活性炭预涂动态膜处理船舶含油废水过程中溶解性有机物的分子组成特征

周毅, 黄武林, 谭冠新, 陈敏, 陈嘉, 林明富, 张晓霞. 活性炭预涂动态膜处理船舶含油废水过程中溶解性有机物的分子组成特征[J]. 环境工程学报, 2024, 18(2): 461-470. doi: 10.12030/j.cjee.202310089
引用本文: 周毅, 黄武林, 谭冠新, 陈敏, 陈嘉, 林明富, 张晓霞. 活性炭预涂动态膜处理船舶含油废水过程中溶解性有机物的分子组成特征[J]. 环境工程学报, 2024, 18(2): 461-470. doi: 10.12030/j.cjee.202310089
ZHOU Yi, HUANG Wulin, TAN Guanxin, CHEN Min, CHEN Jia, LIN Mingfu, ZHANG Xiaoxia. Molecular composition characteristics of dissolved organic compounds in the process of treatment of marine oily wastewater by activated carbon precoated dynamic membrane[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2024, 18(2): 461-470. doi: 10.12030/j.cjee.202310089
Citation: ZHOU Yi, HUANG Wulin, TAN Guanxin, CHEN Min, CHEN Jia, LIN Mingfu, ZHANG Xiaoxia. Molecular composition characteristics of dissolved organic compounds in the process of treatment of marine oily wastewater by activated carbon precoated dynamic membrane[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2024, 18(2): 461-470. doi: 10.12030/j.cjee.202310089

活性炭预涂动态膜处理船舶含油废水过程中溶解性有机物的分子组成特征

    作者简介: 周毅 (1970—) ,男,学士,工程师,13501542811@163.com
    通讯作者: 周毅(1970—),男,学士,工程师,13501542811@163.com
  • 中图分类号: X703

Molecular composition characteristics of dissolved organic compounds in the process of treatment of marine oily wastewater by activated carbon precoated dynamic membrane

    Corresponding author: ZHOU Yi, 13501542811@163.com
  • 摘要: 动态膜技术以其高效、低成本等优点,在船舶含油废水深度处理领域展现出重要的应用潜力。然而船舶含油废水中有机物组成极其复杂,其在动态膜处理过程中的分子特征及变化尚需进一步研究。采用超高分辨质谱研究船舶含油废水中溶解性有机物(DOM)在动态膜过滤过程处理不同时间的分子组成特征。结果表明,船舶含油废水经动态膜处理前有超过2 200 种DOM分子式,其主要由CHOS、CHONP等含杂原子类物质组成。动态膜处理过程中,前10 min由于活性炭的较强的吸附能力,对大部分有机物显示出良好的去除率,废水的COD和DOC去除率均在80%以上,此阶段对大分子质量、不饱和氧化性DOM去除效果较好。随后活性炭吸附能力下降,动态膜对COD和DOC的去除率逐渐衰减,60 min时均下降至50%左右。60 min后船舶含油废水中DOM的分子组成未观察到明显变化。本研究揭示了船舶含油废水在动态膜处理过程中DOM分子层面的组成和变化特征,为动态膜技术高效处理难去除船舶含油废水提供一定的工艺参考。
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  • 图 1  活性炭预涂动态膜反应器装置图

    Figure 1.  Diagram of activated carbon precoated dynamic membrane reactor system

    图 2  活性炭预涂动态膜反应器过滤过程膜通量随时间的变化及对船舶含油废水COD、DOC和UV254的去除效率

    Figure 2.  Changes in flux with time and the removal efficiencies of COD, DOC, and UV254 of marine oily wastewater during the filtration processes of activated carbon precoated dynamic membrane

    图 3  含油废水DOM分子性质变化

    Figure 3.  The changes in molecular properties of marine oily wastewater

    图 4  含油废水DOM分子式数量及相对丰度百分比

    Figure 4.  The molecular formulas number and the relative abundance percentages of marine oily wastewater DOM

    图 5  含油废水DOM在VK图中的分子组成相对百分比

    Figure 5.  The relative abundance of DOM components in marine oily wastewater based on the compound classes in VK diagram

    图 6  含油废水DOM的DBE值与O/C比相关的碳原子数

    Figure 6.  DBEs of marine oily wastewater DOM and the number of carbon atoms related with the O/C ratios

    图 7  去除和透过部分DOM分子组成变化

    Figure 7.  Changes in molecular composition of the removed and permeated DOM

    图 8  截留部分DOM分子组成特征

    Figure 8.  Characteristics of the intercepted DOM molecular composition

    表 1  船舶含油废水前端处理工艺出水水质参数

    Table 1.  Effluent water quality parameters of the front-end treatment process of marine oily wastewater

    出水参数COD/(mg·L−1)含油率SS/(mg·L−1)TS/(mg·L−1)
    隔油沉淀分离池≤2 500≤1%
    气浮一体化装置≤1 500≤10 mg·L−1≤50≤30
    生化池≤500
    生物膜反应器≤200
    出水参数COD/(mg·L−1)含油率SS/(mg·L−1)TS/(mg·L−1)
    隔油沉淀分离池≤2 500≤1%
    气浮一体化装置≤1 500≤10 mg·L−1≤50≤30
    生化池≤500
    生物膜反应器≤200
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    表 2  船舶含油废水水质参数

    Table 2.  Characteristics of marine oily wastewater

    处理
    时间/min
    pH Cl/
    (mg·L−1)
    NO2-N/
    (mg·L−1)
    NO3-N/
    (mg·L−1)
    SO4/
    (mg·L−1)
    NH3-N/
    (mg·L−1)
    COD/
    (mg·L−1)
    DOC/
    (mg·L−1)
    UV254
    0 (8.29±0.03) (3 314.25±211.05) (0.37±0.02) (8.19±0.17) (1 053.09±21.19) (1.95±0.10) (165.41±8.59) (207.72±3.13) (1.92±0.16)
    10 (8.32±0.05) (2 869.75±125.58) (0.02±0.02) (7.84±0.08) (1 281.96±128.13) (0.41±0.02) (26.14±2.34) (33.27±3.00) (0.54±0.08)
    30 (8.27±0.08) (2 140.74±103.97) (0.05±0.00) (7.34±0.29) (1 191.74±96.03) (0.86±0.03) (53.24±4.80) (62.81±4.80) (0.82±0.05)
    60 (8.34±0.04) (3 242.96±129.67) (0.17±0.01) (8.02±0.52) (1 232.17±28.56) (1.34±0.11) (84.13±0.96) (99.34±8.88) (1.19±0.06)
    120 (8.38±0.06) (3 056.25±269.38) (0.29±0.01) (7.69±0.36) (1 024.42±2.38) (1.59±0.05) (120.79±7.34) (151.63±14.07) (1.54±0.04)
    180 (8.28±0.07) (2 970.43±215.59) (0.34±0.02) (8.23±0.12) (1 209.35±88.12) (1.78±0.08) (142.28±3.80) (178.17±14.70) (1.64±0.04)
    处理
    时间/min
    pH Cl/
    (mg·L−1)
    NO2-N/
    (mg·L−1)
    NO3-N/
    (mg·L−1)
    SO4/
    (mg·L−1)
    NH3-N/
    (mg·L−1)
    COD/
    (mg·L−1)
    DOC/
    (mg·L−1)
    UV254
    0 (8.29±0.03) (3 314.25±211.05) (0.37±0.02) (8.19±0.17) (1 053.09±21.19) (1.95±0.10) (165.41±8.59) (207.72±3.13) (1.92±0.16)
    10 (8.32±0.05) (2 869.75±125.58) (0.02±0.02) (7.84±0.08) (1 281.96±128.13) (0.41±0.02) (26.14±2.34) (33.27±3.00) (0.54±0.08)
    30 (8.27±0.08) (2 140.74±103.97) (0.05±0.00) (7.34±0.29) (1 191.74±96.03) (0.86±0.03) (53.24±4.80) (62.81±4.80) (0.82±0.05)
    60 (8.34±0.04) (3 242.96±129.67) (0.17±0.01) (8.02±0.52) (1 232.17±28.56) (1.34±0.11) (84.13±0.96) (99.34±8.88) (1.19±0.06)
    120 (8.38±0.06) (3 056.25±269.38) (0.29±0.01) (7.69±0.36) (1 024.42±2.38) (1.59±0.05) (120.79±7.34) (151.63±14.07) (1.54±0.04)
    180 (8.28±0.07) (2 970.43±215.59) (0.34±0.02) (8.23±0.12) (1 209.35±88.12) (1.78±0.08) (142.28±3.80) (178.17±14.70) (1.64±0.04)
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-10-17
  • 录用日期:  2023-12-22
  • 刊出日期:  2024-02-26

活性炭预涂动态膜处理船舶含油废水过程中溶解性有机物的分子组成特征

    通讯作者: 周毅(1970—),男,学士,工程师,13501542811@163.com
    作者简介: 周毅 (1970—) ,男,学士,工程师,13501542811@163.com
  • 广州净海油污水工程有限公司,广州 511436

摘要: 动态膜技术以其高效、低成本等优点,在船舶含油废水深度处理领域展现出重要的应用潜力。然而船舶含油废水中有机物组成极其复杂,其在动态膜处理过程中的分子特征及变化尚需进一步研究。采用超高分辨质谱研究船舶含油废水中溶解性有机物(DOM)在动态膜过滤过程处理不同时间的分子组成特征。结果表明,船舶含油废水经动态膜处理前有超过2 200 种DOM分子式,其主要由CHOS、CHONP等含杂原子类物质组成。动态膜处理过程中,前10 min由于活性炭的较强的吸附能力,对大部分有机物显示出良好的去除率,废水的COD和DOC去除率均在80%以上,此阶段对大分子质量、不饱和氧化性DOM去除效果较好。随后活性炭吸附能力下降,动态膜对COD和DOC的去除率逐渐衰减,60 min时均下降至50%左右。60 min后船舶含油废水中DOM的分子组成未观察到明显变化。本研究揭示了船舶含油废水在动态膜处理过程中DOM分子层面的组成和变化特征,为动态膜技术高效处理难去除船舶含油废水提供一定的工艺参考。

English Abstract

  • 海上船舶运输业已成为全球化趋势下的主要运载方式。船舶,特别是原油运输船在航运过程中会产生大量的含油废水,包括舱底水、压载水以及机械清洗时产生的洗舱水等[1]。此类含油废水成分复杂多样,具有含盐量高、有机物浓度高、水质水量变化大等特点[2]。船舶含油废水是一种典型的难去除废水,传统的处理工艺均具有一定的局限性。如物理分离法无法完全分离含油污水中的乳化油[3],此类废水的可生化性较差导致生物法的适应性较差[4],电化学法则需要消耗大量的能量,运行成本高[3]。因此,亟需开发便捷高效的船舶含油废水处理工艺。

    动态膜技术是一种利用在过滤初期形成的相对致密的滤饼层对污染物截留的膜分离过程。其在高效去除污染物的同时,又具有设备简单、清洗方便、能耗低等优点,近年来在多种含油废水处理工艺中得到推广与应用[5-7]。如利用动态膜过程处理炼油废水、油污海水或水包油乳液,对浊度的去除率均可达98%以上[7-9]。动态膜技术作为一项高效率、低成本的水处理工艺,有望在船舶含油废水深度处理中发挥重要作用。活性炭是一种孔隙结构丰富、比表面积大的优良吸附剂,已被广泛应用于水处理领域。活性炭预涂动态膜,作为一种高效、低成本的动态膜具有一定的实际应用前景[10-13]

    溶解性有机物(dissolved organic matter,DOM)作为船舶含油废水中的主要污染物组分,其成分十分复杂,且不同组分之间可能存在相互作用,是影响工艺处理效率的一个重要原因。目前常采用溶解性有机碳(DOC)、化学需氧量(COD)和特定波长254 nm处的吸光度(UV254)等来表征DOM的组成[14-15]。然而这些指标在提供DOM成分等方面的信息能力有限。近年来,随着超高分辨质谱技术的发展,静电场轨道阱质谱(Orbitrap MS)和傅里叶变换离子回旋共振质谱(FT-ICR MS)被广泛用来获得复杂组分中溶解性有机物的分子组成信息[16-18],有助于从更深的层面揭示DOM组成特征对处理工艺效率的影响。

    基于此,本研究对活性炭预涂动态膜过程对船舶含油废水不同组分的分离过程和机制进行剖析。在对含油废水总体成分评估的基础上,采用超高分辨质谱Orbitrap MS深入分析活性炭预涂动态膜过程处理前后船舶含油废水中DOM的分子组成特征,通过识别处理过程中去除部分、透过部分和截留部分DOM的分子组成差异,揭示不同操作时间时动态膜反应器处理船舶含油废水中DOM的去除规律,以期为船舶含油废水动态膜处理工艺的高效运行提供参考。

    • 本研究中船舶含油废水样品采集自广州某油污水处理厂经前端“隔油+气浮+生化池+生物膜反应器”处理后出水,其中各部分工艺出水水质如表1所示。

      经前端处理后,出水再经如图1所示的活性炭预涂动态膜反应器进一步处理。该动态膜反应器主要由电脑和自控系统、膜组件、流量计、压力计、控制阀门等组成。其中,预涂材料为上海麦克林生化公司的颗粒活性炭(PAC)(300 g,200 目),其干燥失重为0~15%,容重为497 kg·m−3,比表面积为595.462 m2·g−1,孔隙半径为2.56×10−9 m,室温下在水中的平均Zeta电位为(−34.4±0.6) mV,颗粒的平均尺寸为 (4.31±0.055)~(74.9±0.481) μm,标准偏差为 0.002 35~0.481。在本研究中,用70 mL·min−1流量预涂90 s形成厚度在500~1 500 μm范围内的动态膜,工作压力为20~150 kPa。综合不同文献取样时间间隔及反应器运行情况[11,19-20],我们在动态膜过滤过程中分别取0、10、30、60、120和180 min时出水水样,所有水样测试前通过0.45 μm玻璃纤维滤膜过滤,随后保存在4 ℃冰箱内。

    • 船舶含油废水的pH采用美国奥豪斯Stater3 100 pH计测定;溶解性有机碳(DOC)采用日本岛津TOC-LCPH总有机碳测定仪测定;化学需氧量(COD)、硝态氮(NO3-N)、亚硝态氮(NO2-N)、氨氮(NH3-N)采用连华科技有限公司5B-3A型多水质参数快速测定仪测定;氯离子(Cl)和硫酸根离子(SO4)质量浓度采用美国Thermo Fisher Scientific公司的离子色谱仪测定;UV254以水样在254 nm处的吸收值表示,用上海美谱达UV-1 800型紫外可见分光光度计测定。

    • 利用萃取柱将预处理后过滤液中DOM提取至纯水中。首先将玻璃纤维膜预处理后的过滤液用盐酸(32%,分析纯)调节至pH为 2,以提高有机酸和酚类的萃取效率[21]。萃取柱(Bond Elut PPL树脂,Agilent)预先用不少于6 mL的甲醇活化。活化后,利用真空泵将样品通过柱体并控制流速在40 mL·min−1以下。随后依次利用0.01 mol·L−1 盐酸和氮气冲洗/吹扫萃取柱以去除盐分并干燥。再使用1个萃取柱体积的甲醇洗脱样品,并用氮气浓缩直至完全干燥,最终再使用10 mL超纯水重新溶解获得DOM测试样品。空白样品为超纯水通过萃取柱,其他处理程序不变。

    • 所有DOM样品均采用Thermo Fisher Scientific Q Exactive Orbitrap质谱仪进行分析,样品以20 μL·min−1的速率直接注入负离子模式的电喷雾电离源中,喷雾电压为-2.00 kV,分辨率为140 000,全扫描范围为100~1 500。样品中DOM分子式(CcHhOoNnSs)由信噪比大于5的信号峰确定,并结合MATLAB软件的复合识别算法匹配分子式,且分子式限制在C1~50H1~120O1~50N0~5S0~3P0~2的组合范围内。

      获得含油废水浓缩液中DOM的分子式后,可按照分子元素类型将其分为CHO、CHON、CHOP、CHOS、CHONP、CHONS、CHOSP类有机物;根据样品中各分子式的相对强度来计算DOM化学性质的指标,如氢碳比(H/C)、氧碳比(O/C)、等价双键当量(double bond equivalent,DBE)、修正芳香指数(modified aromaticity index,AImod)和碳的名义氧化程度(nominal oxidation state of carbon,NOSC),计算公式如式(1)~(8)所示。

      式中:abc分别为等价双键当量(DBE)、修正芳香指数(AImod)、碳的名义氧化程度(NOSC)的计算公式,awabwacwa分别为abc的加权计算公式;nCnHnOnNnSnP别为每个分子式中碳、氢、氧、氮、硫、磷原子的化学计量数。相对幅度(Mi)的计算方法是将峰值幅度(Ii)除以总峰值每个样本的大小。

    • 首先,通过常规水质指标(表2)可以获取经前端处理后船舶含油废水中有机物的相关信息。其中,COD和DOC通常被用来代表有机物的质量浓度[17];UV254表示在254 nm下的吸光度,可以反应船舶含油废水中含有碳碳双键和碳氧双键的芳香性有机物及水中存在的腐殖质类大分子质量有机物的相对含量[22-23]。从COD、DOC及UV254的值可以看出,船舶含油废水在经动态膜反应器处理之前,具有相对较高的有机物质量浓度和相对含量较高的芳香性有机物。对船舶含油废水经动态膜反应器过滤过程处理不同时间后COD、DOC和UV254的去除率进行分析,可以评估动态膜对船舶含油废水中有机物的处理效果。

      图2所示,动态膜反应器的通量逐渐衰减,且初期衰减现象较为显著,30 min后通量变化逐渐平缓。主要是由于初期活性炭预涂膜对水样中污染物的吸附和截留效果明显,导致污染物去除率较高。随处理时间延长,污染物逐渐在膜表面堆积,会显著增加膜的阻力致使运行通量下降。同时由于活性炭吸附逐渐趋于饱和,对污染物的吸附能力下降,污染物的去除率逐渐降低。在处理10 min时,动态膜对船舶含油废水的COD、DOC和UV254去除率最高,分别达84.20%、83.98%和71.88%。说明活性炭预涂动态膜反应器处理初期,对废水样品中的有机物尤其是大分子有机物和芳香性有机物具有较好的去除效果,主要是由于具有多孔结构和巨大的比表面积的活性炭能有效吸附与截留水体中各种天然/合成的有机物及芳香族类化合物等[11,23-24]。然而随着处理时间的增加,动态膜对有机物的去除效率逐渐下降,其中在0~60 min时,下降速率最快,60~180 min时,下降速率有所减缓,到180 min时,COD、DOC和UV254的去除率分别仅为3.98%、14.22%和14.58%。在这个过程当中,活性炭优先吸附大分子芳香性有机物,填充在内部孔道,滤饼变得更加紧密的同时,活性炭逐渐吸附饱和,膜的物理截留作用逐渐变弱,部分大分子有机物穿过滤饼层堵塞膜孔,导致跨膜压差增大直到稳定[19],膜通量持续降低直到稳定,有机物沉积附着到滤饼层的作用力与滤饼层对有机物的阻力逐渐相等,滤饼层上不再有有机物附着[25],所以有机物去除效果先下降较快后缓慢下降。

    • 为进一步研究船舶含油废水中DOM(简称“含油废水DOM”)在动态膜反应器过滤过程处理不同时间下的分子组成特征及变化,采用Orbitrap MS获取其处理前后的分子信息,从分子强度加权平均值参数、分子数量及结构组成以及去除、透过和截留部分DOM等方面进行分析。

      图3反映了含油废水DOM在动态膜反应器处理不同时间后DOM分子整体性质的变化情况。含油废水DOM初始时具有相对较高的质荷比(m/zwa,300.89)、氢碳比(H/Cwa,1.55)与较低的氧碳比(O/Cwa,0.42),这表明含油废水DOM在初始时由较多的大分子质量、饱和且更少的含氧化合物组成[18,26]。在经过动态膜反应器处理10 min后,含油废水DOM的m/zwa达到最小值,随后逐渐增大,处理120 min和180 min时,其m/zwa大于初始值。动态膜反应器处理初期,活性炭对大分子质量的含油废水DOM(如高分子质量的5~6 环多环芳烃、腐殖类物质和蛋白质等[10,23,27])吸附效果显著。随着处理时间的增加,膜吸附能力下降,更多的大分子质量DOM可透过膜,使得渗透液中m/zwa增加。

      此外,含油废水DOM的修正芳香性指数(AImodwa)、等价双键当量(DBEwa)和碳的标准氧态(NOSCwa)在动态膜反应器处理过程中均表现出相似的变化趋势。在动态膜处理10 min时达到了最小值,随后增加,在处理60 min时达到最大值,并基本保持稳定,这表明在动态膜反应器处理0~10 min时,活性炭的吸附作用能较好地去除高芳香度、不饱和度和氧化程度的化合物。随后,在10~60 min时随着时间的增加,逐渐截留饱和、脂肪族和还原性高的化合物。处理60 min后,动态膜则主要去除高芳香度、饱和度的还原性化合物[28-29]

      动态膜处理前后废水中物质的剖析对理解动态膜的截留机制有重要作用。如图4(a)所示,含油废水DOM在未经动态膜反应器过滤过程处理前,有2 221 种分子式。经动态膜反应器处理10~60 min时,分子式数量有所减少,但其减少速率随着反应时间的增加而降低。60 min后随着反应时间的增加,分子式数量小幅度增加,这主要是由于在动态膜反应器处理10 min时,活性炭对废水中的污染物吸附效果显著,此时对废水中COD和DOC的去除率均在80%以上(图2(b)~(c)),可能使得部分分子被完全吸附。10 min之后,随着活性炭吸附能力的下降,动态膜反应器对废水中COD和DOC的去除率也缓慢下降,最终导致其对有机物种类的去除效果下降。由图4(b)可见,含油废水DOM主要由含杂原子化合物(含N、S、P元素)构成,其相对丰度高达80%以上,而天然有机物主要由CHO类化合物组成(占比多于70%),这表明含油废水DOM组成更为复杂[30]。CHOS类有机物是含油废水DOM的主要成分,其相对丰度达29%以上,而CHOSP和CHONSP类有机物较少,其相对丰度的为1.65%~4.20%。船舶含油废水中DOM丰富的CHOS类有机物可能来自于船舶含油废水中的硫化氢、硫醇和二硫化物等硫化物[31-32]。经过动态膜反应器过滤处理不同时间后,含油废水DOM中CHO类有机物的数量则整体呈减少趋势,其相对丰度先从开始的17.18%最多减少到30 min时的9.78%,而CHOS和CHONP类有机物的数量整体呈增加趋势,相对丰度分别从29.27%和14.40%最多增加至10 min时的34.45%和19.24%,而其余类型的DOM有机物则没有明显的变化趋势。

      Van Krevelen图(VK图)被广泛应用于描述不同样品中DOM的分子组成,我们根据此前YUAN等[30]的方法,根据DOM的H/C和O/C比,将DOM分为了脂质有机物(1.5≤H/C≤2.0,0≤O/C≤0.3)、脂肪族/蛋白质类有机物(1.5≤H/C≤2.2,0.3≤O/C≤0.67)、碳水化合物(1.5≤H/C≤2.4,0.67≤O/C≤1.2)、不饱和烃化合物(0.7≤H/C≤1.5,0≤O/C≤0.1)、类木质素(0.7≤H/C≤1.5,0.1≤O/C≤0.67)、芳香结构有机物(0.2≤H/C≤0.7,0≤O/C≤0.67)类单宁有机物(0.6≤H/C≤1.5,0.67≤O/C≤1.0)和其他有机物。如图5所示,含油废水DOM中的主要组分是类木质素有机物和脂肪族/蛋白质类有机物,其分别占总成分的35.29%、15.85%以上。通常来说,木质素是由C、H、O元素组成的难去除植物源芳烃[16],不存在于海水DOM[16,33]。然而,VK图是根据DOM的H/C和O/C划分区域,不能准确代表DOM的来源,含油废水DOM中的“类木质素”成分可能来自非木质素源材料、其他合成化学品或者与木质素结构相似的物质(如由醚键连接的含有可还原基团的芳香族烷基或羟基取代物)[30,34-35]。此外,近年来有学者收集了不同陆源水体及海水中的DOM并进行组分分析,结果表明不同水体中DOM分子结构具有相似性,有约75%~90%的相同碎片离子,且由于人为活动的影响,不少海水DOM中检测出了类木质素成分[36-38]。经动态膜反应器处理不同时间后,含油废水DOM组成结构没有发生明显变化,但类木质素有机物的占比基本上随着处理时间的推移而逐渐增加,在120 min时达到42.50%的最大值,而脂肪族/蛋白质类有机物的相对丰度相比初始时略有下降。脂肪族/蛋白质类有机物具有较高的H/C比和较低的O/C比,虽然其在含油废水DOM中的占比相对较高,但该类有机物的减少并没有导致含油废水DOM分子整体性质发生相应的变化,有可能是具有较高芳香性的芳香结构有机物和类单宁有机物同样相应增加共同作用导致的[39]

      此外,我们还分析了含油废水DOM的DBE值与O/C比相关的碳原子数以分析动态膜反应器处理过程中DOM的饱和(不饱和)程度、氧化(还原)特性与分子质量的变化,结果如图6所示。碳原子数和DBE值越低,意味着化合物的分子质量越小,C=C或C=O基团中双键越少[16,40]。动态膜处理初期,含油DOM中碳原子数为0~15和DBE为0~12的橙色和黄色斑点((0.60<O/C<1.15)的数量较多,而碳原子数为17~30和DBE值为0~18的蓝色和绿色斑点(0.05<O/C<0.03)较少。此时氧化度较高的低分子质量和低不饱和度的物质占含油废水DOM主导地位。随着动态膜反应器处理时间的延长,在10 min时可以观察到17~30 个碳原子数和DBE值为0~18的橙色和黄色斑点明显减少,而蓝色和绿色斑点明显增多,说明在10 min时大量氧化度较高的高分子质量DOM被去除,高饱和度和低氧化度的高分子质量成分易于透过膜。而10~60 min期间,可以观察到碳原子数为17~25和DBE为0~14 这个区域的蓝色和绿色斑点减少,橙色和黄色斑点逐渐增多,说明在这个处理期间,高不饱和度和低氧化度的化合物逐渐被去除,而氧化度较高的高分子质量的化合物透过膜导致其数量有所增加。120~180 min期间可以观察到高碳原子数区域橙色和黄色斑点少量增多,说明在这期间逐渐透过了少量高分子质量的低氧化度化合物。

      为了进一步了解在动态膜反应器处理过程中含油废水DOM分子组成的变化[16,40],对不同处理时间下去除的DOM在VK图中的分布和数量进行了比较。如图7所示,处理0~10 min时,被去除的DOM分子数量(997 种)远多于其他处理时间段,且其较为均匀地分布在VK图中。这表明在这个过程中,动态膜反应器中的活性炭能大量吸附截留含油废水中的DOM,且这个过程不具有选择性。动态膜反应器处理10~30 min时,对DOM分子数量的去除效果最小,而透过的DOM分子数量最多。此时由于经过初期的高效吸附过程,活性炭的吸附能力逐渐减弱,一些分子可能由于在活性炭中吸附饱和而进入透过液中,最终表现为渗透液中出现较多的透过DOM分子数。

      在DOM分子分布上,去除部分DOM和透过部分DOM也有较为明显的区别。去除部分DOM在处理10~30 min这个阶段,较为均匀地分布在高H/C(1.5≤H/C≤2.5)和低O/C(0≤O/C≤0.5)的区域,这些区域主要对应于脂质化合物;在30~60 min时,被去除的DOM分子集中分布在类木质素有机物和低饱、高氧化的脂肪族/蛋白质类有机物区域;在60~180 min时,被去除的DOM分子在VK图中分布较为均匀(除了在不饱和烃化合物区域中分布较少)。这表明动态膜反应器在处理10~60 min时对于含油废水DOM的去除具有一定的选择性,在较短的处理时间(10~30 min)内,动态膜反应器对高饱和度和低氧化度的化合物的去除率较高,30 min之后则选择性去除较低饱和度和低氧化度的化合物,而在较长的处理时间(60~180 min)内,由于动态膜反应器的处理效率已基本达到最低值,不会选择性去除DOM。

      透过液中DOM的成分是动态膜反应器无法过滤的部分,对其进行分子结构剖析将有助于理解动态膜反应器分离过程和性能优化。本实验的废水中约有1 164 种分子在动态膜反应器过滤过程中始终没有被去除,其数量始终多于去除部分DOM。从分子组成来看,其主要由CHOS、CHO、CHONP和CHON类有机物组成,如图8所示。这4类有机物展现出特定的分布规律,其中CHO类有机物主要分布芳香结构化合物以及氧化度较高的类木质素区域,而含杂原子的分子式则主要分布在具有高H/C(1.5<H/C<2.5)的脂质类、脂肪族/蛋白质和碳水化合物区域及具有较低氧化度的类木质素区域,与CHO类有机物的分布特点相反。这些结果间接反映了整体上活性炭预涂动态膜反应器较易去除具有高饱和度的CHO以及分布在芳香结构化合物区域的杂原子分子式。

      综合分析动态膜过滤过程,前10 min时由于活性炭的吸附作用,对废水中污染物显示出良好的去除能力。此时对大分子质量、不饱和氧化性DOM去除效果较好。随运行时间延长,活性炭的吸附能力逐渐下降,动态膜反应器对废水中污染物的去除能力逐渐衰减,至60 min时COD和DOC去除率下降至50%左右,且去除选择性逐渐丧失,此时可适当进行反洗以使动态膜的去除能力得到再生。

    • 本研究利用超高分辨质谱Orbitrap MS对活性炭预涂动态膜反应器过滤前后船舶含油废水中DOM进行深入分析,获得不同处理阶段对废水中不同成分的选择性处理效果。结论如下。

      1)处理初期,由于活性炭显著的吸附作用,对COD、DOC和UV254的去除效率均可达80%以上。随着处理时间的延长,活性炭吸附能力减弱,膜吸附截留效率逐渐降低,到60 min时基本达到稳定,且COD、DOC去除率均降至50%左右,建议此时进行动态膜的反洗操作以恢复动态膜的过滤效果。

      2)对DOM结构进行分析,动态膜反应器处理初期对大分子质量、不饱和氧化性DOM去除效果较好,到60 min左右相对稳定运行时,对不同有机物的去除没有显著选择性,对透过液的DOM分析表明,透过液中主要为类木质素区域的具有特定分布特征的CHO、CHOS、CHON和CHONP类化合物物质,这可能与此类物质在废水中所占比例较大,且膜动态反应器的非选择性去除有关。

    参考文献 (40)

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