高效去除水中双酚A的土壤滤料复合处理系统及方法与流程

本发明属于水处理技术领域，特别涉及一种长期高效去除高水利负荷条件下水中内分泌干扰物双酚A的土壤滤料复合处理系统及方法。

背景技术：

双酚A(BispHenol A，C₂₀H₂₄O₂，BPA)，主要用于生产聚碳酸酯、环氧树脂等多种高分子材料及增塑剂、阻燃剂、涂料等精细化工产品，据悉全世界每年生产2700万吨含有PBA的塑料，是世界上使用最广泛的工业化合物之一，应用于食品塑料包装、医疗器械等日用品的制造过程。多项研究发现双酚A有模拟雌激素的效果，长期暴露于双酚A环境对健康有害，毒性阈值低，低剂量BPA也能导致内分泌失调新陈代谢紊乱，威胁人体健康。我国卫生部于2011年对外发布公告禁止BPA用于婴幼儿奶瓶。

现有污水处理工艺能有效去除城市污水中大多数无机污染物和部分有机污染物，对微量有毒有害污染物的去除效果不佳。内分泌干扰物多具有较高的水土分配系数，在包气带中会被生物降解或吸收，发生多种理化反应，实现对水体中微量有机污染物的去除。现有的土层处理系统研究中多以场地土壤直接回灌，由于土壤密实孔径小，富含微生物及有机质，利于形成生物膜，因而渗透速率随回灌时间明显有下降，甚至出现堵塞现象的主要原因。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高效去除水中双酚A的土壤滤料复合处理系统及方法，针对目标污染物，采用吸附能力、生物降解能力较强的人工滤料与天然土层相结合，构建复合土层处理系统，借助以滤料为主的介质与污染物之间的物理、化学、生物等作用达到水质净化的目的，在干湿交替回灌模式下，达到保持高水力负荷状态稳定高效处理污染物效果。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

高效去除水中双酚A的土壤滤料复合处理系统，包括有机玻璃柱体8，自下而上填充在机玻璃柱体8内的粗砂砾卵石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上方左右两侧面各设置一个溢流口7，溢流容腔4顶部为开有气孔及进水口5的有机玻璃盖，有机玻璃柱体8位于粗砂砾卵石3底端的侧面开有出水取样口6；所述人工混合土壤1由采自北京市高碑店污水处理厂再生水回灌示范场地地表2米至3米间的粉质粘土，与火山岩和中细砂按体积比为1:4:5的比例均匀混合物，采用分层填柱法紧实填充，主要功能为强化土壤天然微生物降解污染物双酚A即BPA，防止堵塞并保持高水力负荷状态运行；所述沸石2主要功能为物理吸附去除污染物双酚A即BPA；所述粗砂砾卵石3主要功能为承托土壤填料并出水过滤。

所述人工混合土壤1中填充粉质粘土的理化性质为：

pH值 8.2；

阳离子交换量 17.7cmol·kg-1；

底泥CEC 12.28cmol·kg-1；

有机质质量含量 0.052％；

粒径分布 2-0.05mm体积占比90.16％，0.05-0.002mm体积占比3.64％，<0.002mm体积占比6.20％；

土壤质地 砂土及壤砂土；

所述沸石2的表面结构特征如下：

比表面积 0.4199m2g-1

微孔内比表面积 0.1765m2g-1

总孔体积 0.0011mL g-1

微孔体积 0.0001mL g-1

平均孔径 4.4383nm。

所述有机玻璃柱体8，外径10cm，内径9cm，总高度55cm；所述粗砂砾卵石3的高度为5cm；所述沸石2的高度为25cm；所述人工混合土壤1的高度为15cm。

所述溢流容腔4的高度为7cm，溢流口7距离有机玻璃柱体8顶端进水口2cm。

所述粗砂砾卵石3和沸石2间铺设一层玻璃棉。

所述有机玻璃柱体8外围整体包裹锡箔纸。

所述有机玻璃盖上钻有13个直径为8mm的气孔；所述出水取样口6的内径为1cm。

所述高效去除水中双酚A的土壤滤料复合处理系统的处理方法，依靠蠕动泵动力，使待处理水恒速自上而下进入有机玻璃柱体8，依次通过人工混合土壤1、沸石2和粗砂砾卵石3。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)土壤滤料复合处理系统对高浓度30μgL^-1BPA去离子配水进行处理，目标污染物去除率在93％以上。

2)所构建土层平均渗透系数为0.57cm/s，属于高渗透性，蠕动泵以5025μL/min的流速使待处理水以的速度自上而下依次通过人工混合土壤(1)、沸石(2)和粗砂砾卵石，以2d为一个周期，按照湿干比为1:1，淹灌与落干交替进行回灌24d，水流畅通，期间未发生溢流堵塞现象。

3)土层处理系统外部增加锡箔纸，模拟实际土壤条件。

本发明针对目标污染物BPA的去除构建土壤滤料复合处理系统，采用吸附能力、生物降解能力较强的人工滤料与天然土层相结合，构建复合土层处理系统，对高浓度污染物具有去除率良好的去除效果，保持连续稳定运行高效处理效果。此外，系统还具有运行成本低廉无化学污染等优点。

附图说明

图1为本发明的土壤滤料复合处理系统示意图。

图2为实施例2中连续24d运行高浓度配水中BPA去除情况。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

水中BPA进入土层处理系统，主要通过土层中微生物降解及滤料的吸附作用得到去除。人工混合土壤1厚度为15cm，以强化场地微生物降解作用为主，主要填充实际污水处理场地的自然壤土与填料介质混合得到的透气性土壤。沸石2为进一步吸附去除污染物及上层渗滤液中的其他污染物，厚度为25cm，选择吸附容量较大利水且常用于植物种植的沸石。粗砂砾卵石3的功能为支撑上部的填充介质，厚度为5cm，填充介质为粗砂砾卵石。

为了模拟实际土壤环境，在有机玻璃柱体8外围整体包裹锡箔纸，避免污染物光降解。

土壤滤料复合处理系统运行前运行调试15天，使用0.01mol/l CaCl₂去离子水溶液，流速5025μL/min，连续运行，淋洗出处理系统中杂质，稳定出水。

具体构建内容为：

土壤中微生物代谢产生的胞外聚合物堵塞土壤孔隙可能是造成土壤滤料复合处理系统堵塞的主要原因。土砂层介质复氧效率高，选取场地自然土壤加强生物降解作用；添加中细砂提高土壤通透性，强化微生物降解作用，火山岩呈多孔疏松状且对BPA有很好的吸附能力，一方面能增强吸附作用，另一方面与可提高土壤通透性，加强土砂层复氧，强化微生物降解作用。随着深度增加系统逐渐趋于厌氧条件，沸石2通过强化吸附作用强化截留效率，沸石具有较好的例子交换性以及耐酸耐热等性能，生产及实验研究中常用作吸附剂，且研究表明对EDCs类污染物的吸附去除能力等因素，因而在复合土层构建中优选沸石作为沸石2的填料。

本发明构建了土壤滤料复合处理系统。

如图1所示，土壤滤料复合处理系统由有机玻璃制成，包括：

有机玻璃柱体8，外径10cm，内径9cm，总高度55cm，其顶端配备钻有直径为8mm气孔及进水口5的有机玻璃盖，底端有内径1cm的出水取样口6；

自下而上，位于有机玻璃柱体8内的厚度5cm的粗砂砾卵石、厚度25cm的沸石2和厚度15cm的人工混合土壤1；

位于粗砂砾卵石底端的侧面开有1个出水取样口6；

位于人工混合土壤1上方的溢流容腔4，溢流容腔4上方左右两侧面各设置一个溢流口7，处理水在溢流容腔4中高度为7cm，溢流口7距离有机玻璃柱体8顶端进水口2cm；

位于粗砂砾卵石3和沸石2间铺设一层玻璃棉；

在有机玻璃柱体8外围整体包裹锡箔纸。

本发明构建的土壤滤料复合处理系统，具体构建内容为：

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处理厂再生水回灌示范场地2米至3米间的粉质粘土、火山岩、中细砂按V:V:V＝1:4:5的比例均匀混合添加；粉质粘土研磨后自然风干后，过1mm标准分样筛；中细砂自然风干后，过0.02mm-2mm标准分样筛。均匀混合后，分层压实填充。粉质粘土的渗透系数一般在1.2×10^-6～6.0×10^-5cm/s，为低渗透性；所构建土砂层的渗透系数为1.45cm/s，属于高渗透性。

用于混合填充的粉质粘土的理化性质如表1所示。

表1受试粉质粘土理化性质

所述沸石2厚度25cm，填料为沸石，直径6-10mm。强化填料对污染物的吸附去除作用，选择吸附容量较大且便宜易获得的沸石填料为主，沸石是以黏土、亚黏土等为主要原料，经高温烧制后形成具有一定孔隙度的无尖颗粒，对水流阻力小不易堵塞，布水布气均匀；具有轻质、吸水率低、强度高、抗冻耐腐蚀等特点，具有很强的吸附作用。该材料在植物栽培基质中常用。

用于填料层填充的沸石的表面结构特征如下表所示：

表2填料介质的表面结构特征

所述粗砂砾卵石3厚度5cm，填充介质为粗砂砾卵石，粒径为15-30mm。功能为支撑上部的填充介质，保持出水畅通。

位于粗砂砾卵石3和沸石2间铺设的一层玻璃棉，主要用于防止砂砾下沉，堵塞出水口；

位于有机玻璃柱体8顶端的有机玻璃盖，主要用于防止灰尘、杂物跌落，盖上含有直径为8mm的13个气孔，主要用于通气和进水；

在有机玻璃柱体8外围整体包裹的锡箔纸，主要用于避免污染物光降解影响，模拟实际土壤环境。

实施例分析

土层处理系统运行前运行，使用0.01mol/l CaCl2去离子水溶液，流速5025μL/min，连续运行调试15d后，回灌进水浓度30μg L-1的BPA去离子水溶液，以2d为一个周期，按照湿干比为1:1，淹灌与落干交替进行回灌24d。进水温度平均为25.41℃，pH平均为6.56；出水温度平均为25.8℃，pH平均为7.04。

系统对30μg L^-1BPA去离子水溶液的去除效果见图2。