2.浙江清华长三角研究院生态环境研究所, 浙江省水质科学与技术重点实验室, 嘉兴 314006;
3.清华大学环境学院, 北京 100084
2.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Water Science and Technology, Department of Ecological Environment, Yangtze Delta Region Institute of Tsinghua University, Jiaxing 314006, China;
3.School of Environment, Tsinghua University, Beijing 100084, China
可吸附有机卤代物(adsorbable organic halogens,AOX)包括氯化物、 溴化物、 碘化物,不包括氟化物[1]. 大部分有机卤代物难生物降解、 毒性强、 具有生物积累性,对环境和人体健康造成直接破坏和潜在威胁[2],因此多国先后对废水中AOX的排放浓度进行了限制[3]. 有机卤代物是制药行业常见的生产原料、 中间体或产品,所以制药废水中有机卤代物的检出浓度往往非常高. 这些有机卤代物亲脂性强,在废水生物处理过程中容易因吸附而积累到污泥中[4, 5],致使污泥中也含有高浓度的有机卤代物,若处置不当,具有较高生态风险[6, 7].
高级氧化可以产生具有强氧化能力的羟基自由基,使难降解的有机物转化为低毒或无毒的小分子有机物,甚至使一些有机物直接氧化为二氧化碳,所以利用高级氧化技术去除难生物降解的有机物可以取得很好的实际效果[8, 9]. Fenton试剂作为高级氧化剂的一种,和其他高级氧化剂相比具有氧化能力强、 反应速度快、 操作简单、 容易控制的特点. 有研究表明[10~13],强氧化性的Fenton试剂可以有效破解活性污泥,释放出有机物、 重金属并氧化分解胞外聚合物,从而使污泥中难降解有机物、 重金属得到有效去除并促进污泥脱水. 目前利用Fenton试剂进行污泥脱水[14~18]和重金属处理方面[19~21]的研究较多,而利用Fenton试剂处理工业污泥中有毒有害难降解有机物的研究相对较少.
本研究旨在利用Fenton试剂去除制药污泥中的AOX,考察不同H2O2投加量、 Fe2+投加量和不同反应时间等条件对污泥和上清液中AOX去除的影响,得出Fenton氧化去除污泥中AOX的最佳反应条件; 结合GC-MS分析污泥中AOX与其它有毒有害污染物的成分变化,解析Fenton氧化对不同类型有机物的降解效果.
1 材料与方法 1.1 实验用污泥某大型合成制药企业的生产废水采用厌氧-好氧组合工艺进行处理. 实验用污泥采自该企业废水生物处理系统的好氧池,当天带回实验室后4℃冷藏. 使用前先静置沉淀弃去上清液,然后调整混合液悬浮物浓度(MLSS)约为15 g·L-1,供Fenton氧化实验使用. 供试用污泥基本特征如表 1所示.
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表 1 供试污泥基本特征 Table 1 Basic characteristics of the tested activated sludge |
1.2 Fenton氧化实验方法
40 mL污泥置于100 mL锥形瓶中,首先投加FeSO4·7H2O(分析纯),待FeSO4·7H2O完全溶解后,按既定物质的质量比添加H2O2(质量分数为30%,分析纯)作为氧化剂,放置于HJ-6A数显恒温磁力加热搅拌器上,边搅拌边在常温下反应,控制反应时间. 反应结束后取样,转速3500 r·min-1,离心3 min. 考虑Fenton具有破解污泥的作用,取上清液测试AOX浓度变化; 沉淀部分使用冷冻干燥机(北京博医康实验仪器有限公司,FD-1A-50型)冷冻干燥、 研磨过100目筛后测试AOX浓度并进行GC-MS分析.
由于此制药企业活性污泥不易调pH,耗费大量的酸会导致处理成本过高,所以选择在不调污泥pH的条件下进行实验条件的探索.
1.3 上清液和污泥中AOX检测方法微库仑法检测上清液和污泥中AOX,使用仪器为Multi X 2500 总有机卤素分析仪(德国耶拿分析仪器股份公司). 测试上清液时[22]采用的容器为250 mL磨口带塞锥形瓶,量取5 mL水样稀释至100 mL,加入5 mL浓度为17 g·L-1的硝酸钠储备液,并用浓硝酸调节pH值至2.0以下,加入50 mg活性炭(德国耶拿分析仪器股份公司,粒径在30~63 μm). 在200 r·min-1速度下振荡1 h,使活性炭充分吸附水样中的AOX. 使用AFU3过滤系统(德国耶拿分析仪器股份公司)过滤振荡结束后的水样,收集活性炭到AFU3系统配套的石英柱中,用25 mL浓度为0.85 mg·L-1 的硝酸钠洗脱液冲洗两遍,去除活性炭表面的无机卤化物,再用微库仑法测定活性炭上吸附的AOX.
测试污泥样品时[23],污泥经冷冻干燥、 100目研磨过筛后,称取10 mg放入25 mL磨口带塞锥形瓶中,加入20 mg活性炭和10 mL硝酸钠储备液,在200 r·min-1转速下振荡1 h. 后续处理步骤同上清液方法.
1.4 污泥中有机物的GC-MS分析方法污泥萃取方法参考可萃取有机卤代物(EOX)前处理方法[24],污泥冷冻干燥后,研磨过100目筛,称取0.5 g过筛污泥在FOSS全自动索氏抽提系统(瑞典FOSS公司,SoxtecTM 8000) 中进行索氏提取,有机溶剂使用正己烷(色谱纯). 萃取后的溶液在TurboVap Ⅱ型全自动定量浓缩仪(瑞典Biotage公司)中氮气吹脱浓缩至1 mL以下,再用正己烷定容至1 mL,使用无菌注射器和0.22 μm有机相针式滤器将有机相过滤至进样瓶中,用于GC-MS分析.
GC-MS分析条件[25],Agilent 7890A色谱仪,Agilent 5975C质谱仪. 气相色谱柱: DB-5,0.25 mm×30 m,毛细管柱. 载气: 氦气(30 cm·s-1). 升温程序如下: 初始炉温50℃,保温2.5 min,接着以50℃·min-1升至110℃,以10℃·min-1升至320℃,并保温1.1 min.
2 结果与讨论 2.1 不同芬顿反应条件对污泥和上清液中AOX去除的影响 2.1.1 不同H2O2投加量影响Fenton氧化反应中,保持Fe2+投加量为0.15 mol·L-1,反应时间为2 h,不同H2O2投加量(0.24~2.82 mol·L-1)下污泥和上清液中AOX的去除情况如图 1所示.
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图 1 H2O2投加量对活性污泥中AOX去除的影响 Fig. 1 Influence of H2O2 dosage on AOX removal in activated sludge |
H2O2投加量为0.24 mol·L-1时,污泥AOX去除率为68.4%. 随着H2O2投加量的增大,污泥中AOX去除率明显增加,至投加量为0.9 mol·L-1、 1.65 mol·L-1时污泥AOX去除率分别达到76.9%、 81.0%; 此后继续增加H2O2投加量对污泥AOX去除率的提高作用不大, 当H2O2投加量为2.82 mol·L-1时,污泥AOX去除率为81.4%. 污泥中AOX去除率随H2O2投加量增大而迅速增加,这是由于H2O2投加量增加后引起反应体系中·OH的量迅速增加,从而使氧化能力提高. H2O2的增多有利于·OH的产生,但是过量的H2O2会自我分解甚至可以成为·OH的捕捉剂,不会再对Fenton反应起到促进作用[26~28]. 因此继续增加H2O2投加量时,污泥AOX去除率的提高作用不大.
上清液中的AOX氧化前为2.14 mg·L-1,H2O2投加量为0.24 mol·L-1时骤然增加至9.53 mg·L-1. 此后随着H2O2投加量的增大,上清液中AOX的浓度迅速降低,至投加量0.9 mol·L-1时上清液AOX已降低至2.60 mg·L-1,接近氧化前的浓度水平. 继续增加H2O2投加量至1.65~2.82 mol·L-1时,上清液AOX浓度继续有所下降,不过幅度微小,至H2O2投加量为2.82 mol·L-1时,上清液中AOX的浓度仅降低至1.86 mg·L-1.
在较低H2O2投加量条件下,上清液中AOX的浓度相比反应前有所上升,这可能是由于Fenton氧化造成污泥解体,从而使污泥中的各类有机物包括吸附在污泥中的AOX类物质被释放至上清液中,导致上清液AOX浓度上升[12]. 继续提高H2O2投加量,·OH的浓度增加有利于上清液中AOX的去除,所以随着H2O2投加量的增加,上清液AOX的浓度逐渐降低.
提高H2O2投加量会使污泥中AOX降低,但也相应地增加了处理成本,综合考虑污泥AOX的去除率、 上清液中AOX浓度和处理成本,在接下来的实验中选择H2O2投加量为0.90 mol·L-1.
2.1.2 Fe2+投加量影响固定H2O2投加量0.90 mol·L-1,反应时间2 h,Fe2+投加量由0.03 mol·L-1逐步提高至0.225 mol·L-1,不同Fe2+投加量下污泥和上清液中AOX的去除情况如图 2所示.
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图 2 Fe2+投加量对活性污泥中AOX去除的影响 Fig. 2 Influence of Fe2+ dosage on AOX removal in activated sludge |
Fe2+投加量为0.03 mol·L-1时,污泥AOX去除率为34.5%. 随着Fe2+投加量的增加,污泥中AOX去除率先迅速增大,在0.045 mol·L-1下达到70.7%; 继续升高Fe2+投加量,污泥中AOX去除率提高不大. 提高Fe2+投加量有利于Fenton反应产生更多的·OH,污泥中AOX被有效降解,但过量的Fe2+会捕捉·OH,从而不能进一步促进AOX的去除[26].
上清液中AOX浓度先随Fe2+投加量的增加而迅速降低,在投加量为0.045 mol·L-1时达到最低值0.46 mg·L-1; 此后,继续增加Fe2+投加量,上清液中AOX浓度逐步升高,在投加量为0.225 mol·L-1时达到9.27 mg·L-1. Fe2+投加量较低时,反应体系中的·OH浓度较低,使污泥解体,但不足以使上清液中AOX分解,所以在Fe2+投加量为0.03 mol·L-1时,上清液中AOX的浓度为7.01 mg·L-1,高于反应前的2.14 mg·L-1. Fe2+投加量由0.03 mol·L-1增加至0.045 mol·L-1,反应体系中的·OH浓度升高,上清液中AOX被有效降解,所以AOX浓度降低至0.46 mg·L-1. 继续提高Fe2+投加量,由于Fe2+过量,反应体系中的·OH被Fe2+捕捉[28],上清液中AOX的氧化受抑制,所以在Fe2+投加量由0.06 mol·L-1提高到0.225 mol·L-1时上清液中AOX浓度处于上升趋势,且过量的Fe2+投加也增加了处理成本.
综合污泥中AOX的去除率、 上清液中AOX的浓度和经济性,选择Fe2+投加量0.045 mol·L-1作为最佳条件.
2.1.3 反应时间影响固定H2O2投加量为0.90 mol·L-1、 Fe2+投加量为0.045 mol·L-1,改变反应时间,污泥和上清液中AOX的去除情况如图 3所示.
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图 3 反应时间对活性污泥中AOX去除的影响 Fig. 3 Influence of reaction time on AOX removal in activated sludge |
Fenton反应产生·OH的速度很快,在20 min时污泥中AOX的去除率就达到了50.0%. 随着反应时间的增加,污泥中AOX的去除率持续提高,反应120 min去除率升至70.7%. 上清液AOX浓度随着反应时间增加有着先上升后下降的趋势. 反应时间从20 min延长到60 min时,上清液中AOX由0.53 mg·L-1增加到0.66 mg·L-1,反应时间继续增加上清液中AOX浓度持续降低,反应时间为120 min时上清液中AOX浓度降低至0.46 mg·L-1.
反应时间在60 min之前,污泥中AOX去除率持续升高,上清液中AOX浓度随之上升,这可能是由于污泥被破解释放AOX至上清液中的速率大于上清液中AOX被氧化的速率. 反应时间从60 min延长到120 min时污泥中AOX去除率依然持续升高,可能是由于Fenton将污泥分解为较小的颗粒[12],使污泥与Fenton试剂接触面积增大,从而促进了AOX的氧化去除. 反应60 min后可能污泥被破解得比较完全,后续释放至上清液的AOX较少,而释放到上清液中的AOX又被Fenton试剂氧化降解,所以上清液中AOX的浓度呈降低趋势,在120 min时上清液中AOX去除率达到78.5%.
综上所述,延长反应时间有利于Fenton降解污泥中的AOX,但反应时间的延长也会增加污泥处理的成本,所以综合考虑AOX去除效率和经济性,反应时间选为120 min.
2.1.4 H2O2、 Fe2+对污泥中AOX去除的影响H2O2(0.9 mol·L-1)、 FeSO4·7H2O(0.045 mol·L-1)、 Fenton [H2O2(0.9 mol·L-1)、 FeSO4·7H2O(0.045 mol·L-1)]这3种试剂对污泥中AOX、 上清液中AOX去除效果的影响如图 4所示.
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图 4 不同反应试剂对活性污泥中AOX去除的影响 Fig. 4 Influence of different reaction reagents on AOX removal in activated sludge |
单独H2O2和FeSO4·7H2O对污泥中AOX去除率分别为11.7%和12.2%. 单独加入H2O2反应后虽然污泥中AOX有所降低,但是上清液中AOX的浓度上升至6.65 mg·L-1,表明H2O2并不能有效去除污泥体系中AOX,AOX只是发生了相的转移,由泥中转移至上清液中. 单独FeSO4·7H2O加入反应后上清液中AOX浓度降低至1.02 mg·L-1,表明单独的Fe2+ 加入后可能发生混凝沉淀反应对上清液中AOX有一定去除效果,由于混凝物对污泥有一定的稀释作用,所以测出反应后泥中的AOX值略有降低. 而Fenton反应后,污泥中的AOX去除率大大提升(去除率为70.7%),上清液中的AOX也由初始的2.14 mg·L-1降低为0.46 mg·L-1.
所以单独的H2O2或FeSO4·7H2O并不能使污泥体系中AOX有效去除,Fenton反应产生的具有强氧化作用的·OH自由基才能有效去除污泥体系中的AOX.
2.2 GC-MS的定性分析Fenton反应前后GC-MS检测的主要物质如表 2所示,以峰面积的形式表示各物质的增减情况. 污泥中共检出11种有机卤代物,包括5种氯代烷烃类,两种含氯含氟苯乙酮类物质,两种氯代酯类,一种氯代烯烃和一种磺酰氯类物质. 反应后,污泥中8种有机卤代物不再检出,而3种有机卤代物仍有不同程度检出,不过相比反应前其浓度都有降低,检出峰面积分别减少了41.7%、 50.0%、 43.1%. 对比反应前后GC-MS检出的有机卤代物可知大部分氯代烷烃类和氯代酯类等比较容易去除,而氯氟苯乙酮可能比较稳定,Fenton试剂难以将其完全去除.
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表 2 GC-MS检测反应前后化合物的种类和峰面积变化结果 Table 2 Numbers and peak areas of the compounds in the sludge before and after Fenton reaction as detected by GC-MS |
Fenton反应对污泥中非卤代有机物也显示了较好的去除效果. 对二甲苯和邻苯二甲酸二异丁酯这两种含有苯环的毒性比较高的有机物被完全去除; 烷烃类物质不易被完全去除,但是通过Fenton反应浓度有所降低. 有机酸类如十二烷酸、 硬脂酸在反应后浓度有所升高.
综上,GC-MS分析表明Fenton试剂可以氧化去除大部分的有机卤代物,而且由于Fenton试剂产生的·OH自由基具有非选择性氧化的特性,对其它有毒有害的有机物也能起到较为高效的去除效果.
Fenton氧化处理废水时最大问题是会产生大量的化学污泥,显著增加污泥处理的难度和成本. 但近年也有很多研究表明,Fenton氧化用于污泥处理时,在污泥脱水和减量方面有很好的效果[29~35]. Fenton氧化能使污泥减量的原理在于,Fenton试剂能使活性污泥的细胞壁破解,氧化分解胞外聚合物等有机物,进而使污泥中细胞内部水和结合水大量释放出来,提高污泥的脱水性能; 此外氧化过程中生成的亚铁、 铁的氢氧化物或氧化物,能对破解的污泥碎片及释放出的大分子物质起到很好的絮凝作用,也能进一步提高污泥的脱水性能. 在实际工程应用中,也经常大量使用污泥调理剂FeCl3来调理剩余活性污泥,促进污泥脱水[36~39]. 本研究中着重探讨了Fenton氧化对制药企业活性污泥和上清液中AOX的去除效果,即对工业污泥减毒或无害化处置方面的效果,尚未来得及对污泥脱水性能的改善
和减量效果做出系统的定量评价. 不过,初步实验表明,H2O2投加量0.90 mol·L-1,Fe2+投加量0.045 mol·L-1,反应2 h后,污泥MLSS由初始的15.94 g·L-1增至16.52 g·L-1,但活性污泥的毛细吸水时间(CST)大大降低. 显微镜观察显示,Fenton氧化处理后污泥比处理前更松散,这和其他的报道相似[32, 33],表明经过Fenton氧化处理后,制药企业活性污泥脱水性能明显改善.
3 结论(1) Fenton氧化可以高效去除污泥中的AOX. 在pH为7.16、 H2O2投加量0.90 mol·L-1、 Fe2+投加量0.045 mol·L-1 [物质的量比为: n(Fe2+)∶n(H2O2)=1∶20]、 反应时间为2 h条件下,污泥中AOX去除70.7%,上清液中AOX去除78.5%.
(2) Fenton试剂在较低剂量下能使污泥解体,污泥中AOX释放到上清液中,从而使污泥中AOX浓度迅速降低的同时,上清液中AOX浓度增加; Fenton试剂浓度增加后,不仅污泥中AOX浓度迅速降低,上清液中的AOX也得以高效去除.
(3) GC-MS分析结果显示,Fenton氧化后,污泥中的8种有机卤代物和二甲苯、 邻苯二甲酸二异丁酯等非有机卤代物类有毒有害有机物被有效去除,而仍能检出的3种卤代有机物的去除率也达到了40%~50%.