（化工过程机械专业论文）活性污泥工艺降解壬基酚聚氧乙烯醚的实验研究.pdf

一 at h e s i si nc h e m i c a le n g i n e e r i n gm a c h i n e r y s t u d y o nd e g r a d a t i o no fn o n y l p h e n o l e t h o x y l a t e sb y a c t i v e ds l u d g ep r o c e s s b yj i n gc h u n m i n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rz h ut o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y 2 0 0 8 独创性l 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 二l 思0 学位论文作者签名：荫黍明 日期：加口g 午7r1 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 签字日期：山彻影年7 同i 目签字日期： i 两獬- = y导 口 、l一，j1l ，i 一、 焉磺 口 ：啤鹳 者作 口 敝战粒 4 ， ，、 毒 j 童 东北大学硕士学位论文 摘要 活性污泥工艺降解壬基酚聚氧乙烯醚的实验研究 摘要 壬基酚聚氧乙烯醚( n o n y l p h e n o le t h o x y l a t e s ，n p 。e o ，1 1 为聚合度) 由壬基酚和环 氧乙烷加合而成，其表面活性主要来自于壬基酚的疏水性和对位取代长链上乙氧基重复 单元的亲水性，是目前全球商用第二大类的非离子表面活性剂，因其具有性质稳定、耐 酸碱等特征。广泛应用于工业( 如纺织、塑料、造纸等) 、农业和日常生活( 家用洗化用 品) 。它进入水体环境后可经生物降解去除亲水的乙氧基部分，形成中间代谢产物壬基 酚。与母体化合物相比，壬基酚具有难降解特性及疏水性、脂溶性和生物累积性。对生 物体表现出雌激素活性，干扰体内正常激素的作用，属环境内分泌干扰物质( e n d o c r i n e d i s r u p t i n gc h e m i c a l s ，e d c s ) 。 本研究采用o 工艺，利用活性污泥法降解n p n e o ，实验过程中定期改变运行参 数，并在每次参数改变前检测各项水质指标，评价a o 工艺对壬基酚聚氧乙烯醚的处理 效果，优化运行工艺参数，达到实验运行工艺参数最优化的效果。实验过程中，在原水 中逐步增加n p n e o 浓度，随着活性污泥对n p n e o 的逐步适应，污泥性状逐步趋于稳定。 n p n e o 浓度的逐渐增大对各项水质指标也造成了影响，随着n p n e o 浓度的增大，c o d 、 t n 的去除率都有所下降，伴随着n p r t e o 浓度逐步稳定之后，各项水质指标也逐渐稳定。 a o - 1 - 艺中的活性污泥经过短期驯化既可对n p n e o 有良好的降解效果，但是n p n e o 浓 度的大幅度变化会导致去除率的明显下降。实验表明，利用o 工艺处理n p n e o ， n p n e o 会发生最终生物降解，苯环结构被破坏，并在活性污泥吸附的共同作用下，对 其降解产物也具有有良好的处理效果。 本研究还利用了正相高效液相色谱法分离检测处理水中壬基酚聚氧乙烯醚及其生 物降解产物，分析微生物对n p n e o 降解效果。建立了一种以正相高效液相色谱等强度 洗脱分离检测壬基酚和短链壬基酚聚氧乙烯醚的新方法。 本研究的实验指标是n p n e o 的降解率，根据初始分析，利用活性污泥法降解 n p n e o ，影响其降解率的主要运行参数是温度、溶解氧、水力停留时间、污泥龄。每个 因素分别取5 个水平做实验，建立正交表，利用正交实验优化系统关键运行参数。 关键词：壬基酚聚氧乙烯醚；o 工艺；工艺参数优化；高效液相色谱法；正交实验设 计 - i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t s t u d yo nd e g r a d a t i o no fn o n y l p h e n o le t h o x y l a t e sb ya c t i v e d s l u d g ep r o c e s s a bs t r a c t n o n y l p h e n o le t h o x y l a t e sa r ea c c o m p l i s h e db yn o n y lp h e n o la n de t h y l e n e o x i d e s u r f a c ea c t i v i t ym a i n l yc o m e sf r o mt h es p a r s ea b i l i t yi ns w i m m i n gi nn o n y l p h e n o la n d h y d r o p h i l yo fa nr e p e a t i n ge l e m e n ti n s e c o n do x y g e nb a s eo nc o n t r a p u n t a lg oa h e a d r e p l a c i n gl o n g - c h a i n b e c a u s ei th a ss o m es t a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sa c i dp r o o fa l k a l i ， a p p l i e dt oi n d u s t r yb r o a d l ys u c ha ss p i n n i n ga n dw e a v i n g , s p i n n i n ga n dw e a v i n g ，m a k i n g p l a s t i ca n dp a p e r , a n da g r i c u l t u r ea n dd a i l yl i f es u c ha sc l e a r i n gm e l ta r t i c l e su s i n gf a m i l y a f t e re n t e r i n gt h ew a v ee n v i r o n m e n t ，i tm a yd i s l o d g es e c o n do x y g e nb a s ep a r tl o v i n gw a t e r a f t e r l i v i n gt h i n g sd e g r a d a t i o n ，a n df o r m c e n t r es u p e r s e s s i o no u t c o m e c o m p a r e dw i t h m o t h e r s b o d yc o m p o u n d ，n o n y l p h e n o lh a v ep r o p e r t y c h a r a c t e r i s t i c ss u c ha sd i f f i c u l t d e g r a d a t i o n ，t h es p a r s ea b i l i t yi ns w i m m i n g ，t h eg r e a s ed i s s o l v e sn a t u r ea n db i o a c c u m u l a t i o n i ts h o w se s t r o g e na c t i v i t yt ot h el i v i n g t h i n g sb o d y , t h eg r e a s ed i s s o l v e sn a t u r e ，w a so f e n d o c r i n ed i s r u p t i n gc h e m i c a l s ，e d c s i nt h ee x p e r i m e n t ，a op r o c e s si sc o n s i d e r e d i tw o r k su n d e ro p t i m a lc o n d i t i o n s a n d m i c r o b i o l o g i c a ld e g r a d a t i o no fn p n e ob ya op r o c e s si s e v a l u a t e d h lt h es a m et i m e ， n p n e o d e g r a d a t i o nf l o r ai sc u l t u r e da n da n a l y s e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e s t a t eo fa c t i v a t e ds l u d g ew i l lb ea f f e c t e dw i t hi n c r e a s eo fn p n e oi nr a ww a t e lb u tw i t ht h e a d a p t i o no fa c t i v a t e ds l u d g e ，t h es t a t ew i l lg r a d u a l l yb ei m p r o v e da n d i n d i c a t o r so ft h es t a t eo f a c t i v a t e ds l u d g ew i l lb em o r es t a b l e w h e nt h ed e n s i t yo fn p n e ob e c o m e sh i g h e r v a r i o u s i n d i c a t o r so fw a t e rq u a l i t yw i l la l s ob ei m p a c t e d r e m o v a lr a t eo fc o da n dt nw i l ld r o p w i t ht h ec o n c e n t r a t i o no fn p n e ob e i n gs t a b l e ，r e m o v a lr a t eo fc o dw i l lr e b o u n da n d r e m o v a lr a t eo ft nw i l la l s ob es t a b l e r e m o v a lo fn p n e o b ya op r o c e s si so b v i o u sa f t e ra s h o r t t e r ma c c l i m a t i o n b u tc h a n g eo fc o n c e n t r a t i o no fn p n e ow i l ll e a dt os u b s t a n t i a lc h a n g e o fr e m o v a lr a t e d u r i n gt h ec o u r s e ，u l t i m a t em i c r o - b i o l o g i c a ld e g r a d a t i o no fn p n e ow i l l h a p p e na n dt h es t r u c t u r eo fb e n z e n er i n gw i l lb ed e s t r o y e d b o t hu l t i m a t em i c r o b i o l o g i c a l d e g r a d a t i o na n da d s o r p t i o no fa c t i v a t e ds l u d g el e a dt os a t i s f y i n gr e m o v a lr a t e i nt h i ss t u d y , m o d e r nm o l e c u l a rb i o l o g yt e c h n i q u e sa r eu s e ds u c ha sp c ra n dd g g et o a n a l y s i s s t r u c t u r a l c h a n g e so f m i c r o b i a lf l o r ai nt h e p r o c e s s i t i sf o u n dt h a tw i t h c o n c e n t r a t i o nc h a n g e so fn p n e oi nr a ww a t e rs t r u c t u r eo fm i c r o b i a lf l o r aw i l lc h a n g et o o i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h en u m b e ro fb a n d si nd g g ew i l ld e c r e a s e d i c ec o e f f i c i e n to fb o t ho ft h et w op o o l sw i l l b es m a l l e r h o w e v e r , w i t ht h es t a b i l i t yo fc o n c e n t r a t i o no fn p n e o ，d i c ec o e f f i c i e n to ft h et w o p o o l sw i l li n c r e a s e t h es t r u c t u r eo fm i c r o b i a lf l o r aw i l lb er e l a t i v e l ys t a b l e a n du l t i m a t e l y w eg e tt h em i c r o b i a lf l o r at h a ta d a p tf o rd e g r a d a t i o no fn p n e oa n di t si n t e r m e d i a t ep r o d u c t s k e yw o r d s ：n o n y l p h e n o le t h o x y l a t e s ( n p n e o ) ；a op r o c e s s ；o p t i m i z a t i o no fp r o l e s s p a r a m e t e r s ；h p l c ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n 摹 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i l l 第1 章绪论1 1 1 水资源现状综述1 1 2 水资源可持续发展与水处理工程4 1 3 壬基酚聚氧乙烯醚与其环境行为6 1 3 1 壬基酚聚氧乙烯醚及其降解产物的危害6 1 3 2 壬基酚聚氧乙烯醚的生物降解相关研究8 1 4 课题研究的内容及其实际意义。1 1 第2 章0 工艺原理及应用1 2 2 1a o 工艺实验室模型1 2 2 2 o 工艺原理概述1 5 2 2 1a o 工艺1 5 2 2 2a o 工艺反应动力学模型1 6 第3 章n p n e o 降解实验方案2 0 3 1a o 系统启动条件2 0 3 2 研究材料与方法。2 0 3 3 降解n p n e o 的活性污泥培养方案2 1 3 3 1 人工原水的配制。2 1 3 3 2 活性污泥培养与驯化2 1 3 4 高效液相色谱法2 3 3 4 1 高效液相色谱法检测仪器和试剂2 5 3 4 2 高效液相色谱法色谱条件2 6 3 4 3 高效液相色谱法实验方法2 8 v 东北大学硕士学位论文 目录 3 5 正交实验法一2 8 3 6 系统参数调节与污泥状态检测方案3 0 3 6 1 系统关键运行参数3 0 3 6 2 系统活性污泥状态的监测。3 1 3 6 3 系统常规水质指标的检测3 4 第4 章n p n e o 降解结果分析与讨论3 7 4 1 正交实验数据分析3 7 4 2 高效液相色谱检测结果分析3 9 4 2 1 样品测定结果3 9 4 2 2 样品回收率测定4 2 4 3 污泥性状变化跟踪检测数据分析。4 4 4 4 各项水质指标跟踪检测数据分析。4 9 4 4 1 化学需氧量4 9 4 4 2 氨氮、硝氮、亚硝氮以及总氮5 0 4 5 硝、结5 2 第5 章结论与展望5 3 5 1 结论5 3 5 2 展望5 3 参考文献5 5 致谢5 9 v i 之 e 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 水资源现状综述 第1 章绪论 水资源主要是指与人类社会和生态环境保护密切相关而又能不断更新的淡水、地表 水和地下水，其补给来源主要为大气降水。地球上水的总量很大，但能供人类直接利用 而且易于取得的淡水资源是十分有限的，而且这些淡水资源在陆地上的分布很不均匀， 世界约1 3 人口生活在面临中度和严重水紧张的地区。 水是人类最宝贵的一种自然资源，它是地球上一切生命赖以生存不可缺少的基本物 质，也是一种不可替代的自然资源，水资源是基础的自然资源，是生态环境的控制性因 素之一，水滋润着高山和大地，才有草木的茂盛，五谷的丰收，人类的生存。正如老子 所说：“上善若水，水利万物而不争。水又是战略性经济资源，是一个国家综合国力的 有机组成部分。展望将来，水资源正日益影响全球的环境与发展，甚至可能导致国家间 冲突。探讨2 1 世纪水资源的国家战略及其相关科学问题，是世纪之交全球共同关注和 各国政府的重点议题之一。当今世界正面临着水资源危机的挑战，如果该危机得不到有 效控制，科学家预测，到2 0 2 5 年，地球上将有约三分之一的人口面临水资源的短缺。 我国水资源数量居世界第6 位，但人均占有量却排在世界第1 0 8 位( 2 0 0 6 年) ，被 联合国列为贫水国之一。在全国5 1 7 座城市中，缺水城市就3 0 0 多座，其中严重缺水的 城市有1 3 0 座，城市每天缺水量为1 6 0 0 万m 3 ，每年因缺水而造成的经济损失达2 3 0 0 亿元。由于缺水造成了我国西北干旱地区生态环境的严重恶化。我国人均占有水量为世 界人均占有量的2 5 ( 约2 5 0 0m 3 ) ，水资源严重不足。而且水的时空分布很不均匀，总 的格局是东南多，西北少；夏秋季多，春冬季少；与人口耕地的分布不相适应，大大降 低了水资源的可利用率。在我国经济较发达，人口相对集中的京津，华北地区，水资源 严重短缺，而中国的矿产资源大多分布在缺水的西北部地区，由于缺水必然给这些地区 的经济发展带来严重障碍【3 1 。预测我国用水高峰将在2 0 3 0 年前后出现，经预测分析，全 国实际可能利用的水资源量约为8 0 0 0 亿一9 5 0 0 亿m 3 ，需水量已接近可能利用水量的极 限，随着我国经济的进一步发展、人口数量的继续增加，如不采取有效措施，我国淡水 资源短缺现象将会变得更加严重。 随着世界人口的增长和工农业的发展，用水量日益增加，废水量自然会增加未经妥 善处理的废水的任意排放对水体造成严重污染，使得本来并不充裕的水资源更加紧张。 目前我国城市面临的最大水问题：一是城市污水排放量大，污水有效处理率低，城市水 1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 域普遍污染，供水水源破坏严重，供水质量难以保证，进而加剧了供需矛盾；二是用水 效率普遍较低，浪费用水现象依然严重。为此建议将“节流优先，治污为本，多渠道开 源”作为我国城市水资源可持续丌发利用的新战略，以此来指导城市供水、用水、节水、 污水处理和水资源保护规划及相关政策的制定，促进城市水系统的良性循环。 水资源是量和质的高度统一，当前我国面临着水量危机的同时，还面临着污染导致 的水质危机。随着经济建设的发展，人口的增加，特别是城市化进程加快，人口急剧膨 胀，不仅用水量大幅度增加，污水排放量也相应增加，全国水环境总体上呈恶化趋势。 近年来，我国水体污染日益严重，全国每年排放污水高达4 0 0 亿吨，除7 0 的工业废水 和不到1 0 的生活污水经处理排放外，其余则未经处理就直接排入江河湖海，致使水质 严重恶化，污水中化学需氧量、重金属、砷、氰化物、挥发酚等都呈上升趋势，据对全 国七大江河和内陆河的1 1 0 个重点河段的统计表明，符合地面水环境质量标准i 、 i i 类的河段仅占3 2 ，i i i 类的占2 9 ，、v 类的占3 9 。8 6 的城市河流受到了不同 程度的污染。松花江、淮河、海河和辽河水系污染严重，南方的黄浦江、滇江等水体也 都被严重污染。同时突发性污染事故数量增加，水体污染造成经济损失严重。2 0 0 5 年 1 1 月松花江上游某石化公司双苯厂爆炸，硝基苯和苯等化学污染物进入松花江，水源水 质被污染，导致重大环境污染事故，省城哈尔滨市停止供水数天。 从全国情况看，水体污染正从支流向干流延伸，从城市向农村蔓延，从地表向地下 渗透，从区域向流域扩展。我国地表水资源污染严重，地下水资源污染也不容乐观。在 全国1 1 8 个城市中，6 4 的城市地下水受到严重污染，3 3 的城市地下水受到轻度污染， 从地区分布来看，北方地区比南方地区更为严重。海河流域地下水资源量为2 7 1 6 亿 朋3 ，受到污染的为1 7 1 5 亿m 3 ，占总量的6 3 2 。据统计我国2 0 0 4 年因水环境污染 造成的经济损失高达2 4 0 0 亿元。虽然随着我国环境治理力度加大，水质恶化的势头有 所控制，但从总体上来判断，“局部有所改善，整体仍在恶化”。我国江河水资源质量在 下降，水环境污染总体呈加重趋势，湖泊水质富营养化严重，水质恶化的趋势不可避免， 随着污染范围的扩大，如果不采取有利的措施，一些城市、地区或流域甚至全国可能发 生水质污染。可见，水质污染严重和水环境质量恶化加剧了水资源危机，并将影响我国 的经济发展。因此，限制污水排放并使污水资源化，使水资源的利用走上良性循环已成 为当务之急。 我国在工业生产方面，单位产品物耗远高于发达国家，排污量也高于发达国家。因 此提高生产技术水平，降低能耗、物耗，减少排污将成为流域社会经济与环境可持续发 展的根本策略与原则。 2 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 在农业生产方面，1 9 7 8 - 1 9 9 5 年全国化肥用量增长了9 7 ，而粮食仅增长了3 6 ， 即粮食产量每增长1 ，化肥施用量增长近3 。以长江流域上游为例，陕西甘肃片、川 东片、滇东和三峡库区片构成长江流域上游水土流失四大重点片区，水土流失面积为 1 8 9 万k m 2 ，占四大片土地总面积的5 3 9 ，占长江上游总面积的1 8 9 ，但年均土壤 侵蚀量为8 8 亿吨，占长江上游年均土壤侵蚀总量的5 8 0 ，占全流域的1 3 强。“四大 片”的坡耕地近5 5 0 万h m 2 ( 其中陡坡耕地约1 3 ) ，仅占其总面积的1 5 6 ，而年均侵 蚀量高达3 8 亿吨，占“四大片 年均侵蚀量的4 3 5 1 8 1 。高水土流失同时带来大量面 源污染负荷，直接影响河流水环境质量。长江流域上游各生态敏感区实行严格的人口政 策和粮食补给政策，是长江流域可持续发展的需要。 城市基础设施建设方面，目前我国仍有6 1 的城市没有污水处理厂。在污水处理设 施得以修建的城市，能正常运行的也只有5 0 ；还有的由于污水收集管网的原因，污水 处理厂处理量不足设计处理能力的2 0 。我国的城市污水治理比发达国家晚了3 0 - - 4 0 年，在管网建设方面甚至晚了1 0 0 多年。正因为污水处理率的低下，中水回用水平低， 大量城市污染负荷直接进入河流、湖泊，影响着我国各类水体环境质量。加强城市环境 基础设施建设，提高污水资源化率，有效削减污染负荷将成为流域水环境保护的核心工 作。 总之，我国严重的水污染现象形成的主要原因是：人口增加和经济增长所造成的压 力；工业结构不合理及粗放型的发展模式；废水处理率偏低，大量废水直接排放；面源 污染严重，没有采取有效措施控制；环境意识淡薄、环境管理薄弱、环境执法力度不够； 排污收费等经济政策未能起到对治污的刺激作用；历史欠帐太多，资金投入严重不足等。 我国水污染控制策略中存在的问题还需要一定的时间来解决。 水体污染可根据污染物的不同而主要分为三大类： ( 1 ) 化学性污染( 包括好氧污染物、植物营养物、有毒物质、油类、酸碱及无机 盐类、恶臭等) ： ( 2 ) 物理性污染( 包括悬浮物质污染、热污染、放射性污染等) ； ( 3 ) 生物性污染( 主要是指病原性微生物造成的污染) 。 控制水体污染的途径： ( 1 ) 采用清洁生产工艺，减少或消除污水的排放 采用清洁生产工艺，尽量不用水或少用易产生污染的原料及生产工艺； 重复用水及循环用水，使废水排放量减至最少； 有用物质回收和资源化综合利用。 3 - 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 2 ) 加强管理，健全污染控制有关法规 ( 3 ) 增加治理投入，妥善处理废水 ( 4 ) 合理利用水体的自净能力 1 2 水资源可持续发展与水处理工程 水危机及其所衍生的水质和生态问题不仅将束缚和制约我国经济发展第三步战略 目标的实现，而且将可能引发重大的社会和政治危机，进而影响我国国家安全格局。因 此，水资源可持续利用是我国经济、社会发展的战略问题，节水和治污是水资源可持续 利用战略的核心部分。必须在充分注意节约用水的基础上，多方面开发非传统水源，缓 解城市缺水危机，加强水污染防治，改善水环境质量，促进水资源的可持续利用和良性 循环。从发展趋势上看，发达国家污水处理的目标由过去单纯的污水达标排放，调整到 以实现水的综合利用和良性再生为目的；水处理的技术路线，也由针对去除某些污染物 的单项工艺流程，向实现良性水循环的方向转化。 污水的生物处理技术已有百年历史，长期以来，污水生物处理技术以其特有的技术、 经济和环境优势，一直是水处理的主要技术，在城市污水和工业废水的处理、深度处理 和再生利用以及微污染水源水和饮用水的深度处理等各个方面发挥着越来越重要的作 用。微生物有其容易发生变异的特点，随着新污染物的产生和数量的增多，微生物的种 类可随之相应增多，显现出更加多样性。随着微生物学中各个分支学科相互渗透，尤其 是分子生物学、分子遗传学的发展，促进了微生物分类学的完善，促进了微生物应用技 术的进步，推动了生物工程、酶学和基因工程在各个领域的应用和长足的发展，也有力 地促进了水处理微生物工程的发展。随着水处理微生物工程技术的发展，水和废水生物 吹的新技术、新工艺不断出现，如固定化酶、固定化微生物细胞处理工业废水，筛选优 势菌，筛选处理特种废水的菌种，甚至在探索用基因工程菌处理废水；在传统的生物处 理技术基础上，出现了许多革新的技术和代用的技术，有力地促进了水处理技术的进步， 推动了给水排水、环境工程等学科的发展。 废水处理的目的，就是利用各种方法将污水中所含的污染物质分离出来，或将其转 化为无害的物质，从而使污水得到净化。 依据作用原理，废水处理方法又可分为分离法和转化法两种，其中分离法为物理法， 转化包括化学转化和生物转化，在工程应用中，通常将这些处理方法进行组合构成废水 处理工艺系统。 当前废水处理方法主要有以下几种：物理法、化学法、生物法和物理化学法。 4 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 ( 1 ) 物理法 物理处理方法是最基本最常用的一类处理生活污水或工业废水的单元技术，常用作 废水的一级治理或预处理，常用作化学处理法、生物处理法的预处理方法，甚至成为这 些方法不可分割的一个组成部分，也可单独应运。物理处理法主要是用来分离或回收废 水中的悬浮性物质，它在处理的过程中不改变污染物质的组成和化学性质。常用的物理 处理方法有：沉降与气浮、隔截与过滤、离心分离和蒸发浓缩等。一般情况下，物理处 理法所需的投资和运行费用较低，故常被优先考虑和采用。然而，对于大多工业和生活 废水来说，单纯依靠物理方法净化，往往不能达到理想的处理结果，还须与其他的治理 方法配合使用。 物理处理的基本原理：按废水中污染物的比重和大小差异特性净化污水，废水中不 溶性污染物的去除一般通过比重差异进行沉淀分离，浮游分离，如废水预处理、沉砂、 隔油等：对小颗粒的悬浮物和与水比重相差较小的污染物，通过离心力的作用，加大污 染物与水之间沉降速度的差异，增加分离系数，实现污染物的分离，如采用高速离心机 来分离洗衣废水中所含的羊毛脂等：利用废水中不溶性污染物的大小差异，通过截留分 离出污染物，如所有污水处理预处理中的格栅去除固形物等。按废水中污染物的沸点和 结晶点的差异性净化废水。利用污染物与水的沸点的不同，一种是采用蒸发的方法使水 气化，污染物在水相浓缩后达到结晶浓度，实现污染物的分离。如用浸没燃烧蒸发器处 理冶金工业的硫酸洗浴液，回收硫酸和亚硫酸铁。 ( 2 ) 化学法 ， 化学处理方法主要是利用化学反应来分离或回收废水中的胶体物质、溶解性物质等 污染物，己达到回收有用物质、降低废水中的酸碱度、去除金属离子、氧化某些有机物 等目的。这种处理方法即可使污染物质与水分离，也能改变污染物的性质。因此，可以 达到比简单的物理处理方法更高的净化程度。常用的化学处理方法有：化学沉淀与混凝 法、中和法、氧化还原法等。由于化学处理法常需采用化学药剂或材料，故处理费用较 高，运行管理的要求也比较严格。通常，化学处理法还需与物理法配合起来使用，如化 学处理法之前往往需要用沉淀和过滤等手段作为前处理；在某些场合下，又需要采用沉 淀和过滤等物理处理手段作为化学处理法的后处理等。 化学处理法的基本原理：废水的化学处理主要应用投加化学药剂与废水中的污染物 发生反应或电荷作用，以沉淀、上浮或分解为气体等使污染物达到净化。因此废水中污 染物的化学结构和表面电荷差异特性与使用的药剂相当甚大。 ( 3 ) 生物法 - 5 - 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 也称生物化学法，简称为生化法。生化法是处理废水中应用最久、最广和比较有效 的一种方法，污水的生物处理是利用微生物新陈代谢功能，使污水中呈溶解的胶体状态 的有机污染物被降解并转化为无害的物质，使污水得以净化。在好氧条件下污染物最终 被分解为c 0 2 和h 2 0 ：在厌氧条件下污染物最终被分解为c h 4 、c 0 2 、h 2 、h 2 s 和h 2 0 ， 以及有机酸和醇类，是利用自然界的微生物对有机物分解，使之净化的方法。 ( 4 ) 物理化学法 在工业废水的回收治理过程中，尤其当需要从废水中回收特定的物质时，或是当工 业废水有毒，有害，且不易被微生物降解时，采用物理化学处理方法最为相宜。 由于废水中的污染物种类繁多，不同的污染物需要应用不同的方法进行处理，而多 种废水处理方法组合就构成了废水处理工艺系统或工艺流程。 废水处理系统中各种处理方法的选择、相应的处理设备选型和在工艺系统中位置的 确定是废水处理系统工艺设计中的重要内容，其决定因素主要是废水性质和处理目标。 工艺流程的长短可以间接地反映废水处理的难易程度。 按照处理任务深度的不同，城市污水处理系统分为一级、二级、三级处理三个不同 的层次。 城市污水的一级处理主要任务是采用物理方法分离去除原污水中漂浮物和悬浮物， 使用的主要设备或构筑物有阁栅、沉淀池和初沉池，处理过程中从污水中分离出大量栅 渣、浮渣、沉砂和以无机成分为主的初沉污泥。 经过一级处理后，城市污水中还含有大量呈胶体态和溶解态的污染物，必须进行二 级处理。二级处理以生物法为主体，其核心是曝气池( 或生物滤池) 和二沉池。 在有特定要求时( 如最终出水需要回用生活或生产) ，则需要进行三级处理。三级 处理的主要任务是深度去除水中残留微生物、细小悬浮物、残留有机物( 大多为难生物 降解) 、发色物质和溶解性盐类等。 1 3 壬基酚聚氧乙烯醚与其环境行为 1 3 1 壬基酚聚氧乙烯醚及其降解产物的危害 壬基酚聚氧乙烯醚( n o n y l p h e n o lp o l y e t h o x y l a t e ，n p n e o ，n = 1 2 0 ) 是非离子表面活 性剂的主要成分，广泛应用于人类生活与生产活动中【l ，2 】。可用作工业洗涤剂、油田破 乳剂、纺织助剂、抗静电剂、润滑油添加剂、橡胶助剂及酚醛树脂改性剂等，还用于制 造防腐剂、着色剂及矿物浮选剂。从1 9 4 0 年使用至今，n p n e o 是目前性能最好的非离 子表面活性剂之一，有良好的除垢、润湿、泡沫控制和低湿使用性能。由于n p n e o 高 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 效的去污能力及低廉的价格，目前全球范围内仍将其作为主要的非离子表面活性剂而大 量生产和使用，从而在自然界产生了大量的n p e 0 2 o 如图1 2 所示。研究显示上述三种 物质均属于环境内分泌干扰物( e n v i r o n m e n t a le n d o c r i n ed i s r u p t i n gc h e m i c a l s ，e d c s ) 。此 类聚合物在结构上与内源性雌激素的1 7 1 3 雌二醇相似，可以直接- 与 - z 物组织中的雌激素 受体结合，产生雌激素样作用【6 8 】。因此， 研究的热点。n p 。e o 的结构如图1 1 所示， c 9 h 1 9 如何无害化处理n p n e o 是近年来环境领域 主要包括e o 链、烷基链和芳环三部分。 叫、眦卧m 即h n p c 9 h 1 9 o h c g h l 9 n p l e o ( o c h 2 c h 2 ) 2 0 h n p 2 e o 图1 2n p 、n p i e o 、n p 2 e o 结构简图 f i g 1 2s t r u c t u r eo fn p 、n p l e o 、n p 2 e o o c h 2 c h 2 0 h 图1 1 中n 表示平均e o 数，n 多在1 砣o 之间，简写n p 。e o 表示平均e o 数为n 的壬基酚 聚氧乙烯醚。 近年来有报道称壬基酚聚氧乙烯醚及其降解产物壬基酚对水生生物的毒理效应，其 对水生生态系统中的各级生物都有一定的毒性，其降解产物壬基酚( n p ) 等具有雌激 素效应，科学家把这种能起到类似于激素作用的化学物质统称为环境激素( e n v i r o n m e n t a l h o r m o n e ) ，又叫内分泌干扰物( e n d o c r i n ed i s r u p t i n gc h e m i c a l ，e d c s ) ，具致突变性1 1 引， 更引起人们的关注。大多数n p n e o 类物质本身并不具有环境雌激素效应，但是经过环 境或是经污水处理厂生化工艺处理后其降解过程中产生的中间产物在生物体内蓄积后， 对生物体就会表现出环境雌激素效应。其中间代谢产物之一壬基酚具有难降解、疏水性、 脂溶性和生物累积性等特性，对环境有着非常严重的污染效应。壬基酚聚氧乙烯( 1 0 ) 醚 7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 和4 壬基酚对水生生态系统中的各级生物都有一定的急性毒性，水生生物对这2 种化合 物的敏感性顺序为：枝角类 鱼类 藻类 微生物，且4 壬基酚的毒性程度较壬基酚聚氧 乙烯( 1 0 ) 醚更强。a m e s 试验同时表明4 壬基酚具有致突变性，而壬基酚聚氧乙烯( 1 0 ) 醚则不显致突变活性。采用重组基因酵母和s o s a j m u 试验研究了壬基酚聚氧乙烯醚 ( n p l 0 e o ) 丝) 生物降解前后的雌激素活性和致突变活性。结果表明，在降解反应丌始后的 4 d 内降解产物的雌激素活性较低且不具有致突变性。随着降解时间的不断增加，降解产 物的雌激素活性和致突变性不断增强。降解2 0 d 后，降解产物的雌激素活性相当于l n m o l 1 7 b 雌二醇的6 1 6 ，诱变比值大于2 ，表明壬基酚聚氧乙烯醚的生物降解产物同时具 有雌激素活性和致突变活性，且两者在产生时间和活性数值方面均是同步的和成j 下相关 的。因此致突变活性很可能是此类降解产物对生物机体具有雌激素活性的基础。 1 3 2 壬基酚聚氧乙烯醚的生物降解相关研究 n p 。e o 的生物降解近几年又成为各国研究的重点，一是因为随着环境科学的发展， 人们越来越认识到其降解产物的危害性；其次，相关研究领域的发展以及检测手段的不 断提高使彻底认识其降解途径成为可能。 专家学者对n p n e o 的初级生物降解( 即表面活性剂母体分子结构消失，改变了分 子的完整性，表面活性剂失去表面活性，当采用专用于鉴定表面活性剂的分析方法检测 表面活性剂时，表面活性剂已不存在，则认为此时已发生了初级生物降解) 研究较多， 对n p n e o 的最终生物降解( 即在好氧条件下，表面活性剂被完全转化成h 2 0 和c 0 2 等 无机物和代谢物；在厌氧条件下，表面活性剂被完全转化成c h 4 和c 0 2 等) 研究较少， 较多文献认为n p 。e o 难以最终降解，但也有文献认为n p n e o 可发生最终降解。国内 外学者近些年来对环境激素物质的无害化处理进行了大量研究。研究出一些有效的降解 方法，主要是生物降解和物理化学处理两大类。其中物理化学方法包括光化学氧化法1 2 、 臭氧氧化法、辐射降解法、超临界水氧化法及亚临界水氧化法等。目前研究的热点为超 临界氧化法，该方法利用水在高温高压下处于超临界状态时的具有对绝大多数有机物瞬 间分解成简单无机物的特点，可较彻底地处理环境激素及其他有机污染物。但是，所有 物理化学方法均有其消耗一定资源与能源弱点，目前的研究重点仍然集中在消耗能源较 低的生物处理方法上【2 2 2 3 , 2 4 2 5 列。 1 9 9 7 年，v a d e r l 2 7 等人采用硝化活性污泥降解乙炔雌二醇( e e 2 ) ，证明硝化微生 物降解e e 2 过程属共代谢，其结果致使e e 2 雌激素作用消失，但是完全降解需要6 天时 间。关于壬基苯酚降解的研究，1 9 9 8 年t a n g , h e 和v e r s t r a e t e l 2 8 l 研究了实验室规模的活性 污泥单元处理壬基酚，在2 8 条件下，8 3 3 m g l 的壬基本酚可以被完全除去，但是需 8 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 要1 0 天时间。2 0 0 5 年，o k a y a s u 等人分别使用1 2 5 l 的好气活性污泥槽、普通无氧密 封容器对n p 。e o 在好氧及厌氧条件下的活性污泥分解以及分解产物n p 、活性污泥对两 者的吸附作用等进行了研究。研究结果显示，实验装置中的活性污泥在n p