土壤含水层处理技术去除二级出水中溶解性有机物

摘要

将城市污水处理厂二级处理出水用于人工地下水回灌逐渐成为补充地下含水层和储存水资源的有效途径，土壤含水层处理（SAT）是地下回灌流程中一个重要组成部分。在SAT系统中，溶解性有机物（DOM）一直备受关注。本研究采用XAD树脂分离技术将DOM分级成疏水性有机酸(HPO-A)，疏水性中性有机物(HPO-N)，过渡亲水性有机酸(TPI-A)，过渡亲水性中性有机物(TPI-N)和亲水性有机物(HPI)等5种组分，并通过氯化实验、红外光谱、紫外光谱、核磁共振波谱、元素分析等多种实验手段考察了城市污水处理厂二级处理出水中的DOM各组分的分布特征和化学特性，并考察了DOM在SAT系统中的去除和变化，以及回灌对土壤有机物的影响。
　　利用XAD树脂对二级处理出水中的DOM进行分级分离，并对各DOM组分进行特性表征。结果表明，HPO-A和HPI是二级处理出水的主要有机组分，HPO-A是加氯消毒时产生三卤甲烷(THMs)的主要前体物质。每种DOM组分的单种THM生成量随溴离子浓度增加的变化趋势相同：CHCl3单调递减；CHCl2Br和CHBr2Cl先升后降；CHBr3单调递增。氯化反应导致HPO-A, HPO-N, TPI-A和TPI-N在250–280 nm范围内的紫外吸收的降低。氯化反应导致HPO-A、HPO-N、TPI-A和TPI-N中O—H、C=C和苯环含量的降低，C—O含量的升高，以及C=O和C—Cl的生成。氯化反应中溴离子的存在导致这4种DOM组分中出现C—Br。
　　通过土壤柱模拟实验考察了DOM在SAT系统中的去除及其卤代活性的变化。结果表明，SAT系统对HPO-A、HPO-N、TPI-A、TPI-N和HPI的三卤甲烷生成势(THMFP)的去除率分别为27.24％,34.43%,26.24%,35.85%和36.08%。DOM各组分的三卤甲烷生成活性(STHMFP)在SAT系统中均升高。对于HPO-A、HPO-N和HPI来说，THMFP与UV-254的相关性较强，而对于TPI-A和TPI-N来说，THMFP与UV-254的相关性较弱。
　　通过可生物降解溶解性有机碳(BDOC)反应柱实验，以及进水分别为未添加NaN3和添加了NaN3的二级处理出水的2个土壤柱系统的模拟实验，研究了好氧生物降解作用、SAT系统、以及SAT系统中非好氧生物降解和吸附的联合作用对DOM的去除效果。结果表明，好氧生物降解作用、SAT系统和SAT系统中非好氧生物降解和吸附的联合作用对总DOC的去除率分别约为57.3%、70%和27.5%。中性DOM组分(HPO-N和TPI-N)比酸性DOM组分(HPO-A和TPI-A)更容易被好氧生物降解作用所去除，而酸性DOM组分比中性DOM组分更容易被SAT系统中非好氧生物降解和吸附的联合作用所去除。好氧微生物显著降解酸性DOM组分中的C=O官能团而SAT系统中非好氧生物降解和吸附的联合作用显著降解中性DOM组分中的C=O官能团；好氧微生物降解酸性DOM组分中的C―O官能团，而SAT系统中非好氧生物降解和吸附的联合作用则导致C―O官能团在HPO-A，HPO-N，TPI-A和TPI-N中的相对含量的升高；好氧微生物显著降解酰胺类有机物，而SAT系统中非好氧生物降解和吸附的联合作用则导致酰胺类有机物的生成。
　　通过比较进水分别为未进行和已经过活性炭吸附处理后的二级处理出水的2个土壤柱系统对DOM的去除效果，研究了进水预处理程度对SAT系统性能的影响。结果表明，当SAT系统进水中DOM的浓度降低时，SAT系统出水中DOM的浓度也降低，并且SAT系统对DOM的去除率下降。
　　通过比较回灌前的土壤，以及回灌后不同深度土壤中水可提取DOM的含量和官能团特征考察了回灌对土壤中水可提取DOM的影响。结果表明，回灌导致了表层土(0-12.5 cm)中水可提取DOM含量的升高，以及深度在12.5 cm以下的土壤中水可提取DOM含量的降低。回灌导致土壤中HPO-A和TPI-A的含量的下降，以及HPO-N、TPI-N和HPI的含量的升高。回灌对顶部和底部土壤中水可提取DOM组分的官能团的影响不同。

目录

土壤含水层处理技术去除二级出水中溶解性有机物

REMOVALS OF DISSOLVED ORGANIC MATTER IN SECONDARY EFFLUENTS BY SOIL -AQUIFER TREATMENT TECHNIQUES

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 国内外水资源现状

1.2 地下水回灌 技术

1.2.1 地下水回灌的方式及目的

1.2.2 地下水回灌的水质要求

1.3 土壤含水层处理

1.3.1 土壤含水层处理的技术特征

1.3.2 土壤含水层处理的净化机理

1.3.3 土壤含水层处理的运行管理

1.3.4 土壤含水层处理的应用实践

1.4 土壤含水层处理的研究现状和进展

1.4.1 土壤含水层处理的预处理技术

1.4.2 污染物在土壤含水层处理中的去除和变化

1.4.3 土壤含水层处理出水的利用

1.4.4 土壤含水层处理的操作运行

1.5 课题研究意义和研究内容

1.5.1 课题研究意义

1.5.2 研究内容

第2章 实验装置与方法

2.1 实验装置

2.1.1 模拟土壤含水层处理的土壤柱系统

2.1.2 可生物降解溶解性有机碳反应柱

2.2 实验用水

2.3 实验及分析方法

2.3.1 溶解性有机物分级

2.3.2 可生物降解溶解性有机碳测定

2.3.3 三卤甲烷生成势测定

2.3.4 有机碳的尺寸分布

2.3.5 氯化反应对溶解性有机物结构的影响

2.3.6 溴离子在氯化反应中对溶解性有机物卤代活性和结构的影响

2.3.7 活性炭吸附

2.3.8 土壤中水可提取溶解性有机物分析

第3章 二级处理出水中溶解性有机物的特性

3.1 二级处理出水中有机物的尺寸分布

3.2 二级处理出水中溶解性有机物的特征

3.2.1 溶解性有机物组分的分布

3.2.2 溶解性有机物组分的可生化性

3.2.3 溶解性有机物组分的卤代活性

3.2.4 溶解性有机物组分的尺寸分布

3.2.5 溶解性有机物组分的紫外光谱分析

3.2.6 溶解性有机物组分的红外光谱分析

3.2.7 溶解性有机物组分的核磁共振波谱分析

3.2.8 溶解性有机物组分的元素分析

3.3 氯化反应中溶解性有机物结构的变化

3.3.1 紫外-可见吸收特性

3.3.2 官能团特性

3.4 溴离子在氯化反应中对溶解性有机物卤代活性和结构的影响

3.4.1 溴离子对溶解性有机物产生的三卤甲烷生成量的影响

3.4.2 溴离子对溶解性有机物产生的三卤甲烷种类的影响

3.4.3 溴离子对卤素取代摩尔比值的影响

3.4.4 溴离子对溶解性有机物结构的影响

3.5 本章小结

第4章 土壤含水层处理对溶解性有机物的去除

4.1 溶解性有机物在土壤含水层处理中的去除及变化

4.1.1 总溶解性有机物的去除

4.1.2 总溶解性有机物可生化性的变化

4.1.3 溶解性有机物组分的可生化性

4.1.4 溶解性有机物组分的去除

4.1.5 溶解性有机物及其组分卤代活性的变化

4.1.6 三卤甲烷生成势与UV-254的相关性

4.2 土壤含水层处理中不同去除机制对溶解性有机物的去除

4.2.1 不同去除机制对总溶解性有机物的去除

4.2.2 不同去除机制对溶解性有机物组分的去除

4.2.3 不同去除机制对溶解性有机物组分官能团的影响

4.3 预处理对土壤含水层处理净化效果的影响

4.3.1 预处理对总溶解性有机物去除率的影响

4.3.2 预处理对溶解性有机物组分去除率的影响

4.3.3 预处理对溶解性有机物组分官能团的影响

4.4 本章小结

第5章 土壤中水可提取溶解性有机物的变化

5.1 土壤中水可提取总溶解性有机物的变化

5.1.1 土壤有机碳含量的变化

5.1.2 土壤中水可提取总溶解性有机物含量的变化

5.1.3 土壤中水可提取总溶解性有机物的UV-254的变化

5.1.4 土壤中水可提取总溶解性有机物的SUVA的变化

5.2 土壤中水可提取溶解性有机物组分的变化

5.2.1 含量的变化

5.2.2 UV-254的变化

5.2.3 SUVA的变化

5.3 土壤水可提取溶解性有机物官能团的变化

5.3.1 疏水性有机酸官能团的变化

5.3.2 疏水性中性有机物官能团的变化

5.3.3 过渡亲水性有机酸官能团的变化

5.3.4 过渡亲水性中性有机物官能团的变化

5.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学博士学位涉密论文管理

致 谢

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