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介质加载混凝过程中磷和溶解性有机物的去除特征及混凝机理

郑利兵, 吴振军, 张鹤清, 黄光华, 焦赟仪, 张春, 魏源送. 介质加载混凝过程中磷和溶解性有机物的去除特征及混凝机理[J]. 环境工程学报, 2020, 14(12): 3352-3362. doi: 10.12030/j.cjee.201912134
引用本文: 郑利兵, 吴振军, 张鹤清, 黄光华, 焦赟仪, 张春, 魏源送. 介质加载混凝过程中磷和溶解性有机物的去除特征及混凝机理[J]. 环境工程学报, 2020, 14(12): 3352-3362. doi: 10.12030/j.cjee.201912134
ZHENG Libing, WU Zhenjun, ZHANG Heqing, HUANG Guanghua, JIAO Yunyi, ZHANG Chun, WEI Yuansong. Insight into the medium-loaded coagulation and the removal feature of phosphorus and DOM[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(12): 3352-3362. doi: 10.12030/j.cjee.201912134
Citation: ZHENG Libing, WU Zhenjun, ZHANG Heqing, HUANG Guanghua, JIAO Yunyi, ZHANG Chun, WEI Yuansong. Insight into the medium-loaded coagulation and the removal feature of phosphorus and DOM[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(12): 3352-3362. doi: 10.12030/j.cjee.201912134

介质加载混凝过程中磷和溶解性有机物的去除特征及混凝机理

    作者简介: 郑利兵(1989—),男,博士,助理研究员。研究方向:污水处理与回用等。E-mail:lbzheng@rcees.ac.cn
    通讯作者: 魏源送(1969—),男,博士,研究员。研究方向:污水处理与回用等。E-mail:yswei@rcees.ac.cn
  • 基金项目:
    国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07102-002);国家自然科学基金青年基金资助项目(51908539)
  • 中图分类号: X703

Insight into the medium-loaded coagulation and the removal feature of phosphorus and DOM

    Corresponding author: WEI Yuansong, yswei@rcees.ac.cn
  • 摘要: 为考察介质加载混凝过程中污染物去除特征与探讨混凝机理,考察了不同形态的磷和溶解性有机物(DOM)的变化,并结合混凝絮体粒径与形貌,分析了介质加载的混凝机理。结果表明:溶解性污染物主要去除机制为聚合氯化铝(PAC)水解产物的吸附和螯合作用,高芳香性、腐殖化和分子质量为4 000~50 000 Da的DOM去除率较高;石英砂可强化去除悬浮态磷及腐殖酸类DOM;磁种可强化有机磷、PO34-P和DOM的去除效果;回收磁种的微絮体结构使其对磷与大分子DOM具有更好的去除效果。介质加载混凝过程的关键作用在于形成密实性絮体,从而增强了絮体的强度和沉降性能,实现了污泥减量。研究结果可为介质加载混凝在水处理中的推广应用提供参考。
  • 近40年来,展开土壤污染治理工作较早的一些国家在污染场地治理的实践过程中,逐步认识到土壤污染具有长期性和离散不均一性,加之污染地块水文地质结构的复杂性使得受污染的土壤、地下水在修复之后仍存在一些残留污染物,使得该场地及相关资源不能无限制地使用[1]。另外,场地修复高昂的成本给政府造成了很大的财政压力。面对上述现状,美国、欧洲、日本等发达国家治理污染地块从过去彻底修复理念转变为风险管控理念,基于风险管控措施下再开发为居住用地、绿地、商业用地,实现了用地安全。作为一种重要的风险管控措施,制度控制是指通过限制土地资源使用、地下水资源利用、人类行为和公开场地污染信息等方式,将人体暴露于污染的可能性降至最低,从而保护人体健康和环境安全,该措施被美国、加拿大等国家广泛用于场地治理,并取得了很好的成效[2-3]

    随着我国产业结构的调整,许多工业企业停产搬迁遗留了大量的污染场地,修复治理任务繁重。近年来,我国场地治理相关法律法规及技术标准文件陆续出台,多种物理、化学及生物修复技术快速发展,污染场地修复与风险管控体系已初步建立[4-7]。借鉴国外经验,制度控制这一措施也陆续在我国某些发达地区场地治理中被尝试应用。但目前我国针对制度控制尚无专门的实施和监管要求,制度控制顶层法律设计待完善,故导致制度控制地有效落实存在一定障碍[8-10]。据不完全调查统计,我国采取“风险管控和修复+风险管控”组合策略的污染场地数量比例呈稳步增长的态势[11],采取制度控制有助于快速、经济地管控场地风险。

    美国、加拿大和澳大利亚等历经30多年的污染场地治理经验累积,将制度控制广泛应用于污染场地修复过程,制定了一系列关于制度控制识别、方案设计、实施和评估方面的指南,相关法律法规明确了制度控制相关方职责,已形成了较为精细化的制度控制体系[12-14]。国外制度控制在技术和策略上对我国具有一定借鉴价值,但中外不同土地制度和法律环境下制度控制实施与监管也存在显著差异[15-16]。本研究通过案例调研和我国制度控制相关文件分析,探讨我国制度控制的现状与不足;梳理分析国外制度控制法律法规和技术标准体系、相关方职责、实施过程、实施形式及其制度控制的优劣,针对性地提出基于我国污染场地管理体系下的制度控制建议,以期为完善我国制度控制体系提供支撑。

    通过网络检索、分析中国知网和建设用地土壤环境信息公示平台等数据库文献和案例,调研了我国29个采取风险管控措施或修复与风险管控措施联用的场地。如表1 所示,我国典型土壤重金属污染场地实施风险管控,一般采用阻隔填埋、原位固化稳定化等方式,广东省污染场地采用的阻隔措施最多。针对化工厂、农药厂、焦化厂等典型有机污染以及有机污染与重金属复合污染场地主要采用“修复+阻隔”的修复治理模式,修复措施一般有热脱附、原位化学氧化、地下水抽出处理等。从污染场地制度控制实施现状来看,对上述场地的制度控制措施及应用现状进行分析,针对土壤重金属污染采取原位固化稳定化的场地,确保固化稳定化区域不受扰动和破坏、限制利用方式,并设置了风险标识牌和隔离围栏进行制度控制。土壤中重金属和有机污染物复合污染采取阻隔措施的场地,提出了保护阻隔层的完整性、限制利用方式的目标并设置风险标识牌和隔离围栏进行制度控制。而针对地下水介质的污染物,地下水污染采取阻隔、抽出处理和原位修复和土壤气设置气体屏障的场地也存在长期残留污染物风险,但在实际场地的后期管理中,缺乏对此类场地采取场地和地下水利用限制性的制度控制管理。

    表 1  我国需要进行制度控制的污染场地类型及制度控制应用情况分析
    Table 1.  Analysis on the types of contaminated sites and the application of institutional control in China
    环境介质残留污染物修复+风险管控方式污染地块名称制度控制实施现状存在的问题
    土壤重金属原位固化稳定化CQ-R+RM-1HN-RM-1[17]永久性风险标识牌;设置隔离围栏待进一步针对不同场地类型、修复与风险管控措施、场地再开发利用情况制定精细化的制度控制要求。
    土壤重金属,有机污染物阻隔 (垂直 (钢板桩、泥浆墙、防渗膜墙) 、水平阻隔 (清洁土、工程) ) GD-R+RM-1GD-R+RM-3GD-R+RM-4GD-R+RM-5GD-R+RM-6GD-R+RM-7GD-R+RM-8GD-R+RM-10GD-R+RM-11GD-R+RM-12SH-RM-1[18]ZJ-RM-1ZJ-RM-2[19]风险标识;设置隔离围栏;阻隔区域日常维护与跟踪监测
    地下水有机污染物阻隔 (渗流屏障、拦截井或沟渠、泥浆墙和可渗透性反应墙) GD-R+RM-9BJ-RM-1TJ-R+RM+GW-2JS-RM+GW-1地下水污染区域后期开发利用的要求太过笼统,可操作性低。
    地下水有机污染物抽出处理GD-RM+GW-2GD-R+GW-13GD-R+GW-16GD-R+GW-17未采取制度控制。
    地下水有机污染物原位氧化GD-R+GW-14GD-R+GW-15JS-R+RM+GW-2[20]
    土壤或地下水挥发性有机污染物设置气体屏障SH-R+RM-2[21]TJ-R+RM+GW-1YN-R+RM-1
      注:地块代码构成为“省份代码-修复 (R) 和风险管控 (RM) 方式-地下水修复 (GW) -数字序号”;省份代码为,广东 (GD) 、北京 (BJ) 、上海 (SH) 、天津 (TJ) 、重庆 (CQ) 、浙江 (ZJ) 、江苏 (JS) 、湖南 (HN) 、云南 (YN) 。
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    1) 我国上位法未明确制度控制相关方职责。我国场地环境管理体系一定意义上明确了制度控制实施方为土地使用权人。2016年《土壤污染防治行动计划》[22]明确了土壤污染治理与修复主体,造成土壤污染的单位或个人要承担治理与修复。2016年发布的《污染地块土壤环境管理办法》[23] (42号令) 明确,规定污染场地土地使用权人应当对暂不开发利用的污染场地,实施以防止污染扩散为目的的风险管控;对拟开发利用为居住用地和商业、学校、医疗、养老机构等公共设施用地的污染场地,实施以安全利用为目的的风险管控。2018年《中华人民共和国土壤污染防治法》[24]规定土壤污染风险管控和修复,包括土壤污染状况调查和土壤污染风险评估、风险管控、修复、风险管控效果评估、修复效果评估、后期管理等活动;风险管控、修复活动完成后,需要实施后期管理的,土壤污染责任人应当按照要求实施后期管理。制度控制从方案编制到落实全过程中,需要土地使用权人承担编制制度控制方案、落实制度控制限制性要求以及定期向政府部门汇报制度控制实施情况的职责,而我国现行管理框架尚未明确上述相关职责。

    2) 我国制度控制实施的技术要求不明确。近年来我国国家和地方层面颁布了系列污染场地风险管控的实施方法和技术标准,均包含介绍制度控制的内容。生态环境部发布的《污染地块风险管控与土壤修复效果评估技术导则》(HJ 25.5—2018)[25]和《污染地块地下水修复和风险管控技术导则》(HJ 25.6—2019)[26]明确了采取制度控制的3种情景:1) 修复后土壤中污染物浓度未达到GB 36600—2018第一类用地筛选值的场地;2) 修复后地下水中污染物浓度未达到《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)地下水使用功能对应标准值的场地;3) 实施风险管控场地,上述情景下的污染场地后期管理,其中包括长期监测和制度控制。2019年《建设用地土壤污染风险管控和修复术语》(HJ 682—2019)[27]明确了制度控制定义:通过制定和实施各项条例、准则、规章或制度,防止或减少人群对场地污染物的暴露,从制度上杜绝和防范场地污染可能带来的风险和危害,从而达到利用管理手段对场地的潜在风险进行控制的目的。2021年山东省《污染地块风险管控技术导则(试行)》《天津市暂不开发利用污染地块风险管控技术指南(试行)》《河南省暂不开发利用污染地块风险管控技术指南》相继出台规定,提出了通过标识牌和网络平台等方式对污染场地的名称、地点、四至范围、污染情况、风险管控措施和限制性要求公开于众。我国技术层面提出了制度控制包括限制场地使用方式、限制地下水利用方式、通知和公告场地潜在风险、制定限制进入或使用条例等方式,多种制度控制可同时使用。但是,针对不同类型场地具体的限制性要求尚未明确,例如采取阻隔的污染场地,地下水长期监测的场地,尚无对该类型场地的针对性的制度控制要求。此外,针对我国不同场地类型,制度控制未与我国修复与风险管控措施等工程措施相组合起来应用。

    3) 我国制度控制实施路径待完善。通过调研发现,我国污染场地制度控制主要是风险公告牌、交地合同和第三方监管3种形式。相关技术标准提出的通过制定和实施各项条例、准则、规章或制度来实施制度控制在我国并没有建立起来。我国污染场地再开发利用全过程有我国特有的管理机制,生态环境部门组织污染场地调查评估、修复与风险管控以及效果评估等工作;自然资源部门负责土地收储,受理建设用地规划许可证、建设工程规划许可证、规划验收;住建部门受理建筑工程施工许可证、竣工验收[28]。基于我国污染场地进入后期管理实施制度控制情况,制度控制限制性要求需要在场地再开发利用的各个环节中保障其有效性。目前,我国尚没有通过用地规划、建筑施工许可、地下水使用许可、通知和公告等方式来落实制度控制的机制,导致了我国制度控制有效性落实存在一定障碍。基于现有的管理机制,将制度控制契合在我国相关管理机制中是强化制度管控的有效途径。

    4) 我国制度控制实施缺乏监督管理。制度控制作为长期风险管控的核心环节,需要相关监管部门对制度控制的落实情况进行持续的监督监管。生态环境部门应定期对制度控制的实施情况进行考核,并将制度控制的相关要求通过污染场地管理信息系统进行标识管理,并实现与自然资源部门和住建部门对场地制度控制信息的共享。自然资源部门需要根据制度控制的要求进行用地审批,住建部门需要根据制度控制要求对建设施工方案进行审批,对施工过程进行监督,以确保在场地修复和风险管控后仍然需要的制度控制管理要求得到严格执行。目前,我国相关的生态环境、自然资源和住建管理部门对制度控制的监管要求从国家到地方都尚没有明确,亟待确定各自的监管职责和工作机制。

    制度控制源自20世纪80的美国,之后在加拿大、澳大利亚等国家被广泛应用起来。经过数十年的研究和实践,美国、加拿大和澳大利亚等发达国家形成了相对完善的制度控制实施和监管体系,该体系在美国较为完善和精细。经过近40年的发展和完善,制度控制在美国污染场地修复治理过程中发挥着日渐重要的作用。根据美国2020年度超级基金报告数据显示 (图1) ,1984年美国开始实施制度控制,此后制度控制在修复治理措施所占比例稳步上升,到2017年占比超过了70%。制度控制的目的是利用行政、法律和信息公开手段,通过限制场地利用和人类行为方式阻断场地风险的暴露途径。制度控制的核心是针对不同类型污染场地,提出场地利用类型、人类行为、土壤及地下水使用限制性要求,通过明确制度控制实施方和监管方职责落实限制性要求,实现场地风险管控。另外,实施方未落实制度控制时,政府有关部门需采取有效手段进行执法,保证制度控制的有效性。

    图 1  美国超级基金污染场地修复模式趋势统计(1982-2017年)[29]
    Figure 1.  Statistics on trends in remediation modes at Superfund sites in US from 1982 to 2017

    美国、加拿大等国家在实践中认识到制度控制有效落实面临以下问题:明确相关责任方;确保相关方承担制度控制实施与监管的职责;制度控制要求如被违反可有效执法;建立场地信息管理系统,公开污染信息让公众参与监督管理。为解决上述问题,美国相关法律规定:州政府确保制度控制建立并得到有效落实,土地拥有方承担落实制度控制要求的职责,环境管理部门定期评估其有效性,制度控制如被违反,管理部门则有权进行强制执法。围绕制度控制方案编制、实施、监督和评估,美国环保局通过编制技术标准建立起精细化的技术标准体系。加拿大于2007年颁布了再利用的工业场地法和再利用的工业场地规定,经济部负责建立和实施制度控制的建立和强制执行专项,该专项的最主要组成部分是制度控制登记系统和制度控制基金。澳大利亚2018年制定颁布了《制度控制实施指南》[30]用来指导污染场地制度控制的实施。

    美国超级基金污染场地从制度控制识别到评估全过程契合在污染场地管理步骤中。1) 在污染场地调查或修复可行性研究阶段,识别制度控制的必要性。场地经过治理修复后不能满足无限制使用和无限制暴露条件,即修复后污染物浓度未能达到敏感用地 (如居住用地) 浓度水平时,通过制度控制管控场地残留的风险,提出制度控制保护的目标和限制性要求。本文随机调查了美国超级基金33个决策文件[31-63]污染场地的修复模式 (图2) ,不同污染场地实施制度控制的有30个,占比90%以上。针对不同类型场地,美国制定了限制场地用途、限制人类行为、土壤管理和限制地下水使用的制度控制要求,并根据污染介质、污染物类型、再开发利用方式及敏感受体,4类要求下又分别细分了针对性的限制性要求,保证了制度控制精细化实施 (图3) 。2) 在场地修复方案设计阶段,编制制度控制实施与保障计划,系统地建立制度控制实施和维护相关行动,明确负责行动的人员。3) 签署制度控制法律文件,一般包括环境契约、用地规划许可、地下水使用许可、场地污染信息登记等,确保制度控制限制性要求通过有效手段得以落实。4) 在后期管理阶段,美国环保局对制度控制实施情况开展5年评估,主要评估形式有文件审查、现场访谈和场地检查,重点是审查制度控制有效性是否存在问题,当制度控制终止条件满足即达到无限制使用和无限制暴露时,管理部门告知土地拥有方终止制度控制措施[64-65]。澳大利亚一般是完成污染场地修复工作后,利用制度控制措施进行土地规划来规范场地活动。

    图 2  美国污染场地制度控制应用特征
    Figure 2.  Characteristic of the application of contaminated sites IC in US
    注:处理包括固化稳定化、源去除、地下会抽出处理、原位化学氧化、原位生物修复、热脱附;长期监测包括监测自然衰减、加强监测自然恢复、地下水长期监测。
    图 3  美国污染场地制度控制的分类限制性要求
    Figure 3.  Systematic restrictions for IC of contaminated sites in US

    美国、加拿大和澳大利亚基于本国土地制度建立了本土化的制度控制实施形式。美国基于土地私有性,主要通过所有权控制、政府控制、强制与许可控制和信息公开4种方式对污染场地实施制度控制。所有权控制基于美国州环境契约法,是通过州政府与土地拥有方签署契约的形式让土地拥有方承担落实制度控制的职责。政府控制是通过土地规划分区、土地使用管理、地下水限制和建筑规定等方式实施制度控制。强制与许可控制是通过职能部门发布行政指令或许可要求等强制性法律文件,限制土地拥有方或使用者的行为,通常由职能部门运用此手段来实施制度控制的强制执行权。信息公开是通过污染信息登记、发布公告和向特定人群通告、公众参与的方式提供场地可能残留的污染物和制度控制要求信息,让公众参与监督制度控制实施过程。所有权控制是最常见的控制类型,基于环境契约法限制土地拥有方行为与权力,不仅对当前土地拥有方有效,对变更后土地拥有方同样有效;政府控制、强制与许可控制基于州和地方政府具有保护公众健康、安全和福祉的司法权。4种形式既可同时组合使用,也可以分阶段使用。加拿大在一些风险管控的污染场地,通过制度控制限制场地进出,如场地道路路障和警告标识牌。澳大利亚的制度控制措施主要包括产权控制、政府控制和信息手段。澳大利亚制度控制的实施主体是州政府,制度控制的具体措施一般包括:1) 土地所有权标记;2) 实施污染的土地登记和管理计划,对场地的使用及在场地上开展的活动施加限制条件;3) 规划许可条件;4) 与规划部门达成协议;5) 公布清洁通告。

    美国制度控制不同阶段相关方职责如图4所示。制度控制计划阶段,土地拥有方、州政府和公众充分评估制度控制实施形式及费用,联邦政府负责制定制度控制实施与保障计划。制度控制建立阶段,州政府不同职能部门确立制度控制实施路径和要求,如法院通过单方行政命令和判决书、规划部门进行土地分区规划场地用途、建筑管理部门颁发建筑许可证、卫生部门发布捕鱼禁令等提出制度控制限制性要求。确定实施路径后,土地拥有方负责落实制度控制要求,联邦政府检查并督促州政府确保制度控制的有效性,公众监督制度控制执行情况,如制度控制没有得到有效落实,公众有权向政府部门举报。制度控制维护与监管阶段,土地拥有方定期向政府部门报告制度控制完成情况,州政府部门进行审查,联邦政府对全国制度控制执行情况进行跟踪检查。若土地拥有方未有效落实制度控制,美国环保局有权要求土地拥有方支付相应费用,联邦政府可通过发布司法命令强制土地拥有方落实制度控制要求。州政府依据制度控制完成情况对其进行终止或修改。加拿大规定经济部负责建立和实施制度控制的建立和强制执行专项,该专项的最主要组成是制度控制登记系统和制度控制基金。登记系统包括:制度控制场地的地理位置、历史场地业主信息、场状况描述、场地历史活动记录、场地维护、监测和检查和允许的场地未来使用用途。制度控制基金支持制度控制实施过程所需要的运行资金需求,资金一部分作为制度控制例行运行资金支持日常维护和监测费用,另一部分为不可预见的活动费用。

    图 4  美国污染场地制度控制不同阶段相关方职责
    Figure 4.  Responsibilities of relevant parties at different stages of IC in US

    美国、加拿大及澳大利亚等国家基于本国土地管理制度,构建了一套完善、高效的制度控制体系。借鉴吸收国外制度控制的经验,对推动完善我国制度控制具有一定的参考意义。

    1) 国外污染场地修复后仍存在残留污染物,未能达到无限制使用和无限制暴露,通过制度控制这种非工程手段有效管控场地残留风险,最大限度地节省了成本,实现了场地安全再开发利用。例如,存在地下水长期监测井和可渗透反应墙等工程设施的污染场地,通过制度控制保证工程设施的完整性和长期有效性。通过信息公开的方式告知公众风险可以提高公众主动规避风险的意识,通过限制人类活动阻断风险暴露于人体的途径来保障人体健康,这对我国场地治理有很大的借鉴意义。

    2) 制度控制实施形式和职责体系上,美国基于土地私有性,主要有信息公开非强制性手段及所有权控制、政府控制强制性手段,强制性手段通过契约、土地规划分区、土地使用管理、强制许可以及地下水限制等方式管控场地风险[66]。而我国土地性质为公有制,有特有的场地管理机制和手段,不应对美国制度控制照搬照抄,制度控制实施形式和职责划分应结合我国土地管理制度进行合理设计。

    3) 值得注意的是,美国精细化的制度控制体系是逐步建立的,实施制度控制曾面临实施方和监管方是否有效落实职责问题。例如,历史上场地相关方通过契约 (所有权控制) 、分区规划 (政府控制) 和公共教育 (信息手段) 在决策文件中明确禁止对马萨诸塞州某超级基金场地开挖,但在1998年某公司未经环境部门事先批准开挖土壤,违反了制度控制限制性要求,导致制度控制没有有效落实。我国法律层面应明确制度控制相关方职责,保障制度控制有效落实[67]

    通过对国外污染场地制度控制管理体系的分析,基于我国土地管理机制,提出了包含各关键节点的制度控制框架流程,该流程包括制度控制必要性识别、编制制度控制方案、制度控制方案审批、制度控制实施、制度控制实施评估与调整终止 (图5) 。

    图 5  污染场地开展制度控制的框架流程
    Figure 5.  Procedures for IC of contaminated sites

    基于我国土地资源使用规划和管理机制,建议将制度控制要求嵌入城市规划和供地管理,尽快完善土地所有权人落实制度控制的职责,并出台相关管理细则确保制度控制落实并进行有效监管 (图6) 。土地所有权人负责编制制度控制方案,该方案明确制度控制目标,提出场地使用方式、地下水利用方式、保护风险管控设施有效性、场地人员行为等制度控制要求。制度控制方案由土地所有权人负责向场地所归属的生态环境部门备案,生态环境主管部门会同自然资源等主管部门对制度控制方案组织评审。污染场地再开发过程中,自然资源部门根据制度控制要求进行用地审批,住建部门根据制度控制要求对建设施工方案进行审批,确保制度控制限制性要求得到严格执行。场地后期管理阶段,土地所有权人落实制度控制方案中的限制性要求,并开展制度控制的有效性检查,目的是评估制度控制措施是否持续得到落实,持续地保护修复设施的完整性。土地所有权人向政府部门提供自检查报告,土地所有权人发生变更的,由变更后的土地所有权人承担制度控制职责。生态环境部门应对制度控制实施进行持续监督检查和定期评估,证实制度控制要求得到有效落实。

    图 6  建议我国污染场地制度控制的实施流程
    Figure 6.  Suggested implementation processes for IC of contaminated sites in China

    1) 多元化制度控制实施路径。我国已经实行建设用地土壤污染风险管控和修复名录制度,污染场地再开发利用全过程有我国特有的管理机制和手段。基于我国国情下,我国职能部门应该更多地承担制度控制的落实职责,有以下3种类型:①行政审批,相关管理部门,包括但不限于生态环境部门、自然资源部门、住房建设部门、各级地方政府通过建设用地规划许可、建筑施工许可、地下水资源使用许可等行政审批等措施,将场地的制度控制要求纳入相关审批环节的审批依据;②交地合同,场地所有权人落实制度控制职责,场地的使用权人 (制度控制的实施方) 负责落实场地使用方式、地下水利用方式、风险管控设施有效性、场地上人员活动等制度控制要求;③通知和公告 (信息公开) ,将场地潜在风险和限制要求向公众予以公布,多种制度控制方式可同时使用。

    2) 细化不同类型场地的制度控制限制性要求。制度控制目的是为了阻断残留污染物对敏感受体的暴露途径,达到保护人体健康和环境安全。制度控制目标应充分结合场地残留污染物范围、修复方式、场地上相关的基础设施、场地的规划用途和环境敏感点,确定制度控制实现的场地和地下水管控目标。根据场地土壤风险识别,确定限制污染土壤的扰动、禁止对场地开挖,禁止场地作为居住用地开发使用等制度控制目标。根据地下水的风险识别,确定禁止地下水作为饮用水源使用、禁止对地下水阻隔墙的破坏等制度控制目标。为实现我国污染场地风险管控下再开发的目标,根据制度控制目标制定切实可行的制度控制限制性要求是必不可少的。为了阻断残留污染物对敏感受体的暴露途径,保护风险管控设施的完整性和有效性,主要通过管控场地及地下水用途及利用方式,管控场地上人类行为活动,保护风险管控设施等方面实现风险管控目的即制度控制目的。具体的管控要求见表2

    表 2  污染场地制度控制目标及限制性要求分类
    Table 2.  Classification of objectives and restrictive requirements of IC
    制度控制目标限制性要求分类
    管控场地、地下水用途及利用方式①禁止制度控制区域作为第一类用地,包括不能用于GB50137规定的城市建设用地中的居住用地 (R) ,公共管理与公共服务用地中的中小学用地 (A33) 、医疗卫生用地 (A5) 和社会福利设施用地 (A6) ,以及公园绿地 (G1) 中的社会公园或儿童公园用地等
    ②禁止地下水作饮用水源使用
    管控场地上人类活动①禁止对风险管控设施例如阻隔层、监测井、可渗透反应墙等进行扰动、损害的行为
    ②禁止在采取固化/稳定化修复方式的区域进行开挖和打钻
    ③禁止平整、清挖、回填等可能将污染土壤带到地表的活动
    ④当存在地下水污染,禁止以使用地下水为目的的地下水井,禁止抽取利用地下水
    ⑤对场地周边区域可能影响风险管控设施效果的建设施工活动进行审批,并采取必要工程措施防止因为临近区域的建设活动,例如基坑开挖
    ⑥禁止其他可能影响修复和风险管控效果的人类活动
    保护风险管控设施①对阻隔层 (土壤阻隔、工程阻隔) 进行定期巡检与维护
    ②对固化/稳定化的修复方式的区域建设保护系统 (在固化/稳定化区域上方覆土或铺设沥青层) ,防止固化/稳定化产物受到风化的影响
    ③对地下水长期修复设施 (可渗透反应墙) 和风险管控设施 (监测自然衰减) 进行定期巡检与维护
    ④对土壤气导排设施进行定期巡检与维护
    ⑤对长期跟踪监测设施如地下水监测井进行定期巡检和维护
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    3) 开展制度控制日常维护与监督。制度控制的维护工作包括制度控制实施情况的检查和报告。制度控制有效性检查的目的是评估制度控制措施是否持续得到落实,是否按照制度控制实施方案的要求发挥作用,持续地防止风险暴露、保护修复或风险管控设施的完整性。一般由场地的所有权人或责任人开展自检查,提供自检查报告,自检查工作包括场地的现场检查和文件评审。现场检查应对工程控制设施的完整性进行检查;验证场地的使用限制得到有效落实;识别制度控制是否存在不足。文件评审应检查制度控制的相关法律文件是否签署,场地的使用限制要求是否遵守。负责检查的人员或机构需要向场地所属的生态环境管理部门报告,检查报告对制度控制执行的状况和有效性及不足进行评价。场地制度控制实施情况年度自检报告,向后期管理工作监管的部门报送,年度的检查报告将用于制度控制实施效果的评估。

    制度控制作为场地风险管控的重要措施之一,在美国、加拿大及澳大利亚等国家污染场地治理过程中发挥积极有效的作用。在制度控制框架设计上,美国首先在上位法层面明确了制度控制是一种非工程的行政手段用于场地治理,并规定了相关方的职责,再通过制定技术导则逐步建立了制度控制实施机制。我国首先在技术导则中提出了制度控制,相关法律法规中未明确地提出“制度控制”一词,管理层面对制度控制监管方职责尚未清晰明确的地位。我国污染场地制度控制体系应着重从技术和管理2个层面进一步加强和完善,技术上对不同类型污染场地编制科学有效的制度控制技术文件,包括制度控制方案、制度控制实施、报告和定期评估、终止与修订;管理上完善我国上位法对制度控制的定位,明确制度控制监管方职责,建立完善的监管体系。

  • 图 1  原水、石英砂和磁种的粒径分布

    Figure 1.  Particle size distribution of the wastewater silica sand and magnetic seeds

    图 2  混凝过程在线粒径测试装置

    Figure 2.  Setup for online floc size measurement during coagulation process

    图 3  不同介质加载混凝对不同形态磷去除效果的影响

    Figure 3.  Effect of mediums addition on the removal efficiencies of phosphorus with different forms

    图 4  不同介质加载混凝对SCOD和TOC的影响

    Figure 4.  Effect of mediums addition on the removal efficiencies of SCOD and TOC

    图 5  不同介质加载混凝水样UV-vis图谱

    Figure 5.  Effect of mediums addition on the UV-vis spectra of coagulated water

    图 6  不同介质加载对混凝水样三维荧光图的影响

    Figure 6.  Effect of mediums addition on the 3DEEM spectra of coagulated water

    图 7  不同介质加载混凝水样分子质量的分布的影响

    Figure 7.  Effect of mediums addition on the molecular weight distribution of coagulated water

    图 8  介质加载混凝过程粒径随时间的变化

    Figure 8.  Change of particle size of flocs with time during medium-loaded coagulation

    图 9  不同介质投加对絮体形貌的影响

    Figure 9.  Effect of mediums addition on the morphology of flocs during coagulation

    表 1  不同介质加载混凝水样的UV-vis吸光度指数

    Table 1.  Effect of mediums addition on the UV-vis spectra index of coagulated water

    实验组UV254UV260UV280E254/E365E300/E400E280/E472A226~400A275~295A350~400
    原水0.2610.2450.2091.8131.4002.5834.7764.1446.692
    A0.1280.1250.1072.6672.0004.40914.0731.8811.839
    B0.1250.1230.1022.7502.3934.38113.4531.8021.796
    C0.1370.1290.1033.1862.3554.47814.9251.9841.91
    D0.1280.1270.1002.9132.2504.76214.6481.9391.913
    E0.1230.1250.0992.9772.1824.95014.4611.9281.899
    F0.1170.1220.0962.8222.1215.33314.0721.8731.839
    G0.1260.1200.0952.7612.3455.27813.8471.8381.822
    H0.1320.1260.1003.0002.2505.55614.5341.9361.899
    实验组UV254UV260UV280E254/E365E300/E400E280/E472A226~400A275~295A350~400
    原水0.2610.2450.2091.8131.4002.5834.7764.1446.692
    A0.1280.1250.1072.6672.0004.40914.0731.8811.839
    B0.1250.1230.1022.7502.3934.38113.4531.8021.796
    C0.1370.1290.1033.1862.3554.47814.9251.9841.91
    D0.1280.1270.1002.9132.2504.76214.6481.9391.913
    E0.1230.1250.0992.9772.1824.95014.4611.9281.899
    F0.1170.1220.0962.8222.1215.33314.0721.8731.839
    G0.1260.1200.0952.7612.3455.27813.8471.8381.822
    H0.1320.1260.1003.0002.2505.55614.5341.9361.899
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    表 2  不同介质加载混凝水样荧光指数的影响

    Table 2.  Effect of mediums addition on the fluorescence index of coagulated water

    指标fhbⅠ区Ⅱ区Ⅲ区Ⅳ区Ⅴ区
    原水2.3680.6211.1110.3730.2140.2170.1410.055
    A2.2150.6491.1390.3820.2220.2050.1390.053
    B2.3470.6471.1870.3770.2260.2010.1420.054
    C2.1460.6221.0640.3810.2210.2030.1430.052
    D2.2760.6321.080.3890.2180.1990.140.054
    E2.1740.6391.0160.3830.2210.2030.1410.053
    F2.2510.6381.0980.3850.2180.1990.140.058
    G2.2240.6391.1070.4070.2170.1880.1380.05
    H2.3890.6451.1240.3780.2240.2050.140.053
    指标fhbⅠ区Ⅱ区Ⅲ区Ⅳ区Ⅴ区
    原水2.3680.6211.1110.3730.2140.2170.1410.055
    A2.2150.6491.1390.3820.2220.2050.1390.053
    B2.3470.6471.1870.3770.2260.2010.1420.054
    C2.1460.6221.0640.3810.2210.2030.1430.052
    D2.2760.6321.080.3890.2180.1990.140.054
    E2.1740.6391.0160.3830.2210.2030.1410.053
    F2.2510.6381.0980.3850.2180.1990.140.058
    G2.2240.6391.1070.4070.2170.1880.1380.05
    H2.3890.6451.1240.3780.2240.2050.140.053
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-23
  • 录用日期:  2020-03-01
  • 刊出日期:  2020-12-10
郑利兵, 吴振军, 张鹤清, 黄光华, 焦赟仪, 张春, 魏源送. 介质加载混凝过程中磷和溶解性有机物的去除特征及混凝机理[J]. 环境工程学报, 2020, 14(12): 3352-3362. doi: 10.12030/j.cjee.201912134
引用本文: 郑利兵, 吴振军, 张鹤清, 黄光华, 焦赟仪, 张春, 魏源送. 介质加载混凝过程中磷和溶解性有机物的去除特征及混凝机理[J]. 环境工程学报, 2020, 14(12): 3352-3362. doi: 10.12030/j.cjee.201912134
ZHENG Libing, WU Zhenjun, ZHANG Heqing, HUANG Guanghua, JIAO Yunyi, ZHANG Chun, WEI Yuansong. Insight into the medium-loaded coagulation and the removal feature of phosphorus and DOM[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(12): 3352-3362. doi: 10.12030/j.cjee.201912134
Citation: ZHENG Libing, WU Zhenjun, ZHANG Heqing, HUANG Guanghua, JIAO Yunyi, ZHANG Chun, WEI Yuansong. Insight into the medium-loaded coagulation and the removal feature of phosphorus and DOM[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2020, 14(12): 3352-3362. doi: 10.12030/j.cjee.201912134

介质加载混凝过程中磷和溶解性有机物的去除特征及混凝机理

    通讯作者: 魏源送(1969—),男,博士,研究员。研究方向:污水处理与回用等。E-mail:yswei@rcees.ac.cn
    作者简介: 郑利兵(1989—),男,博士,助理研究员。研究方向:污水处理与回用等。E-mail:lbzheng@rcees.ac.cn
  • 1. 中国科学院生态环境研究中心,水污染控制实验室,北京 100085
  • 2. 中国科学院生态环境研究中心,环境模拟与污染控制国家重点联合实验室,北京 100085
  • 3. 环能科技股份有限公司,成都 610045
基金项目:
国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07102-002);国家自然科学基金青年基金资助项目(51908539)

摘要: 为考察介质加载混凝过程中污染物去除特征与探讨混凝机理,考察了不同形态的磷和溶解性有机物(DOM)的变化,并结合混凝絮体粒径与形貌,分析了介质加载的混凝机理。结果表明:溶解性污染物主要去除机制为聚合氯化铝(PAC)水解产物的吸附和螯合作用,高芳香性、腐殖化和分子质量为4 000~50 000 Da的DOM去除率较高;石英砂可强化去除悬浮态磷及腐殖酸类DOM;磁种可强化有机磷、PO34-P和DOM的去除效果;回收磁种的微絮体结构使其对磷与大分子DOM具有更好的去除效果。介质加载混凝过程的关键作用在于形成密实性絮体,从而增强了絮体的强度和沉降性能,实现了污泥减量。研究结果可为介质加载混凝在水处理中的推广应用提供参考。

English Abstract

  • 城市黑臭水体是指散发出刺鼻和恶心气味、呈黑色或灰黑色、生态功能丧失的水体,随着我国城市化的快速发展,其已成为一种普遍的城市病[1-2]。黑臭水体不仅会造成人体感官上的影响,对水体、河流底泥和周围空气均造成污染,同时影响生物健康[3]。因此,城市黑臭水体的治理成为城市生态环境质量改善和生态环境保护修复的重要工作。近年来,国家和各级政府对城市黑臭水体治理极其重视,黑臭水体治理已成为长江保护修复攻坚战行动计划中的一项关键工作,要求各城市逐步消除黑臭水体。因此,黑臭水体已成为城市政府和环保部门的重要工作,也是保障民生和实现城市环境质量改善的关键。

    目前,针对黑臭水体的治理主要包括物理法(曝气充氧技术、引水稀释法、底泥疏浚法等)、化学法(混凝法、石灰法等)、生物法(活性污泥法、生物膜法、氧化塘法及水生植物净化技术等)[4-5]。物理法存在工作量大、成效慢等问题;化学法存在成本高、易反弹等缺陷;而生物法也存在成效慢、易受环境条件影响等问题。废水离线处理成为一种广受关注的黑臭河治理手段,其中介质加载混凝由于具有快速高效的处理能力,且易实现小型化及可移动化的装置构建,在黑臭水体的治理中已得到一定的应用。介质加载混凝是指在常规混凝过程中投加重质颗粒物,以实现沉淀时间和沉淀池容积的降低并提升混凝效率的一种混凝升级工艺,其已被广泛应用于水处理中[6-7]。但目前针对黑臭水体的介质加载混凝过程的污染物去除特征及其机理尚未得到关注,限制了其推广和应用。

    本研究开展了石英砂和磁种2种介质加载混凝实验,研究了混凝过程中污染物特别是不同形态的磷和溶解性有机物(dissolved organic matter, DOM)的去除特征,考察了絮体粒径、形貌、沉降性能与强度,分析了介质加载混凝机理,以期为介质加载混凝在水处理中的应用提供参考。

  • 原水取自北京市某黑臭河道,常规水质如下:pH为6.88±0.24,浊度为(31.2±5.3) NTU,电导为(1 620±138) μS·cm−1,总氮为(55.8±3.2) mg·L−1,氨氮为(43.2±2.6) mg·L−1,耗氧有机污染物的浓度(以COD计)为(109±15) mg·L−1,总磷为(2.12±0.36) mg·L−1,磷酸盐为(0.53±0.08) mg·L−1。原水中悬浮物粒径分布较宽,主要在50 μm和300 μm出现分布峰(图1)。

    介质加载混凝实验采用六联搅拌器(MY3000-6F,武汉梅宇)进行,以聚合氯化铝(PAC,Al2O3含量≥10%;盐基度≥60%,万水净水器有限公司,中国)为混凝剂,以聚丙烯酰胺(PAM,化学纯,阴离子型,分子质量为3 000 000 Da)为助凝剂,采用石英砂(200目)、磁种 (100、200、325目、纳米级)及325目磁种的混凝过程回收磁种(实际磁混凝工程的回收磁种,采用磁鼓回收,回收率大99%)作为加载介质(粒径分布见图1)。仅投加PAC、PAC+PAM、PAC+PAM+200目石英砂、PAC+PAM+100目磁种、PAC+PAM+200目磁种、PAC+PAM+325目磁种、PAC+PAM+回收磁种、PAC+PAM+纳米磁种的实验组分别标记为A~H。

    在混凝过程中,搅拌参数通过预实验确定:先将400 mL的废水倒入500 mL的混凝杯中,加入1.5 g·L−1的介质,以250 r·min−1搅拌60 s;随后加入80 mg·L−1的混凝剂PAC,在250 r·min−1下搅拌60 s,其后加入1.5 mg·L−1的PAM,在250 r·min−1下搅拌20 s,然后在80 r·min−1下搅拌300 s。沉降2 min后,取上清液,沉降5 min倾倒上清液,获得絮体样品。

  • 1)常规指标的分析。pH和电导采用便携式电极法现场测定,浊度采用哈希2100AN 型台式浊度仪测定,SCOD采用哈希预制管消解及DR2800分光光度计(HACH, USA)测定,总有机碳(TOC)由TOC-VCPH分析仪(Shimadzu, Japan)测定。

    2)不同形态磷的分析。本研究重点关注不同形态的磷在介质加载混凝过程中的去除特征,分析其去除机制,包括总磷(TP)、正磷(PO34-P)、溶解性总磷(DTP)、悬浮态总磷(STP)和有机态磷(OTP)。DTP与STP采用0.45 μm滤膜进行分离,OTP为DTP与PO34-P的差值。TP和DTP采用过硫酸钾消解-钼酸盐分光光度法 (紫外可见分光光度计,Thermo Evolution 300, 美国赛默飞) 测定,PO34-P采用钼酸盐分光光度法测定。

    3)溶解性有机物的分析。通过紫外可见分光光谱(UV-vis)、三维荧光光谱(3DEEM)和分子质量分布来表征DOM。UV-vis采用紫外可见分光光度计(Thermo Evolution 300, 美国赛默飞)测试,同时测得UV254、UV260、UV280指标,并计算E254/E365E300/E400E280/E472A226~400A275~295A350~400[8-10]。DOM的分子质量分布采用高效液相色谱-凝胶色谱(HPLC-GPC) (Breeze 1525, 美国沃特世)分析。3D-EEM采用三维荧光光谱仪(F-7000, 日本日立)测定,同时计算荧光指数(f)用于表征腐殖质类物质的来源;生物指数(b)用于表征水中土著微生物的生物活性及DOM的新鲜度;腐殖化指数(h)用于表征DOM的腐熟程度[11-12]。计算方法见式(1)~式(3)。

    式中:I(450 nm, 370 nm)为发射光波长450 nm和激发光波长370 nm条件下测得的荧光强度;I(500 nm, 370 nm)为发射光波长500 nm和激发光波长370 nm条件下测得的荧光强度;I(380 nm, 310 nm)为发射光波长为380 nm和激发光波长310 nm条件下测得的荧光强度;ΣI(435~480 nm, 255 nm)、ΣI(300~345 nm, 255 nm)为激发光波长255 nm,发射光波长分别为435~480 nm和300~345 nm条件下测得的荧光强度的和;(I(420~435 nm, 310 nm))max为发射光波长在420~435 nm,激发光波长为310 nm条件下测得的最大荧光强度。

    同时,采用区域面积积分法(FRI)计算三维荧光光谱中5大分区(酪氨酸类、色氨酸类、UVA腐殖质类、UVC腐殖质类、微生物代谢产物类有机物)的有机物占比[13],对DOM的组成进行表征。

  • 为分析混凝过程中粒径的变化,利用激光粒度仪(Mastersizer 2000,英国马尔文)搭建在线粒度分析装置进行在线分析[14-15],包括便携式混凝实验搅拌器(MY3000-2N,武汉梅宇)、蠕动泵、激光粒度仪,利用蠕动泵实时将形成的絮体泵入激光粒度仪进行分析,测试装置如图2所示。

    在线粒度分析过程如下:混凝过程和前面混凝实验相同,为了研究絮体强度及稳定性,沉淀5 min后,进入400 r·min−1破碎快搅阶段(400 r·min−1,60 s),随后开始200 r·min−1破碎阶段(200 r·min−1,60 s),最后进行二次沉淀。在整个过程中,将混凝体系的溶液实时泵入激光粒度仪进行粒径分析。

  • 絮体采用冷冻干燥,形貌采用FESEM(HITACHI SU8020, 日本日立)进行观测。为提高样品导电性,观察前对样品进行喷金(HITACHI E-1010 Ion Sputtering device, 日本日立)。

  • 图3为不同介质投加对不同形态磷的去除效果。由图3可以看出,混凝过程对磷有较好的去除效果,TP去除率为72%左右。投加PAM后,对PO34-P的去除率基本无影响,而对有机磷的去除率有显著下降,因此DTP去除率略下降,而STP去除率提高。这表明PO34-P的去除主要是通过无机混凝剂的絮凝作用,而投加PAM后,瞬时形成的大絮体包覆限制了PAC水解产物对有机磷的吸附。由此可以推断,PO34-P的去除是瞬时过程,在投加PAC后的混凝阶段即可完成。而有机磷的吸附过程较慢,需要在絮凝及慢搅过程进一步实现。投加石英砂与磁种后,TP的去除率提高,对TP去除率的影响顺序为100目磁种>石英砂>回收磁种>325目磁种>200目磁种>纳米磁种。石英砂的投加显著提高DTP去除率,去除率达92.76%;但对有机磷和PO34-P去除效果较差,导致STP的去除率较低。100目磁种对 STP的去除效率最高,OTP去除效果较差。325目磁种对OTP的去除效果最好,主要是由于其本身的吸附作用[14]。因此,其回收磁种也具有最高的OTP去除率。但回收磁种对各种形态磷的去除率均高于原磁种,主要原因是磁种回收过程中表面仍存在一定的微絮体结构,无机絮体对磷有一定的吸附作用。纳米磁种对磷去除的增强效果最差,相比传统混凝过程,主要增加了OTP的去除。

    整体而言,投加石英砂主要强化悬浮态磷的去除效果,对溶解态磷的影响较小。投加磁种主要增强有机磷和PO34-P的吸附,因此,对DTP的去除效果有明显的增强[16]。磁种对磷的强化作用与磁种粒径无相关性,其可能原因是由于不同批次磁种本身性质差异,因此,磁种吸附能力不随粒径减少而加强。同时,回收磁种因为具有一定的微絮体结构,具有更强的磷强化去除效果。目前,磁混凝工艺可以实现99%以上的磁种回收率,因此,可以认为磁混凝是一种有效的磷去除及污水厂升级改造工艺。

  • DOM是水中的关键污染物,利用混凝技术实现DOM的去除的研究已得到了广泛的报道,但不同介质加载对DOM去除的影响及混凝过程中DOM的深度分析还需要进一步开展。本研究采用UV-vis、3D-EEM和HPSEC方法,分析混凝过程中DOM的去除特征,并比较不同投加介质的主要影响特征。

    1) DOM整体去除特征。如图4所示,混凝对SCOD和TOC具有一定的去除效果,SCOD和TOC去除率为5%~23%和23%~33%。在投加石英砂后,SCOD和TOC的去除率有所升高,分别为13.93%和23.23%。磁种对SCOD和TOC的去除能力随磁种粒径的降低而升高,这表明DOM去除主要机制为磁种的吸附作用,且粒径越小其吸附比表面积越大。回收磁种对DOM的去除率低于原磁种,原因可能为磁种表面的微絮体的包裹影响了其对有机物的吸附。整体而言,2种加载介质石英砂与磁种对DOM的去除均有一定的强化。

    2) 紫外可见光谱。黑臭水体的DOM显著高于其他水体[17],因此,混凝对DOM的去除具有重要意义。本研究采用UV-vis方法,表征DOM的组成及其在混凝过程中的变化,结果如图5所示。相对原水,混凝显著降低了DOM的浓度,在210 nm之后的波段内,吸光度显著降低,这表明混凝对大分子的芳香族类化合物去除效果较好。但投加PAC与PAC+PAM的UV-vis图谱基本重合,且不同加载介质对图谱影响较小。这表明DOM主要去除机制是PAC的作用,主要原因是由于其水解产物对DOM的吸附和螯合作用所致[18]

    进一步分析吸光度指数,发现石英砂组的UV254吸光度最高,这表明石英砂对DOM去除效果较差;磁种可促进DOM的去除,且随着磁种粒径的降低,DOM的去除率上升,投加325目磁种后出水的吸光度最低,其结果与SCOD和TOC相一致;回收磁种的UV-vis图谱与原磁种基本一致,但吸光度相对略高,可能是微絮体影响了DOM的吸附;但投加纳米磁种组中DOM的浓度略高于投加其他磁种组,与SCOD和TOC的结果相反,可能原因是,纳米磁种对在254 nm波段无吸收的DOM有特异性吸附,而对在254 nm波段有吸收特征的DOM的吸附能力相对较差。

    表1所示,混凝后UV254、UV260、UV280A226~400A275~295A350~400显著降低,而E254/E365E300/E400E280/E472显著升高,即混凝过程对芳香类、共轭双键、疏水性有机物都具有明显的去除。混凝出水中DOM中小分子有机物比例增加,腐殖酸比例下降,芳香族取代基中脂肪链的比例升高;而羰基、羧基和羟基的比例减少,DOM芳构化程度、分子质量及聚合度下降。投加石英砂后,UV254、UV260、UV280指数略有升高,对DOM的去率除略有降低,但E254/E365E300/E400显著升高,这表明石英砂显著促进了腐殖酸的去除。相应地,A226~400A275~295指数相比磁种加载组显著更高,表明其对DOM的去除略差。随磁种粒径的降低,UV254、UV260、UV280E254/E365E300/E400A226~400A275~295A350~400指数逐渐下降,而E280/E472指数逐渐升高,表明DOM的去除率升高,废水中有机物腐殖化程度、分子质量、芳香性与聚合度均有所下降。同时,吸光度指数分析进一步表明,回收磁种对DOM的去除率略低于原磁种,主要原因是其表面微絮体的形成所致。

    整体而言,不同介质加载的混凝对紫外-可见光图谱影响较小,PAC是DOM去除的关键,即DOM主要的去除机理为无机混凝剂的吸附和螯合作用[19-20]

    3)三维荧光光谱。采用3D-EEM分析了2种加载介质混凝对污水中主要的5类DOM去除特征的影响。如图6所示,原水中DOM主要为类酪氨酸蛋白、类色氨酸蛋白、UVA腐殖质类、UVC腐殖质类及部分微生物代谢产物[9, 11]。不同介质加载的混凝后DOM的组成基本相同,且与原水保持一致,但产水中各个区域特别是SMP和UVA腐殖质类物质浓度显著降低,与紫外可见光谱的结果相一致.这表明混凝过程同步去除不同类型的DOM,且SMP和UVA腐殖质类中的大分子DOM去除率较高[18, 21]。整体而言,仅投加PAC组与其他组的3D-EEM谱图基本一致,这进一步证实了DOM的去除主要是依靠无机混凝剂的作用。

    表2所示,混凝后水样的f都高于1.9,且b指数都高于1,表明废水及混凝后的水样中的DOM主要为内源性DOM,微生物活性较强;同时,h指数为0.6左右,表明DOM芳香性较高。分析DOM的占比发现,蛋白质类物质和腐殖质类是废水中主要DOM。混凝后,酪氨酸类和色氨酸类蛋白质比例略增加,腐殖质类占比降低,SMP类和UVC腐殖质类比例变化不显著[12],即混凝过程对腐殖质类物质去除较高[19, 21]。介质投加后,f指数升高,hb指数下降,即加载介质后内源性的DOM占比升高,芳香性DOM占比下降。同时,从DOM组成可以发现,III区占比下降,IV区占比上升,即介质加载可略提升腐殖质类有机物的去除。对比回收磁种与原磁种的结果可发现,f指数有所降低,类酪氨酸蛋白占比下降,腐殖质类有机物占比升高,即回收磁种对腐殖质类有机物去除效果低于原磁种。

    4)分子质量的分布。不同介质加载混凝处理后DOM的分子质量分布如图7所示,混凝过后高分子DOM(4 000~50 000 Da)的浓度显著下降。石英砂投加对出水DOM的分子质量分布基本无影响。相比传统混凝出水,在各波长条件下吸光度略高,这说明砂混凝对DOM去除率略低。投加磁种后,出水在20 000~3 000 Da出现一个新的吸收峰,且磁种粒径越小,峰强越高,这可能是磁种本身的杂质所致。但磁种投加后,对5 000 Da的DOM去除效果增强,且随粒径减少,去除率提高,主要原因是磁种的吸附作用。投加回收磁种后,未出现20 000~3 000 Da的吸收峰,且对大分子DOM的去除率高于原磁种,主要原因是微絮体的螯合作用。

  • 为进一步表征加载的介质对混凝过程的影响,考察了混凝过程中絮体粒径的变化。如图1所示,325目磁种与回收磁种粒径及其分布基本相同,但大粒径的颗粒占比增加,即平均粒径增加。这表明磁种回收后部分絮体仍未完全分离,证实了回收磁种表面微絮体的存在。不同磁种的粒径分布均存在2个明显的粒径峰,表明磁种存在颗粒团聚现象。在混凝过程中絮体的粒径变化见图8,结果表明,在投加PAM后,絮体粒径显著增加,因此,悬浮物的去除率有所增加。但其形成的絮体强度较低,在破碎阶段易破碎,故二次沉淀性能差,导致二次沉淀后污泥量显著高于单独投加PAC组。介质加载后,絮体粒径都低于传统混凝过程,即介质加载混凝可以促进形成高密实度的絮体。也有研究[14, 22]发现,磁种间的磁性力也可促进絮体的压实,因此,介质加载混凝过程可以实现污泥减量。砂加载后混凝过程絮体粒径低于磁种加载组,其在破碎后粒径为混凝过程的一半,即存在絮体破碎,但二次沉降性能远优于传统混凝过程。磁种加载混凝过程的粒径显著高于砂加载混凝,且其絮体沉降性能、强度及再混稳定性也优于砂加载混凝,表明磁加载对于固液分离速率的促进作用高于砂加载,磁种的微磁场作用可能是主要原因[23]。100目磁种投加后形成的絮体强度较低,破碎阶段后粒径为絮凝阶段的1/3,主要原因是其粒径较大,与外层絮体的结合不密实,因此更易破碎。200目和325目磁种形成的磁絮体强度及沉降性能较好,325目磁种形成的絮体粒径略低。回收磁种加载形成的絮体粒径略高于原磁种,沉降性能与强度也较高,主要原因是回收磁种中有一定的微絮体,与絮体具有更高的亲和力。

  • 图9不同混凝组SEM的表征结果。由图9可知,投加PAC后形成的絮体较小,而投加PAM后形成的絮体粒径显著增加,在其表面可以看到小颗粒的堆积结构,因此,其在破碎过程中易分离,但强度较低。投加不同介质后,其均可作为絮体核心促进絮体生长[18]。磁种加载后形成的絮体颗粒间贴合度更高,磁种和絮体的亲和力更强,因此,其具有更高的强度,微磁场作用也是其形成密实絮体的一个主要原因[22-23]。同时,磁种粒径越低,越有利于其与絮体的结合,与絮体粒径变化的结果一致。但纳米磁种形成的絮体均质性较差,主要是由于纳米材料易发生团聚造成的。回收磁种投加后完全被絮体包围,因此,形成的絮体均质性较好,其可能原因是,由于回收磁种本身带有微絮体,与絮体有更好的亲和力,因此,其混凝效果最佳。

  • 1)混凝过程总磷去除率为72%左右,PO34-P的主要去除机制是PAC的作用,其吸附是一个瞬时过程。混凝对DOM去除主要机制为PAC水解产物的吸附和螯合作用,高芳香性、腐殖化、分子质量(4 000~50 000 Da)的DOM更易去除。

    2) 石英砂具有最好的强化磷去除效果,主要是强化悬浮态磷的去除,同时对腐殖酸类物质的去除也有一定的强化作用。磁种主要增强有机磷和PO34-P的吸附,对DTP的去除效果有明显强化作用,且可促进DOM特别是5 000 Da左右的DOM的去除。

    3)介质加载混凝的关键作用在于形成密实性絮体,增强絮体的强度和沉降性能,实现污泥减量。

    4)回收磁种表面具有一定的微絮体结构,其对磷及大分子DOM去除效果高于原磁种。因此,本研究认为,介质加载将成为未来常规混凝升级的一种有效策略,基于目前的磁种回收能力及回收磁种的高效去除率,磁混凝将成为一种有效的磷去除及污水厂升级改造工艺。

参考文献 (23)

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