粗砂礫卵石3的功能為支撐上部的填充介質(zhì)，厚度為5cm，填充介質(zhì)為粗砂礫卵石。

為了模擬實(shí)際土壤環(huán)境，在有機(jī)玻璃柱體8外圍整體包裹錫箔紙，避免污染物光降解。

土壤濾料復(fù)合處理系統(tǒng)運(yùn)行前運(yùn)行調(diào)試15天，使用0.01mol/l CaCl₂去離子水溶液，流速5025μL/min，連續(xù)運(yùn)行，淋洗出處理系統(tǒng)中雜質(zhì)，穩(wěn)定出水。

具體構(gòu)建內(nèi)容為：

土壤中微生物代謝產(chǎn)生的胞外聚合物堵塞土壤孔隙可能是造成土壤濾料復(fù)合處理系統(tǒng)堵塞的主要原因。土砂層介質(zhì)復(fù)氧效率高，選取場(chǎng)地自然土壤加強(qiáng)生物降解作用；添加中細(xì)砂提高土壤通透性，強(qiáng)化微生物降解作用，火山巖呈多孔疏松狀且對(duì)BPA有很好的吸附能力，一方面能增強(qiáng)吸附作用，另一方面與可提高土壤通透性，加強(qiáng)土砂層復(fù)氧，強(qiáng)化微生物降解作用。隨著深度增加系統(tǒng)逐漸趨于厭氧條件，沸石2通過(guò)強(qiáng)化吸附作用強(qiáng)化截留效率，沸石具有較好的例子交換性以及耐酸耐熱等性能，生產(chǎn)及實(shí)驗(yàn)研究中常用作吸附劑，且研究表明對(duì)EDCs類污染物的吸附去除能力等因素，因而在復(fù)合土層構(gòu)建中優(yōu)選沸石作為沸石2的填料。

本發(fā)明構(gòu)建了土壤濾料復(fù)合處理系統(tǒng)。

如圖1所示，土壤濾料復(fù)合處理系統(tǒng)由有機(jī)玻璃制成，包括：

有機(jī)玻璃柱體8，外徑10cm，內(nèi)徑9cm，總高度55cm，其頂端配備鉆有直徑為8mm氣孔及進(jìn)水口5的有機(jī)玻璃蓋，底端有內(nèi)徑1cm的出水取樣口6；

自下而上，位于有機(jī)玻璃柱體8內(nèi)的厚度5cm的粗砂礫卵石、厚度25cm的沸石2和厚度15cm的人工混合土壤1；

位于粗砂礫卵石底端的側(cè)面開(kāi)有1個(gè)出水取樣口6；

位于人工混合土壤1上方的溢流容腔4，溢流容腔4上方左右兩側(cè)面各設(shè)置一個(gè)溢流口7，處理水在溢流容腔4中高度為7cm，溢流口7距離有機(jī)玻璃柱體8頂端進(jìn)水口2cm；

位于粗砂礫卵石3和沸石2間鋪設(shè)一層玻璃棉；

在有機(jī)玻璃柱體8外圍整體包裹錫箔紙。

本發(fā)明構(gòu)建的土壤濾料復(fù)合處理系統(tǒng)，具體構(gòu)建內(nèi)容為：

所述人工混合土壤1厚度15cm，填充土壤由采自北京市高碑店污水處理廠再生水回灌示范場(chǎng)地2米至3米間的粉質(zhì)粘土、火山巖、中細(xì)砂按V:V:V＝1:4:5的比例均勻混合添加；粉質(zhì)粘土研磨后自然風(fēng)干后，過(guò)1mm標(biāo)準(zhǔn)分樣篩；中細(xì)砂自然風(fēng)干后，過(guò)0.02mm-2mm標(biāo)準(zhǔn)分樣篩。均勻混合后，分層壓實(shí)填充。粉質(zhì)粘土的滲透系數(shù)一般在1.2×10^-6～6.0×10^-5cm/s，為低滲透性；所構(gòu)建土砂層的滲透系數(shù)為1.45cm/s，屬于高滲透性。

用于混合填充的粉質(zhì)粘土的理化性質(zhì)如表1所示。

表1受試粉質(zhì)粘土理化性質(zhì)

所述沸石2厚度25cm，填料為沸石，直徑6-10mm。強(qiáng)化填料對(duì)污染物的吸附去除作用，選擇吸附容量較大且便宜易獲得的沸石填料為主，沸石是以黏土、亞黏土等為主要原料，經(jīng)高溫?zé)坪笮纬删哂幸欢紫抖鹊臒o(wú)尖顆粒，對(duì)水流阻力小不易堵塞，布水布?xì)饩鶆颍痪哂休p質(zhì)、吸水率低、強(qiáng)度高、抗凍耐腐蝕等特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的吸附作用。該材料在植物栽培基質(zhì)中常用。

用于填料層填充的沸石的表面結(jié)構(gòu)特征如下表所示：

表2填料介質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)特征

所述粗砂礫卵石3厚度5cm，填充介質(zhì)為粗砂礫卵石，粒徑為15-30mm。功能為支撐上部的填充介質(zhì)，保持出水暢通。

位于粗砂礫卵石3和沸石2間鋪設(shè)的一層玻璃棉，主要用于防止砂礫下沉，堵塞出水口；

位于有機(jī)玻璃柱體8頂端的有機(jī)玻璃蓋，主要用于防止灰塵、雜物跌落，蓋上含有直徑為8mm的13個(gè)氣孔，主要用于通氣和進(jìn)水；

在有機(jī)玻璃柱體8外圍整體包裹的錫箔紙，主要用于避免污染物光降解影響，模擬實(shí)際土壤環(huán)境。

實(shí)施例分析

土層處理系統(tǒng)運(yùn)行前運(yùn)行，使用0.01mol/l CaCl2去離子水溶液，流速5025μL/min，連續(xù)運(yùn)行調(diào)試15d后，回灌進(jìn)水濃度30μg L-1的BPA去離子水溶液，以2d為一個(gè)周期，按照濕干比為1:1，淹灌與落干交替進(jìn)行回灌24d。進(jìn)水溫度平均為25.41℃，pH平均為6.56；出水溫度平均為25.8℃，pH平均為7.04。

系統(tǒng)對(duì)30μg L^-1BPA去離子水溶液的去除效果見(jiàn)圖2。