家用间歇慢滤池去除饮用水中DEHP的效能

董政超，曹相生，孟雪征

(北京工业大学建工学院 水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室，北京 100124)



家用间歇慢滤池去除饮用水中DEHP的效能

董政超，曹相生，孟雪征

(北京工业大学建工学院 水质科学与水环境恢复工程北京市重点实验室，北京 100124)

摘要：探究了家用间歇慢滤池运行过程中停留时间、滤层高度、进水浓度、暂停时间等因素对于去除饮用水中的邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)效能的影响，并优化工艺条件。实验结果表明，暂停时间对于DEHP的去除效果无明显影响，当DEHP进水浓度为80 μg/L左右时，在三种暂停时间(6.3 h、10.3 h、22.3 h)工况下，平均出水浓度为3.2～5.4 μg/L，平均去除率在93.4%～95.6%之间，但暂停时间过短会影响过滤周期。DEHP的去除率不随停留时间有明显变化，运行15 min后水质即能达标，15 min后去除率均在86%以上。滤层高度的增加可以提高DEHP的去除率，75%以上的DEHP在20 cm高度的滤料中被去除，总填料高度为60 cm以上时水质可以达标。DEHP出水浓度没有随进水浓度的增加有明显变化，进水浓度从40 μg/L上升到120 μg/L过程中平均去除率从87.3%升至94.4%。DEHP的去除率与温度有关。实验表明，家用新型慢滤池通过物理截留过滤和生物降解共同作用达到了DEHP良好的去除效果。

关键词：家用间歇慢滤池；DEHP去除效果；停留时间；滤层高度；暂停时间

慢滤池因水力负荷低和占地面积大，曾一度被快滤池所取代[1]。据统计世界上约有8.84亿居住在发展中国家的农村、偏远分散社区的人喝不到安全的饮用水[2]。近些年来由于慢滤技术具有制水成本较低、管理简单、出水效果好等诸多优点，作为一种面向农村家庭提供安全饮水末端净水系统已经推广开来[3-4]。传统生物慢滤已被证明对臭和味、浊度、色度、氨氮、有机物、农药、重金属等有较好的去除效果[5]。邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯( di ( 2-ethylhexyl) phthalate，简称DEHP)是一类常用的塑料增塑剂，该类物质伴随塑料制品的生产、使用和废弃过程可不断地释放至环境中,进而污染空气、水、土壤,它们对生物有内分泌干扰效果，也属于干扰内分泌的环境激素类物质[6-8]。DEHP对人类的危害表现在致癌、致畸和免疫抑制性，其中尤以人体生殖功能异常最为引人注目[9-10]。我国多个地区的地表水，包括水源水普遍受到了DEHP的污染。目前水环境中DEHP的去除方法主要有物理吸附[11]、生物降解[12]、高级氧化[13]、吸附与混凝联用[14]。本课题组曾用慢滤池去除污水二级出水中的DEHP，其结果表明慢滤池对于污水中DEHP具有良好的去除性能[15]。对于家用间歇型慢滤池去除饮用水中的DEHP还缺少研究，为此，本文对于家用间歇型慢滤池去除饮用水中的DEHP的性能和机理进行了研究，并为家用型间歇慢滤池提供可靠的技术参数，以解决农村地区地表水中DEHP超标的问题。

1实验装置和方法

1.1实验装置

本研究所用的慢滤池为一个长400 mm，宽300 mm，深1000 mm 的方形滤池。内部滤料为石英砂，石英砂粒径在0.2～0.4 mm之间，滤层深度为600 mm，承托层厚度50 mm，由1～20 mm 的砾石组成。见图1。

图1　家用间歇慢滤池装置示意图

1.2实验用水

本实验原水由人工配制，浊度由高岭土配制，NH3-N由氯化铵配制，CODMn由腐殖酸配制，其他微量元素由少量生活污水补充，不同浓度的DEHP水质添加由甲醇作为助溶剂的DEHP母液(0.016 g/mL)配制，模拟地表Ⅲ类水体，水质指标见表1。

1.3实验过程

家用间歇慢滤池去除DEHP效果实验采用一台设备在实验室从冬季开始运行至夏季结束，控制蠕动泵转速，保持慢滤进水量的稳定，将慢滤滤速

长期稳定在0.1 m/h，每批次处理20 L模拟原水，20 L进水处理需运行100 min。各工况参数如表2。常规取样统一取不同工况下第90 min，距表层60 cm滤层高度的出水管出水。分析不同停留时间对DEHP的去除效果时则统一取不同工况下挂膜成功、去除率稳定时(15 min、30 min、45 min、60 min、75 min.、90 min)出水。分析不同滤层高度对DEHP的去除效果时则取不同工况下挂膜成功、去除率稳定时距表层滤料(0 cm、20 cm、40 cm、60 cm)处出水。慢滤池采取间歇运行的运行方式，在暂停时间为10.3 h条件下间歇运行，处理三种DEHP浓度工况下(40 μg/L(1#)、80 μg/L(2#)、120 μg/L(3#))的进水，运行至慢滤池处理效果稳定视为一工况结束，三个工况下分析不同进水浓度下慢滤池对DEHP处理效果的比较，每个工况结束之后对距表层20 cm深的滤料进行清洗后再开始下一工况。将DEHP进水浓度控制在80 μg/L条件下，间歇暂停时间分别在6.3 h(4#)、10.3 h(2#)、22.3 h (5#)(每天运行三次、两次、一次)运行至慢滤池处理效果稳定视为一工况结束，分析暂停时间对于处理DEHP效果的影响。在每个工况下均对慢滤池DEHP进出水浓度及处理效果进行分析，考察因素包括滤层高度、停留时间、温度等，以优化处理条件。

表1　实验原水的水质指标

表2　五个工况运行参数

注：实验过程中每次配比的DEHP进水浓度在误差允许的范围内。

1.4分析方法

实验用水的常规水质指标检测方法具体参考《水和废水检测分析方法》[16]，浊度采用SZD-1型散光浊度仪测定，DO、温度和pH值用WTW 手持多参数测试仪测定，进出水中的DEHP的测定采用固相萃取+高效液相色谱的分析方法，其操作方法和所用仪器与曹生相[17]等人基本相同。表层生物膜上的DEHP采用超声萃取的方法[18]。

2结果和讨论

2.1停留时间对DEHP去除效果的影响

五种工况下停留时间对DEHP的去除效果比较见图2。

图2　五种工况下停留时间对于DEHP的去除效果比较

图2中表明，工况1#、2#、3#代表DEHP进水浓度分别在40 μg/L、80 μg/L、120 μg/L三个梯度范围下反应器运行过程中DEHP去除率随停留时间的变化情况，工况4#、2#、5#代表暂停时间分别为6.3 h、10.3 h、22.3 h条件下DEHP去除率随停留时间的变化情况。由图2可知，反应器在工况1—5#下运行过程中去除率在15～90 min无明显差异，工况5#从第15～90 min去除率始终保持在100%。家用间歇慢滤池进水过程是一个变水头过滤的过程，王涛[19]提出上水层对COD、浊度、色度产生影响，分析可知每次反应器运行时间100 min，时间较短，每15 min的进水停留时间相对相差不大，反应器在0 min时上水层高度在3 cm左右，反应器在第90 min是上水层高度在5 cm左右，上水层变化并不明显，所以对于用户来说，家用间歇慢滤池运行至15 min以后水质即可达标，对于DEHP的去除可以达到即启即用的效果。

2.2滤层高度对DEHP的去除效果影响

五种工况下不同滤层高度对DEHP的去除效果比较见图3。

图3　五种工况下停留时间对于DEHP的去除效果比较

图3表明，工况1#、2#、3#代表进水DEHP浓度分别在40 μg/L、80 μg/L、120 μg/L三个梯度范围下反应器运行过程中DEHP去除率随滤层高度的变化情况，工况4#、2#、5#代表三种暂停时间分别为6.3 h、10.3 h、22.3 h下DEHP去除率随滤层高度的变化情况。数据表明，75%以上的DEHP在距离表层20 cm的滤料高度去除，在距离表层60 cm的滤料高度下DEHP去除率可达91%以上，最高可达100%，表层滤膜对DEHP的去除率在20%～35%。随着滤层高度的增加DEHP的去除率呈增加趋势，有相关研究表明，慢滤池滤层表面的粘性滤膜起到类似初沉池的作用，慢滤池中部起到类似曝气池的作用，下部起到类似二沉池的作用[20]。由于滤池中微生物主要聚集滤料表层2 cm厚度内[21]，表层滤膜主要起到生物降解和吸附过滤DEHP的作用，中下部滤料主要起到物理截留作用，随着滤层高度的增加，滤床截留作用就越强，去除效果越好，60 cm高度的滤床才能保证出水水质，达到DEHP浓度均小于8 μg/L，符合《生活饮用水标准》(GB5749-2006)。

2.3进水浓度对DEHP的去除效果影响

三种进水浓度对DEHP的去除效果比较见图4。

图4表明，DEHP在三种浓度梯度(40 μg/L、80 μg/L、120 μg/L)下随着进水DEHP浓度的增加，DEHP出水浓度并没有随进水浓度的增加有明显变化，平均去除率从工况1#的87.3%到工况3#的94.4%，DEHP去除率有所上升，反应器运行稳定后，DEHP出水浓度均小于8 μg/L，符合《生活饮用水标准》(GB5749-2006)。

图4　三种进水浓度对DEHP的去除效果比较

2.4暂停时间对DEHP的去除效果影响

不同暂停时间时间对于DEHP的去除效果比较见图5。

图5　三种暂停时间对于DEHP的去除效果比较

图5表明，反应器在三种工况(4#6.3 h、2#10.3 h、5#22.3 h)下运行，对于DEHP均有良好的去除效果，平均出水浓度为3.2～5.4 μg/L，去除率均在88.5%以上，去除率最高可达100%，平均去除率在93.4%～95.6%之间。随着运行时间的延长，三种工况下反应器对于DEHP的去除率均稳定在91%以上，去除率趋势呈先上升后平稳态势，稳定后出水DEHP浓度均小于8 μg/L,符合《生活饮用水标准》(GB5749-2006)。工况4#中由于反应器每天进水三次，水温在20℃左右，实验配水中含腐殖酸等成分，腐殖酸是大分子物质相当于PCOD(颗粒COD)被表层砂面截留，加速颗粒吸附在滤料表面，以加快生物膜的形成[22]，使表层滤料结构致密，间隙减小，增强了表层滤料的吸附拦截能力，导致滤膜成熟期较工况2#、5#短，第7 d左右挂膜成功，加快滤膜成熟的的同时也加快了表层滤料的阻塞，缩短了过滤成熟期。上面提到暂停时间的缩短有利于滤膜的快速成熟，工况2#的暂停时间短于工况5#，工况2#表层滤膜成熟期本应短于工况5#，但工况2#、5#滤膜成熟期均在第12 d左右，这是因为工况2#在冬季运行，水温在13～15℃，工况5#在夏季运行，水温在21～24℃，刘杰[23]提到水温会影响慢滤池中微生物活性，进而影响挂膜时间，可知温度对于DEHP的去除效果有影响，温度影响主要体现被生物降解的这部分DEHP，综合以上两点考虑可以理解为什么反应器滤膜在工况2#、5#均在第12 d左右成熟，工况4#和工况5#温度相近，滤膜成熟期不同，同时也再次证明了暂停时间影响反应器的挂膜所需时间。以上分析可知，不同暂停时间对于DEHP的去除效果影响并不大，暂停时间主要影响体现在家用间歇慢滤池生物膜成熟时间。

2.5家用间歇慢滤池去除DEHP的途径分析

DEHP作为一种难降解、难溶于水的环境激素，会被水中的颗粒物质所吸附[24]，同时也会被生物降解[25]，家用慢滤池对其去除主要依靠表层的生物粘性滤膜(schmutzdecke)进行生物降解和中下部滤床进行物理截留，由图3可知，表层滤料去除掉的DEHP约占总进水DEHP的35%左右。为了验证慢滤池对于DEHP的去除途径，采用物料守恒的方法，对表层生物滤膜进行分析，在慢滤池进水浓度为80 μg/L下，对一个过滤工况的开始及结束时刻测定了表层滤料内的DEHP浓度。物料守恒公式：物理截留的DEHP=表层滤料累积DEHP-表层滤料原有DEHP；生物降解的DEHP=表层滤料去除的DEHP-物理截留的DEHP。结果发现表层滤料内DEHP浓度从开始时2.15 μg/g，到结束时浓度增加至4.0 μg/g，这一工况表层滤料通过物理截留累积的DEHP总量占表层滤料去除DEHP总量的29.6%，根据物料守恒算出表层滤料去除的DEHP中被生物降解的部分占表层去除的70.4%，显然，家用新型慢滤池通过物理截留过滤和生物降解共同作用达到了DEHP良好的去除效果。物料衡算结果见表3。

表3　物料衡算试验测定结果

3结论

(1) 家用间歇慢滤池对于地表饮用水中的DEHP有良好的去除效果，暂停时间对于DEHP的去除效果没有显著影响，三种暂停时间(6.3 h、10.3 h、22.3 h)平均出水浓度为3.2～5.4 μg/L，平均去除率在93.4%～95.6%之间，但暂停时间缩短会加快表层滤膜成熟，也会导致过滤周期缩短。水温会影响家用间歇慢滤池对于DEHP的去除效果，20℃为宜。

(2) 家用间歇慢滤池在批次运行过程中均对DEHP的去除有着良好的效果，反应过程中去除率稳定，不随停留时间有明显变化，运行15 min后水质即能达标，去除率在86%以上，最高可达100%，可达到即启即用的效果。

(3) 滤层高度是影响家用间歇慢滤池去除DEHP的关键因素，实验结果表明75%以上的DEHP在距离表层20 cm的滤料高度去除，去除率随着滤层高度增加而升高。在距离表层60 cm的滤料高度下DEHP去除率可达91%以上，总填料为60 cm以上水质可达标。

(4) DEHP出水浓度没有随进水浓度的增加有明显变化，进水浓度从40 μg/L上升到120 μg/L过程中平均去除率从87.3%升至94.4%，反应器稳定后，出水DEHP浓度均小于8 μg/L,符合《生活饮用水标准》(GB5749-2006)。

(5) 根据上述数据分析，家用间歇慢滤池的最佳运行参数条件为：滤速0.1 m/h，水温在20℃左右，填料高度应在60 cm以上，15 min后出水水质即可达标，每天运行不宜超过两次，暂停时间不应低于6.3 h，冬季可适当缩短暂停时间。

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Di ( 2-ethylhexyl) phthalate removal performance of intermittent slow sand filtration for household

DONG Zhengchao，CAO Xiangsheng，MENG Xuezheng

(KeyLaboratoryofBeijingforWaterQualityScienceandWaterEnvironmentRestorationEngineering，CollegeofCivilEngineering，BeijingUniversityofTechnology，Beijing100124，China)

Abstract：To analyze the factors including residence time，bed material height,DEHP in influent and pause time which impact the removal performance of intermittent slow sand filter (ISSF)for Di ( 2-ethylhexyl) phthalate (DEHP)，and work out parameters properly optimal etching.Results showed that the pause time had no significant effect on DEHP removal ,when DEHP in influent of ISSF was 80 μg/L with three-block pause time(6.3 h、10.3 h、22.3 h)，DEHP in effluent was declined to 3.2～5.4 μg/L on average and DEHP removal efficiency was between 93.4%～95.6%，but too short pause time impacted the filtration duration.Batch residence time had no significant effect on DEHP removal，effluent water quality reached the standard at 15 min and after that DEHP removal efficiency was above 86% on average.The DEHP removal efficiency raised with increased bed material height，more than 75% of the DEHP removal occurred in the initial 20 cm filter bed，bed material height at 60 cm was reasonable.DEHP removal efficiency was increased 87.3% to 94.4% with the increased DEHP in influent from 40 μg/L to 120 μg/L.DEHP removal efficiency was related to temperature.The excellent performances of the ISSF for DEHP removal from surface water were contributed by physisorption adsorption，filtration and bio-degradation in the bed of the slow sand filter．

Key words：ISSF；DEHP removal effect；recidence time；filter layer height；pause time

基金项目：国家自然基金项目(51178006)；北京市属高等学校高层次人才引进与培养计划项目(CIT&TCD201304055)

作者简介：董政超(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为给水处理。E-mail：502718540@qq.com通讯作者：曹相生(1973-)，男，副教授，主要从事水处理研究。E-mail：caxish@163.com

中图分类号：X703

文献标志码：A

文章编号：2096-0506(2015)02-0005-06