专利名称：一种生物活化曝气工艺处理水体中痕量PPCPs的方法
技术领域：
本发明涉及环保领域的水处理技术，特别涉及生活污水处理技术和微污染天然水体的处理。
背景技术：
PPCPs (药品和个人护理用品)包括各种的处方药和非处方药，如新型的生物基因药物、抗生素、类固醇、消炎药、镇静剂、营养品、香料、化妆品、香皂、洗发水等。PPCPs最早 $ 1999 ρ Κ白勺《Environmental Health Perspectives》巾 Christian G. Daughton 出，随着PPCPs被检测出普遍存在于各种水体中(包括河流、地表水、饮用水)，PPCPs对环境和人类的影响已引起广泛的关注(水体中常见的PPCPs见表1)。表1水体中常见的PPCPs
名称用途
加乐麝香(HHC3) 吐纳麝香(AHTN) 萨利麝香(ADBI)
百忧解(FLX) 罗红霉素CROX) 红霉素(ERY)
抗雄激素雌激素酮(El) 17岸-雌二醇(Ε2) 17α-乙炔基雌二醇(ΕΕ2) 布洛芬(IBP) 萘普生(NPX)
Galaxolide
Tonalide Celestolide Fluoxetine Roxithromycin Erythromycin Antiandrogen
Estrone 17fi-estradiol 17a-ethinylestradiol Ibuprofen Naproxen
合成麝香合成麝香合成麝香抗抑郁药抗生素抗生素合成激素天然雌激素天然雌激素合成雌激素消炎止痛药消炎止痛药作为人和牲畜使用的药物，PPCPs分子具有生物活性，且部分还带有酸性或者碱性的官能团，人或家畜使用后，大部分不能被人或家畜吸收，而是以粪便等方式排到外界环境中，从而进入水体。PPCPs具有以下特点①含量低，在水体中一般以10_6g/L存在；②在自然界中稳定存在，难以通过微生物作用自然降解；③具有生物积累性和长期危害性。随着人口的增加和动植物新疾病的涌现，未来一段长时间内，PPCPs在类型和数量上的使用将不断增长。尽管水体中的PPCPs不会给人体带来直接而快速的影响，然而PPCPs长期作用于水生态系统，能引起特殊的生理作用。Halling-S0rms(m\K为PPCPs的亲脂性令其可顺利通过细胞膜，这类污染物回到生物链，最终影响人类及其他生物的正常生理功能，可导致严重和不可预计的后果。STPs (传统的污水处理构筑物)是通过组合微生物不同的缺氧和需氧条件，用以脱除污水中的有机物和含氮化合物。传统STPs的微生物处理不能有效脱除对环境影响较大的痕量PPCPs，与此同时，PPCPs亦不能在天然水体中的微生物作用下生物降解。随着大
3量PPCPs被广泛使用，应特别重视水体中的PPCPs，如不能有效处理并控制排放到水体中的 PPCPs，必将带来严重的环境污染和生态破坏。目前对PPCPs的控制技术研究主要有臭氧氧化、高级氧化技术(如UV和UV/H2A 氧化；芬顿氧化等)、纳滤技术(NF)和微生物技术等。其中，微生物技术能实现PPCPs的高效生物吸附和生物降解，该技术的研究、开发和应用，可控制污水厂排放的PPCPs总量和减少水体中痕量PPCPs，大大提高水环境水体安全性，改善人们的生活环境。然而，采用微生物处理痕量PPCPs仍存在微生物量不足、生物膜载体比表面积和氧利用率低等技术问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺陷，提供一种生物活化曝气工艺处理水体中痕量PPCPs的方法。本发明利用不光滑的丝状纤维增加生物膜载体比表面积和微生物量，利用三级好氧曝气设备提高氧利用效率。在上述技术环境和可利用的碳源少的条件下，微生物处在内源代谢阶段，能高效降解水体中的痕量PPCPs。本发明通过下述技术方案实现一种生物活化曝气工艺处理水体中痕量PPCPs的方法，具体包括下述步骤(1)加入生物活化剂在生物活化曝气好氧处理前3 5天，每天向一级好氧池中投加总浓度为10 80mg/L的生物活化剂，正常运行期间不须加入；(2)曝气渐变的分级好氧处理将含痕量PPCPs的水体进行三级好氧处理，曝气量为第一级第二级第三级= 5 4 3 2 2 1 ；进水速度0. Olm/s 0. lm/s，在曝气池的停留时间根据池的容积和水流速而改变，曝气运行10 20小时；所述第一级好氧处理在第一级好氧处理池中通过微孔曝气头和挂膜的填料均勻布设创造厌氧、兼氧和好氧环境；所述第二级好氧处理在第二级好氧处理池中通过微孔曝气头和挂膜的填料均勻布设创造兼氧和好氧环境；所述第三级好氧处理在第三级好氧处理池中通过微孔曝气头和挂膜的填料均勻布设创造好氧环境；所述填料均为不光滑的丝状纤维，单个不光滑丝直径0. 01 1mm，比表面积达 500 5000m2/m3。优选地，步骤O)中所述第一级好氧处理的曝气头和填料的布设在空间上均勻交替，包括俯视平面和侧视平面的点位布设；进水深度控制在1. 2 1. 8m，所述俯视平面的点位布设当水速< 0. lm/s时，采用曝气点在中间、填料在周围的梅花状平面布局，水速 ^ 0. 2m/s时，采用曝气点和填料在同一平面上的棋盘状布局；当水速大于0. lm/s并小于 0. 2m/s时是上述两种布局的任意一种或是两种布局交叉使用；所述侧视平面的曝气点位均勻布置在如下三个位置a.距水面0. 3米 0. 5米位置处，b.好氧池中部，c.距好氧池底部0. 3米 0. 5米位置处均勻布置；所述俯视平面和侧视平面每个面布置的曝气头为每平方米布置10 15个曝气头，曝气量为0. 02 0. 25m3气/m3水h ；所述第二、三级曝气头和填料布设均与第一级好氧处理池相同。
优选地，所述第一、二级好氧处理池的填料密度相同，第三级好氧处理的填料密度为第一级好氧处理池的1/2 1。优选地，所述生物活化剂每天的投入量M根据经验公式M = (31 28 2. 0) XCOD计算得出，所述投入量M的单位为g/m3。优选地，所述生物活化剂包括下述质量百分比含量的组分酶制剂75 80%，微量元素10%，氨基酸和多糖10 15%，其中氨基酸与多糖的质量比为1 2 3 4。优选地，所述酶制剂由下述质量百分比含量的组分组成蛋白酶40 50%，脂肪酶40%，纤维素酶10 20% ；所述微量元素为铜、锌、锰、钴、钼中的一种或任意几种的混合；微量元素是微生物生长的必要物质，补充的是水体中所缺少的元素，这些元素大都作为氨基酸、核酸的组成成分和酶活性的激活剂；所述氨基酸和多糖来源于食品废料，所述氨基酸为谷氨酸、苯丙氮酸中的一种或两种的混合；所述多糖为乳糖、蔗糖中的一种或两种的混合。该生物活化剂的作用为使水体中的微生物能高于正常速度迅速繁殖生长。优选地，所述入水口和出水口采用交错设计，延长流程。所述水体为污水厂出水或天然水体，主要的PPCPs分别为激素类(E1+E2、EE2、抗雄激素(Antiandrogen))、消炎药(IBP、萘普生(NPX))、麝香类(HHCB、AHTN、ADBI)、抗抑郁药(百忧解(FLX))和抗生素类(罗红霉素(ROX)、红霉素(ERY))，浓度范围在10 5000ng/ L0本发明在一级好氧处理时在水体中同时创造厌氧、兼氧和好氧环境适应不同呼吸类型的微生物；采用一种不光滑的丝状纤维填料作为微生物的载体，吸附水体中痕量 PPCPs，加上合理曝气，该系统对上述水体中痕量PPCPs的脱除率可达70% 95%。微生物反应在有氧环境和可利用的碳源少的条件下，生物处在内源代谢阶段，无剩余污泥产生。本发明相对于现有技术具有如下的优点及有益效果(1)本发明使用生物活化剂，使处理系统快速启动，该水处理药剂利用食品行业的有机物废料改性制备，价格低廉，安全无毒。且所使用的生物活化剂使水体中的微生物能高于正常速度迅速繁殖生长，达到生物活化的目的，克服传统兼氧生物活性不高的缺点，激发水体中对痕量PPCPs有特异吸收功能的微生物。通过激活水体中的“土著”微生物生长来吸附降解痕量PPCPs。(2)采用曝气渐变的方法合理充氧，使氧的利用率达到最高和同时满足不同处理阶段和特定的微生物生长所需不同的有氧环境，运用费用也因此而下降。三级好氧处理的曝气量分别是，一级二级三级=5 4 3 2 2 1。(3)本发明采用不光滑的丝状纤维填料作为微生物的载体。在填料体内部易于形成具有一定间隔的叠层生物膜，辅以合理的曝气设计，创造有氧环境，不存在细菌病原体等污染物及菌藻滋生的可能性。(4)运行费用低，占地面积小。处理含痕量PPCPs的水体，基本运行成本(曝气供氧)为0.02元/吨·天，且本发明的技术设备占地面积小，约10平方米可处理55 300 吨/天的污水量。(5)本发明无剩余污泥产生，操作和维护过程简单，不需建造复杂的设备，易于推广和应用。是切实可行且高效低能的水体修复技术，可用于提高污水厂出水水质和水体生态修复，具有广阔的运用前景。(6)通过本发明的方法所处理含痕量PPCPs的水体，主要的PPCPs如雌激素 (E1+E2、EE2)、抗雄激素、消炎药(IBP、萘普生(NPX))、麝香类(HHCB、AHTN、ADBI)、抗抑郁药 (百忧解(FLX))和抗生素类(罗红霉素(R0X)、红霉素(ERY))，脱除效率可达70% 95%。
图1为本发明生物活化曝气水处理系统的示意图，上图为俯视图，下图为侧视平面图。其中1-进水口、2-沉砂池、3-进水间、4-一级好氧处理池、5-二级好氧处理池、 6-三级好氧处理池、7-出水口、8-曝气头、9-挂膜的填料。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的描述，但发明的实施方式不限于此。实施例1(1)加入生物活化剂在生物活化曝气水处理系统启动的前三天向一级好氧池4中以水中均勻喷洒的方式投加总浓度为28mg/L的生物活化剂，每天一次，正常运行期间不须加入。生物活化剂每天投入量(M)根据经验公式M = 45-0. 45XCOD(g/m3)计算。本实施例选用的生物活化剂Bio ActivationTM(简称BA，购自佛山市顺德区都围科技环保工程有限公司)是由天然有机物废料加工而成，包括酶制剂、微量元素、氨基酸和多糖，但不含微生物的水处理药剂。酶制剂占总量的80%，其中蛋白酶50%，脂肪酶40%，纤维素酶10%。微量元素占总量的10%，微量元素为铜、锌、锰和钴。氨基酸和多糖占总量的10%，氨基酸与多糖的比例是1 2，氨基酸和多糖来源于食品废料，氨基酸为谷氨酸和苯丙氮酸，多糖为乳糖和蔗糖。 上述含量均为质量百分比含量。(2)曝气渐变的分级好氧处理生物活化曝气水处理系统的分级好氧处理分为如下三级其中三级好氧处理的曝气量为一级二级三级=5 2 1 ；使用的填料为不光滑的丝状纤维，选用直径为 0. 05mm的单个不光滑丝，比表面积约2500m2/m3。Α. 一级好氧处理在一级好氧处理池4中通过微孔曝气头8和用于挂膜的填料9 在空间交替布设。俯视平面的点位布设根据水力流动条件和位置，采用梅花状的平面布局， 即曝气点在中间，填料在周围。进水深度控制在1. 5米，侧视平面的曝气点位在三种不同水深的位置，曝气点位在距水面0. 35米处、好氧处理池中部和距好氧池底部0. 35米处均勻布置，每平方米布置15个曝气头，曝气量约为0. 04m3 (气)/m3(水).h，在水体中同时创造厌氧、兼氧和好氧环境适应不同呼吸类型的微生物；B. 二级好氧处理在二级好氧处理池5中采用与一级好氧处理池相同的设计方法，曝气量为一级的2/5，曝气头数量和填料布设均保持不变；创造兼氧和好氧环境适应不同呼吸类型的微生物。C.三级好氧处理在三级好氧处理池6中采用与一级好氧处理池相同的设计方法，曝气头数量和曝气量均为一级好氧池的1/5，填料密度比一级减少一半；创造好氧环境适应有氧呼吸的微生物；在有氧环境和微生物可利用的碳源少的条件下，生物处在内源代谢阶段，无剩余污泥产生。(3)在水量约为500m3的集水池，每天接纳约10 30m3某河道河水，主要水质数据及PPCPs浓度分别见表2和表3，水力停留时间为他。及2t-施例I U要水质数W1
1-:贤水质数 IX COD(m /L) MM(mg/L) TP(m5i/L) ^mi^ 原^J浓皮36. 91. 820. 78150006. 7处理后浓度5. 30. 210. 0286000.4脱除率(1 )85. 695. 697.442. 794. 0
表3实施例1主要PPCPs试逢芝数据
1-想 m.·、IIIK Ii ΛΙΙΤΝADIiI II.\Κ()\Ι.:Κ、.抗雄激桌Il I 21.1.2Ilil1 Μ>\原有浓度 (ng/L) 处理后浓度(ng/L)n. d η. d153 η. d394028351356η. d η. d18712364 η. dη. d η. d37 η. d262341393η. d η. d249331 η. d脱除率 (%)η. d η. d75. 8 η. d93. 48871. 0η. d η. d86. 786 η. d水流动利用重力作用自然从进水口 1流入按上述步骤处理好的生物活化曝气水处理系统的沉砂池2，水流速度为0. lm/s，经沉砂池停留120分钟。通过进水间进入按上述步骤处理好的生物活化曝气水处理系统中进行处理，通过入水口与出水口的交错设计，延长流程，在曝气池的停留时间约为4. 5小时。系统的曝气每天运行18小时，实现间歇曝气， 每间隔曝气2小时，停止2. 5小时，电源开头采用预设时间，无须人工操作。运行费用约0. 25 0. 5元/天，处理后的主要水质数据及PPCPs浓度分别见表2 和表3。实施例1的试验结果表明该方法适用于处理河道水体中痕量的PPCPs。实施例2(1)加入生物活化剂在生物活化曝气水处理系统启动的前三天向一级好氧池4中以水中均勻喷洒的方式投加总浓度为2aiig/L的生物活化剂，每天一次，正常运行期间不须加入。生物活化剂每天投入量(M)根据经验公式M = M-0. 6XCOD(g/m3)计算。所述生物活化剂(购自佛山市顺德区都围科技环保工程有限公司)由酶制剂、微量元素、氨基酸和多糖组成。酶制剂占总量的75%，其中蛋白酶50%，脂肪酶40%，纤维素酶10%。微量元素占总量的10%，微量元素为铜、锌、锰和钴。氨基酸和多糖占总量的15%氨基酸与多糖的比例是2 3，氨基酸和多糖来源于食品废料，氨基酸为谷氨酸和苯丙氮酸，多糖为乳糖和蔗糖。上述含量均为质量百分比含量。(2)曝气渐变的分级好氧处理生物活化曝气水处理系统的分级好氧处理分为如下三级其中三级好氧处理的曝气量为一级二级三级=4:3:2 ；使用的填料为不光滑的丝状纤维，选用直径为 0. Olmm的单个不光滑丝，比表面积约5000m2/m3。
A. 一级好氧处理在一级好氧处理池4中通过微孔曝气头8和用于挂膜的填料 9在空间交替布设。俯视平面的点位布设根据水力流动条件和位置，采用棋盘状的平面布局，即曝气点和填料在同一直线。进水深度控制在1. 6米，曝气点位在距水面0. 4m处、好氧处理池中部和距好氧池底部0. 4m处均勻布置，每平方米布置12个曝气头，曝气量约为 0. 14m3(气)/m3(水).h，在水体中同时创造厌氧、兼氧和好氧环境适应不同呼吸类型的微生物；B. 二级好氧处理在二级好氧处理池5中采用与一级好氧处理池相同的设计方法创造兼氧和好氧环境适应不同呼吸类型的微生物。曝气量为一级的3/4，曝气头数量和填料布设均保持不变；C.三级好氧处理在三级好氧处理池6中采用与一级好氧处理池相同的设计方法创造好氧环境适应有氧呼吸的微生物，曝气头数量和曝气量均为一级好氧池的2/4，填料密度与一级好氧池相同；在有氧环境和微生物可利用的碳源少的条件下，生物处在内源代谢阶段，无剩余污泥产生。(3)在水量约为500m3的集水池，每天接纳约10 30m3的某污水处理厂出水，主要水质数据及PPCPs浓度分别见表4和表5，水力停留时间为。表4实施例2主要水质数据
权利要求
1.一种生物活化曝气工艺处理水体中痕量PPCPs的方法，其特征在于，具体包括下述步骤(1)加入生物活化剂在生物活化曝气好氧处理前3 5天，每天向一级好氧池中投加总浓度为10 SOmg/ L的生物活化剂；(2)曝气渐变的分级好氧处理将含痕量PPCPs的水体进行三级好氧处理，曝气量为第一级第二级第三级=5 4 3 2 2 1 ；进水速度0. Olm/s 0. lm/s,曝气运行10 20小时；所述第一级好氧处理在第一级好氧处理池中通过微孔曝气头和挂膜的填料均勻布设创造厌氧、兼氧和好氧环境；所述第二级好氧处理在第二级好氧处理池中通过微孔曝气头和挂膜的填料均勻布设创造兼氧和好氧环境；所述第三级好氧处理在第三级好氧处理池中通过微孔曝气头和挂膜的填料均勻布设创造好氧环境；所述填料均为不光滑的丝状纤维，单个不光滑丝直径0. 01 1mm，比表面积达500 5000m2/m3。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤O)中所述第一级好氧处理的曝气头和填料的布设在空间上均勻交替，包括俯视平面和侧视平面的点位布设；进水深度控制在1. 2 1. 8m，所述俯视平面的点位布设当水速< 0. lm/s时，采用曝气点在中间、填料在周围的梅花状平面布局，水速> 0. 2m/s时，采用曝气点和填料在同一平面上的棋盘状布局；当水速大于0. lm/s并小于0. 2m/s时是上述两种布局的任意一种或是两种布局交叉使用；所述侧视平面的曝气点位均勻布置在如下三个位置a.距水面0. 3米 0. 5米位置处， b.好氧池中部，c.距好氧池底部0.3米 0.5米位置处均勻布置；所述俯视平面和侧视平面每个面布置的曝气头为每平方米布置10 15个曝气头，曝气量为0. 02 0. 25m3气/m3水h ；所述第二、三级曝气头和填料布设均与第一级好氧处理池相同。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一、二级好氧处理池的填料密度相同，第三级好氧处理的填料密度为第一级好氧处理池的1/2 1。
4.根据权利要求1或2或3所述的方法，其特征在于，所述生物活化剂每天的投入量M 根据经验公式M = (31 M)-(0. 28 2. 0) XCOD计算得出，所述投入量M的单位为g/m3。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述生物活化剂包括下述质量百分比含量的组分酶制剂75 80%，微量元素10%，氨基酸和多糖10 15%，其中氨基酸与多糖的质量比为1 2 3 4。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述酶制剂由下述质量百分比含量的组分组成蛋白酶40 50%，脂肪酶40%，纤维素酶10 20% ；所述微量元素为铜、锌、锰、钴、钼中的一种或任意几种的混合；所述氨基酸为谷氨酸、苯丙氮酸中的一种或两种的混合；所述多糖为乳糖、蔗糖中的一种或两种的混合。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述入水口和出水口采用交错设计，延长流程。
全文摘要
本发明提供了一种生物活化曝气工艺处理水体中痕量PPCPs的方法，具体包括下述步骤(1)在生物活化曝气好氧处理前3～5天，每天向一级好氧池中投加总浓度为10～80mg/L的生物活化剂；(2)将含痕量PPCPs的水体进行三级好氧处理，曝气量为第一级∶第二级∶第三级＝5～4∶3～2∶2～1；进水速度0.01m/s～0.1m/s，曝气运行10～20小时；使用该方法处理运行费用低，占地面积小，无剩余污泥产生，操作和维护过程简单，不需建造复杂的设备，易于推广和应用。通过本发明的方法所处理含痕量PPCPs的水体，脱除效率可达70％～95％。
文档编号C02F3/32GK102424501SQ20111032147
公开日2012年4月25日 申请日期2011年10月20日 优先权日2011年10月20日
发明者崔彬, 张永清, 张锐坚, 许辅乾, 黄少斌 申请人:华南理工大学