地下滲濾系統對直鏈烷基苯磺酸鹽(LAS)的去除研究

潘 晶, 宋思雨, 袁 方, 費鶴馨, 李修月, 孫亦飛

(沈陽師范大學 化學與生命科學學院, 沈陽 110034)

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地下滲濾系統對直鏈烷基苯磺酸鹽(LAS)的去除研究

潘 晶, 宋思雨, 袁 方, 費鶴馨, 李修月, 孫亦飛

(沈陽師范大學 化學與生命科學學院, 沈陽 110034)

直鏈烷基苯磺酸鹽; 地下滲濾系統; 污水; 微生物

0 引 言

隨著全球工農業和科技的發展,溫室效應、酸雨及臭氧層破壞早已成為世人所熟知和關心的環境問題,正當人們還在為解決上述問題而頭痛時,另一種具有激素類作用的化學物質污染也引起了人們的注意,這就是環境激素污染,它與溫室效應等一起構成了全球性的環境大問題。環境激素是指人類在生產、生活過程中釋放到環境中的某些有毒化學物質,它們與人和動物體內的激素具有類似的化學結構,發揮著類似激素的作用,它們進入體內,擾亂了激素的正常分泌,使人和動物的生理程序發生紊亂,導致生殖、免疫等功能發生障礙。對機體、后代或種群引起可逆性或不可逆性生物學效應的外源性化學物質,也稱為“外源性內分泌干擾物”。環境激素分布廣且很難降解,最長的能在環境中保持幾十年至上百年,化學結構穩定,又不易生物降解,具有很高的環境滯留性。無論存在于空氣、水還是土壤中,都能強烈地吸附于顆粒上,借助食物鏈不斷富集,對生態環境造成危害。環境激素具有高親脂性或脂溶性,通過食物鏈富集于動物和人類的脂肪和乳汁中,并可通過胎盤傳遞到胎兒或通過母乳傳遞到嬰兒。環境激素廣泛存在于大氣、水體和土壤等環境介質中,世界各地都能覓到其蹤跡。合成洗滌劑被世界各地普遍使用,是目前已確定的70種環境激素污染物之一。

我國生產的合成洗滌劑多屬陰離子表面活性劑型,以直鏈烷基苯磺酸鈉(linear alkylbenzene sulfonates, LAS)為主,其產量約占合成洗滌劑總產量的90%左右。因為LAS的有效性、多功能性、性價比,目前成為世界上普遍使用的表面活性劑。由于廣泛和大量使用,LAS通過污水排放、生活垃圾和工業廢渣等途徑進入環境中,幾乎在所有的環境介質中都能檢出[1]。LAS等表面活性劑會改變水質、水的氣味,產生泡沫,降低水中的溶解氧和影響水體的復氧過程,對動植物和人體有慢性毒害作用,影響其他有毒污染物的生態行為過程,能乳化水中的石油、PCB等疏水性有機物,增加其毒性,影響其物理化學行為[2]。LAS廢水大量排入水體后,一方面對水中的去除菌有一定的危害作用,另一方面會降低微生物在污染物表面的吸附效果,導致對污染物的去除效果下降。過高的 LAS濃度對水生植物的生長有明顯的抑制作用,尤其是對一些水生藻類的影響最明顯。LAS對人體的皮膚、血液、肝臟、電解質代謝都有不同程度的危害,LAS濃度過高會改變細胞膜的通透性,讓一些本來不能進入細胞的物質進入到細胞內,或是一些本應該在細胞內的物質外流,致使細胞逐漸解體,還會改變細胞內許多酶的含量。LAS廢水的處理對于保護資源,保持生態平衡,促進經濟發展,都具有重要意義。

對于LAS廢水處理的研究主要是針對含高濃度合成洗滌劑生產廢水的處理,如:混凝法、活性炭吸附法、生化法等[3]。但目前存在的主要問題是村鎮、療養院等分散污水,現有水處理技術不能將其匯集到城市污水管網或集中處理的范疇內;特別是一些使用合成洗滌劑較多的行業,如:遠離市區的療養院、度假村、酒店等,排放的污水中洗滌劑的含量雖不如生產廢水高,LAS濃度一般為每升十幾到幾十毫克[4],但未經處理隨意排放,最終匯入江河、湖泊等水體,既污染環境,又威脅公眾健康[5]。地下滲濾法是污水土地處理方法之一,其原理是將生活污水經過化糞池預處理之后投配到地面下一定距離,在滲透性良好的土層中通過土壤的毛細力、重力的作用下使污水擴散運動,在遷移的過程中通過物理截留、物化吸附、化學沉淀、生物降解、植物的作用等因素而被凈化[6]。地下滲濾具有有效處理污水中的可沉淀固體、漂浮的油脂、泡沫、營養鹽以及病毒,并且建設運行成本低,管理簡單,裝置位于地下,不破壞表面景觀等優點,成為人們所重視的分散污水處理方法[7]。目前利用土地處理技術去除LAS的研究少有報道[8]。本研究利用地下滲濾系統去除污水中不同濃度的LAS,以及LAS對其他污染物去除的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 實驗裝置及進水水質

試驗在圖1所示的模擬土柱中進行。土柱直徑為30 cm,高120 cm的有機玻璃柱。采用布水系統與主體裝置分離的方式,“十”字形布水管距裝置頂部垂直距離50 cm處,并用2層目孔為1.1 mm×1.1 mm的尼龍網包裹,周圍填充直徑為5～10 mm的卵石。柱體底端設5 cm高的集水區,集水區以上為卵石層和土壤基質填充區,集水區與填充區之間設一有均勻孔的箅子(孔徑3 mm),裝置底部設直徑1 cm的出水孔。為防止水流短路,最大限度消除邊壁效應,距散水管中心10 cm為半徑5 cm的半圓形不透水皿(聚乙烯材質)。距裝置頂部40、50、60、70、80、90和100 cm處設半徑2 cm的土壤基質取樣孔。土柱由頂部至有孔箅子依次裝填20 cm厚的草甸棕壤,10 cm厚的爐渣,80 cm厚的改良草甸棕壤基質(質量比5%爐渣+95%草甸棕壤),5 cm厚的5～10 mm卵石(參考文獻報道及工程實踐)。控制閥自動控制進水和落干時間,流量計調節進水流量。

1—草甸棕壤層; 2—爐渣層; 3—滲濾基質層; 4—卵石; 5—基質取樣口; 6—布水口;7—不透水層; 8—有空篦子; 9—出水口; 10—布水管; 11—進水管。

實驗室溫為20±3 ℃。地下滲濾系統運行的水力負荷為0.10 m3/(m2·d),干濕比1∶1,運行周期為48 h,地下滲濾系統穩定運行后通入含LAS廢水,由低濃度過渡到高濃度。污水由潛水泵進入高位水箱后,經控制閥和流量計進入地下滲濾系統布水管,經布水管上的小孔均勻滲入土壤基質中,由出水口的集水管收集出水。

生活污水加入LAS,配制成不同濃度LAS的廢水。分別為:處理Ⅰ—原生活污水,處理Ⅱ—生活污水中LAS含量5～10 mg/L,處理Ⅲ—生活污水中LAS含量20～30 mg/L,處理Ⅳ—生活污水中LAS含量30～40 mg/L。進水中LAS濃度以實測為準。

1.2 測定方法

地下滲濾系統常規進出水水質和LAS按文獻方法測定[9],基質微生物量測定方法見文獻[10]。

2 結果與討論

2.1 地下滲濾系統對LAS的去除效果

從圖2～圖5中可以看出,盡管污水中LAS濃度在0.56～40 mg/L范圍內變化,地下滲濾系統的出水中LAS的濃度都較低,出水LAS的濃度隨著進水濃度的增加而增加。說明地下滲濾系統對LAS的去除效果與進水的LAS濃度緊密相關。通過回歸分析得到污水中的LAS的平均濃度與系統滲濾出水中LAS平均濃度之間呈極顯著線性正相關,y=0.242x-0.328 8(r=0.997 1,P<0.01)。

潘明璦等研究了土壤-牧草和土壤-小麥兩種慢速滲濾土地處理系統對LAS的去除效果也體現出上述的規律[8]。在污水中LAS的濃度為0.064～5.378 mg/L條件下,兩種慢速滲濾土地處理系統對LAS去除率均隨著LAS濃度的增加而呈現增加的趨勢,土壤-牧草慢速滲濾土地處理系統的去除率由82%上升為97.9%,土壤-小麥慢速滲濾土地處理系統的去除率由91.4%上升為99.4%。但是在本實驗中通過回歸分析表明,地下滲濾系統中LAS的平均去除率與污水中LAS濃度的線性相關性較低[y= 0.126 5x+93.003(r=0.895 2,P>0.05)]。當污水中LAS濃度由1.73 mg/L上升為47.76 mg/L時,地下滲濾系統中LAS的平均去除率由91.93%上升為98.10%。

圖2 處理條件Ⅰ時,地下滲濾系統對LAS去除效果

圖3 處理條件Ⅱ時,地下滲濾系統對LAS去除效果

圖4 處理條件Ⅲ時,地下滲濾系統對LAS去除效果

圖5 處理條件Ⅳ時,地下滲濾系統對LAS去除效果

有研究表明,LAS在滲濾系統中的去除行為首先表現出吸附,并且符合Langmuir和Freundlich吸附方程[11]。區自清等在研究土壤對LAS的吸附時發現,LAS在土壤上的吸附分成2個階段:第1階段是線性吸附階段,吸附量隨溶液中LAS濃度(LAS<90 μg/mL)的增大而成比例增加,LAS吸附強度分別與粘粒(P<0.01)和粉粒(P<0.05)含量呈極顯著和顯著正相關,與細砂(P<0.01)、粗砂(P<0.01)及有機碳(P<0.05)含量呈極顯著和顯著負相關,說明土壤對LAS的吸附主要取決于比表面積較大的粘粒礦物。第2階段是等溫線指數增長階段,吸附量隨著溶液中LAS的濃度(LAS>90 μg/mL)增大呈指數增加,顯然存在協同吸附機制。首先是親水性基團通過專性點位吸附,在另一側的疏水性基團再吸附其他的LAS分子。在吸附等溫線觀察到的提高吸附作用主要是借助表面膠束的形式,膠束的濃縮依賴于內在分子的聯合,這種聯合是由高濃度LAS產生的范德華力所形成的,由此證明土壤對LAS存在協同吸附機制[12]。從本實驗中可以看出,協同吸附機制在地下滲濾系統也是存在的。

2.2 LAS對其他污染物去除的影響

從表1中可以得出,污水中LAS的濃度與COD的濃度呈顯著的正相關,其相關方程為y=1.9857x+198.12(r=0.9544,P<0.05);隨著污水中LAS濃度的增加,地下滲濾系統對COD的去除率呈下降的趨勢。污水中LAS的濃度與COD去除率顯著線性負相關,其相關方程為y=-0.228x+ 90.073(r=0.9585,P<0.05)。

表1 不同處理條件對COD、LAS的去除效果

由表2可以看出,隨著進水LAS濃度的增加,TN的去除率先增加后降低。這是因為在處理Ⅱ條件下,加入LAS為基質微生物提供了一定的碳源,加速了微生物對污水中氮的利用,從而達到對污水中TN的去除。但隨著LAS濃度的增加,反而降低了TN的去除,一方面是由于碳氮比例失調;另一方面是高濃度的LAS會對基質中微生物產生抑制作用,尤其對反硝化菌。有研究表明,土壤硝化作用和氨化作用對LAS十分敏感,當土壤中LAS的濃度達到5 mg/kg以后,LAS對土壤的氨化作用有持續的抑制作用,土壤硝化菌和氨化菌對LAS的耐性不同,LAS濃度增加可能大幅度抑制土壤生物化學活性[13]。

表2 不同處理條件對的去除效果

隨著進水LAS濃度的增加,滲濾出水中TP、IP的濃度加大。因為磷在土壤中不會發生降解,主要通過化學吸附、沉淀作用而去除(見表3)。因此,LAS對地下滲濾系統去除TP的影響機理就是爭奪土壤顆粒上的吸附結合位點,使大量的磷被洗脫,進而影響TP、IP的去除率。

表3 不同處理條件對TP、IP的去除效果

2.3 LAS對地下滲濾系統基質微生物的影響

地下滲濾系統凈化污水時,有機物的降解和轉化主要是基質微生物完成。對LAS凈化過程中,地下滲濾基質微生物發生了變化。隨著污水中LAS濃度的增加,基質中細菌數量呈下降趨勢;處理Ⅳ條件下的細菌數量與處理Ⅰ相比平均相差約2個數量級;而在處理Ⅱ和Ⅰ條件下細菌數量相差不多,甚至前者可能更多一些(見表4);這是由于處理Ⅱ時,LAS濃度對細菌沒有抑制作用,卻增加了一定的微生物所需的碳源。有研究顯示,LAS在0～100 mg/kg范圍內,對細菌的生長表現為刺激作用[14]。Federic等在威斯康興的2個地點研究了LAS的礦化度、微生物生物量的垂直分布和活性,一個地點從1962年就被來自鄉村洗衣店廢水所影響;第2個地點則沒有受到污水的影響。相比之下,在第1個地點的活性微生物群落主要分布在亞表面土壤中,2～3 m深時微生物數量迅速下降,礦化度也存在著一個迅速的下降[15]。本實驗地下滲濾系統的土層僅有1.1 m,所以對于細菌來說未出現迅速下降的現象。

表4 不同處理條件下基質微生物數量

注: 各處理條件穩定運行20天月后,測定基質80 cm深處微生物數量。

由表4可得,在不同LAS濃度處理條件下,真菌數量的差異較大,處理Ⅳ條件下的真菌數量與處理Ⅰ相比平均相差約3個數量級,顯示出LAS對地下滲濾系統中的真菌有一定的抑制作用。

對于地下滲濾系統的放線菌來說,LAS濃度的增加與細菌數量的變化趨勢一致,處理Ⅰ、Ⅱ的條件下比處理Ⅲ條件下的數量要高(見表4),這可能由于是LAS對放線菌的抑制作用所致。但也有研究表明LAS在0～100 mg/kg范圍內,對放線菌無明顯的影響[14]。

對于反硝化菌來說,隨著LAS濃度的增加反硝化菌數量先增加后減少(見表4)。這是因為在處理Ⅱ條件下,加入LAS為基質微生物提供了一定的碳源,加速了微生物的生命活動,隨著LAS濃度的增加,對基質中微生物產生抑制作用,尤其對反硝化菌,所以數量減少。

3 結 論

LAS對地下滲濾系統的微生物數量有一定的影響。LAS本身對微生物具有一定的毒性,但在低濃度條件下,不顯示毒性反而促進細菌的生長。但隨著LAS濃度的升高,地下滲濾系統中細菌、真菌、放線菌的數量均出現下降,硝化菌數量變化很小,反硝化菌隨著LAS濃度的增加先增加后減少。

[ 1 ]MCAVOY D C, ECKHOF W S. Fate of linear alkylbenzene sulfonate in the environment[J]. Environ Toxic Chem, 1993,12(6):977-987.

[ 2 ]朱德康. 美國洗滌劑磷規則及其對環境的影響[J]. 中國洗滌用品工業, 2002,2(1):47-55.

[ 3 ]崔勵,王雅娜. 表面活性劑廢水處理研究現狀與展望[J]. 工業水處理, 2008,22(2):9-12.

[ 4 ]盧平,董成娣,蔣秀蘭. 酒店廢水中LAS的強化生物處理研究[J]. 環境污染治理技術與設備, 2002,8(3):22-70.

[ 5 ]HELLSTROM D,JONSSON L. Evaluation of small wastewater treatment systems[J]. Water Sci Tech, 2003,48(11/12):61-68.

[ 6 ]LI Y H, LI H B, SUN T H, et al. Study on nitrogen removal enhanced by shunt distributing wastewater in a constructed subsurface infiltration system under intermittent operation mode[J]. J Hazard Mater, 2011,189:336-341.

[ 7 ]LI Y H, LI H B, WANG H, et al. Comparison of the treatment performance of bio-substrate based and meadow brown soil based subsurface infiltration systems for domestic wastewater treatment[J]. Water Sci Technol, 2013,67(3):506-513.

[ 8 ]潘明瑗,徐揚志. 陰離子洗滌劑在慢速滲濾系統中的去除研究[J]. 云南環境科學, 1998,17(1): 5-7.

[ 9 ]國家環境保護總局水和廢水監測分析方法編委會. 水和廢水監測分析方法[M]. 4版. 北京: 中國環境科學出版社, 2002.

[10]中國科學院南京土壤研究所微生物室. 土壤微生物研究法[M]. 北京: 科學出版社, 1985.

[11]李曉東. DUBF-CW耦合工藝處理生活污水的研究[D]. 沈陽:東北大學, 2008.

[12]區自清,賈良清. 洗滌劑LAS在土壤上吸附行為及機理研究[J]. 應用生態學報, 1992,6(2):20-21.

[13]潘根興,韓永鏡. LAS對土壤環境理化性狀和生物活性的影響[J]. 環境科學, 2001,22(11):57-61.

[14]GILLER K, WIETTR E, MCGRATH S P. Toxicity of heavy metals to microorganisms and microbial poreesses in agricultural soil: a review[J]. Soil Biol Biochem, 1998,30(3/4):1389-1414.

[15]FEDERIC T W, VENTULLO R M. Spatial distribution of microbial biomass, activity, community structure and the biodegradation of linear alkyl-benzene (LAS) and linear alcohol etboxylate (LAE) in the subsurface[J]. Microb Ecol, 1990,20:297-313.

Removal of linear alkylbenzene sulfonates (LAS) in subsurface wastewater infiltration system

PANJing,SONGSiyu,YUANFang,FEIHexin,LIXiuyue,SUNYifei

(College of Chemistry and Life Science, Shenyang Normal University, Shenyang 110034, China)

linear alkylbenzene sulfonates; subsurface wastewater infiltration system; wastewater; microorganism

2015-02-12。

國家自然科學基金資助項目(41001321,41471394); 沈陽師范大學重大孵化項目(ZD201403); 沈陽師范大學生態與環境中心主任基金項目(EERC-G-201404); 沈陽師范大學大學生創新創業和大學生科學研究項目。

潘 晶(1977-),女(滿族),遼寧沈陽人,沈陽師范大學副教授,博士,碩士研究生導師。

1673-5862(2015)03-0382-06

X703.1

A

10.3969/ j.issn.1673-5862.2015.03.014