当前世界环境

介绍

环境工程和新能源技术是研究的前沿^{1 - 4}作为实现可持续发展和更清洁环境的关键战略的一部分。废水处理是可再生能源和环境工程领域的主要问题之一。在沙特阿拉伯半岛等干旱地区，20%的废水用于灌溉目的，监测污水处理厂的运行以及引入水处理和消毒的新方法尤为重要。

这项研究的重点是位于利雅得郊区的一个主要市政处理厂，即南三级污水处理厂，目的是评估其去除微量元素的效率，比较原始进水和最终流出物之间的平均浓度值，并对最终流出物是否适合灌溉进行质量评估，与环境保护署(EPA)的建议值进行比较。⁵世界卫生组织(WHO)。⁶特别要考虑的微量元素有:铝(Al)、磷(P)、锌(Zn)、铬(Cr)、铜(Cu)、钴(Co)、锰(Mn)、钼(Mo)、铅(Pb)、硒(Se)、铀(U)、汞(Hg)、砷(As)和镉(Cd)。

一般来说，微量元素在水圈中以不同的浓度存在，其中许多对生物体的许多代谢和生理过程是必不可少的。⁷它们是体内酶、激素和细胞的组成部分，摄入不足会导致营养缺乏的症状。然而高浓度，尤指污染的结果^{8 - 11}会对人类和生态系统造成严重影响。

在沙特阿拉伯等干旱地区^12、13中国有2800万人口，对可靠、清洁的水资源的需求非常重要。目前，农业在所有灌溉用途中使用了高达55%的来自含水层的地下水、淡化水以及20%经过处理的城市废水。^{14 - 16}

我们的研究评估了沙特阿拉伯利雅得南三级污水处理厂的最终流出物和微量元素的去除效率，在以下地点收集了复合样品:原始进水(1)和最终出水(2)(氯化后)，如下图1所示。南三厂的主要作业流程也可以回顾:

图1:利雅得南三级工厂的流程图-包括C2和C3工厂的区别(总产能= 200,000m)3./天) 点击此处查看图

南污水处理厂分两期建设，分为C2和C3两个厂。尽管两个工厂的处理阶段相似，但设计能力不同，C2处理8万立方米^3./天的城市废物，而C3处理12万立方米^3./天。¹⁷特别是植物的生物处理是基于随机塑料介质包装的滴流过滤器。从二级澄清池流出的污水被转移到充气泻湖，然后通过砂过滤器进入消毒处理，这是通过使用氯来实现的。氯化池的尺寸为8000m^3.(每日总进气量:200,000 m^3.)和氯化池内氯的平均浓度:从0.1 PPM到0.2 PPM。在这一阶段之后，水被引导到农业部和水的再利用。另一方面，产生的污泥被浓缩、消化和脱水，然后由肥料公司利用或运往垃圾填埋场。¹⁸

一般来说，在评估微量元素的存在时，我们注意到某些矿物质对人体健康至关重要，^19、20例如Zn、Se、Cu、Mo、Cr和Mn。然而，在摄入所需水平和可能损害人体健康的过量浓度之间需要保持平衡。在Zn的例子中²¹尽管低剂量会导致皮肤改变、生长迟缓和免疫紊乱，但过量摄入会导致中毒。这种毒性在镉、铬和钼的情况下可能更为明显，即使浓度很低，它们也可能对人体健康有害。²²

因此，对工厂进行持续评估并密切监测最终流出物，特别是用于灌溉目的的流出物²³对人类健康至关重要，并立即建议采取补救措施。为此，我们的研究采用ICP-MS，因为它是一种快速，多元素技术，具有高精度的检测能力。

材料与方法

在这个框架内，使用500毫升琥珀色玻璃瓶从2015年5月至2015年6月期间从南方废水处理厂收集了40(40)个废水24小时复合样品。然后使用冷却盒(以避免降解)将每个样品携带到分析实验室，并根据美国公共卫生协会(APHA)提出的标准方法在4°C下保存。²⁴直到进行了分析。首先，对所有样品测定以下参数:PH、悬浮固体(SS)、总固体(TS)、生化需氧量(BOD)₅)和化学需氧量(COD)，而平均电导率(EC)和浊度仅适用于最终流出物。

ICP-MS仪器

采用NexION 300d (Perkin Elmer, USA) ICP-MS分析测定微量元素Al、P、Zn、Cu、Mn、Cr、Pb、Mo、Se、Co、U、Hg、Cd、As。该系统包括一个超声波雾化器(Cetec U 5000 AT)，可将检测限提高50倍，并提高了微量元素测定水平的可重复性。分析分三次进行，每次取平均值。Perkin Elmer Pe-Pure光谱等级标准用于ICP校准。通过对空白、标准品和所有样品的重复分析，获得了较高的精密度。实验重复，准确度为95% ~ 105%，精密度为+/-5%。

分析与结果

PH、悬浮固体(SS)、总固体(TS)、生化需氧量(BOD)的平均值₅)和化学需氧量(COD)见表1，而最终出水的平均电导率(EC)和浊度分别为1372 μS/cm和9.3 NTU。

表1:PH、悬浮固体(SS)、总固体(TS)、生化需氧量的平均值
(BOD₅)和化学需氧量(COD)的所有样本之间的原始流入和最终流出

对原始进水的ICP-MS结果的进一步分析显示，下列微量元素的平均浓度升高:铝(Al)、磷(P)、铅(Pb)、铜(Cu)和锰(Mn)(表2)，而锌(Zn)、铬(Cr)、钼(Mo)、硒(Se)、钴(Co)、铀(U)、汞(Hg)、砷(As)和镉(Cd)的水平在(世卫组织)和(环保署)的最大推荐值之内，如下表3所示:

表2:原液中检测到的平均微量元素浓度。

表3:各元素的最大推荐值:Al, P, Zn, Cu, Mn, Cr, Pb, Mo, Se, Co, U, Hg, Cd，根据EPA和WHO

下面的图2显示了未经处理的废水中发现的浓度水平与(EPA)和(WHO)对PPB的最大推荐值的比较。我们注意到，考虑到污染源是城市垃圾，尽管铝、磷、铅、铅和锰的浓度过高，但所有其他元素仍低于(EPA)和(WHO)的建议。

图2:原始进水中存在的平均微量元素浓度:Al、P、Zn、Cu、Mn、Cr、Pb、Mo、Se、Co、U、Hg、Cd、As与(EPA)和(WHO)规定的每种元素在对数尺度上的最大允许值的比较。 点击此处查看图

处理后，在最终流出物中检测到的所有元素浓度都显著降低。其平均浓度如表4所示。下图:

表4:两个采样点:原始进水和最终出水中检测到的微量元素的平均浓度。下面的E值移动

图3:原始进水中存在的平均微量元素浓度:Al、P、Zn、Cu、Mn、Cr、Pb、Mo、Se、Co、U、Hg、Cd、As与(EPA)和(WHO)规定的每种元素在对数尺度上的最大允许值的比较。 点击此处查看图

我们注意到，Al、U、Zn和Cr等元素从最终流出物中去除的效率超过98%，而Se和as等其他元素则表现出最持久的效果，去除率低于60%，见表5。下图:

表5微量元素:Al、P、Zn、Cu、Mn、Cr、Pb、Mo、Se、Co、U、Hg、Cd、As的去除率。下面的E值移动

由于铝是地壳中最丰富的物质，经常与硅、氧和氟等元素结合在一起，因此最初的原始流入物中铝(Al)含量升高被认为是常见的。²⁵其在最终流出物中的去除率达到99.9%，最终平均浓度远低于(EPA)和(WHO)建议的最大浓度。铝对人类没有直接的健康威胁，但通过食物、水和土壤长期积累的铝水平会影响神经系统，降低肾功能并导致肌肉无力。

锰(Mn)也被检测到浓度升高，这是一种元素，与铁(Fe)一起在该地区的岩层中升高，这在之前对该地区地下水资源进行的分析中很明显。²⁶它通常赋予水一种强烈的金属味，在水生环境中引起黑色染色和增加细菌的生长。^{27日、28日}虽然它不是剧毒，但它会降低身体吸收铁的能力，并在长期接触后引起震颤和肌肉僵硬。

磷(P)也被检测到浓度升高，也可能是一种剧毒微量元素。^29、30特别是通过水或土壤长期接触后，它最初会引起胃肠道问题，并可能导致肾功能、肝脏、中枢神经系统崩溃，同时对心血管功能有害。在我们的研究中，我们注意到，由于在化肥工业中使用的磷酸和磷酸盐的生产中使用磷，或者由于它在杀鼠剂、电致发光涂料、半导体和化学品中的使用，原始流入物的含量大幅增加。在最终流出物中，去除率高达86.6%，低于EPA和WHO规定的用于灌溉目的的最大推荐值。

其他微量元素，如Cu、Co、Cd、Pb和Hg，在最终出水中也显示出大幅减少，去除率超过90%，最终出水达到安全水平。特别是铜(Cu)、铅(Pb)、铬(Cr)和镉(Cd)属于重金属。铜、铅的检测³¹原液中铅含量的升高主要是由于化肥、铅酸电池、油漆和处理过的文字。在最终流出物中，它们被有效地去除，其浓度远低于环境保护局和世界卫生组织的建议值。应当指出的是，与工业化前水平相比，工业化国家水生环境中的铅水平上升了两到三倍，考虑到铅的生物积累可导致铅中毒，这一点非常令人担忧。

最后砷(As)和硒(Se)³²在原液中检测到的值低于EPA和WHO的建议值。去除率最低，去除率最高，分别为60%和35%。

下面的图4显示了最终流出物与EPA和WHO提出的最大推荐值之间的比较。考虑到最终流出物的超过值远低于允许的最大浓度，这代表了朝向Al-Dirayia、Wadi Hanifah和Dirab农业用地的健康微量元素水剖面。

图4:最终出水中存在的平均微量元素浓度:Al、P、Zn、Cu、Mn、Cr、Pb、Mo、Se、Co、U、Hg、Cd、As与(EPA)和(WHO)规定的对数尺度下每种元素的最大允许值的比较。 点击此处查看图

结论

我们使用ICP-MS进行微量元素分析，结果表明，最终出水中Al、P、Zn、Cu、Mn、Cr、Pb、Mo、Se、Co、U、Hg、Cd、As的浓度均在灌溉允许范围内。特别是，Al、Zn、Cu、Cr、Pb、Mo、Co、U、Hg和Cd的浓度低于EPA和WHO推荐值的2%，而Mn、Se和As的浓度低于10%，就能在废水中得到显著消除。最后，硒(Se)和砷(As)的去除率最持久，分别降至推荐值的60%和35%。这些发现代表了废水质量评价的重要考虑因素，特别是在这种情况下，它被系统地用于灌溉目的。监测这些来源对于健康目的以及选择适当的处理方法去除微量元素非常重要。

确认

本研究由欧盟(欧洲社会基金)和希腊国家资源在“教育和终身学习”业务计划的“阿基米德III:雅典TEI研究小组资助”项目框架下共同资助

参考文献

1. 李建平，李建平，李建平，等。污水处理技术的研究进展[j] .环境科学进展，2003,19 (4):551 - 551 (2004)
2. Gogate p.r.， Pandit A.B.回顾势在必行的技术废水处理II:混合方法。环境研究进展8 (3):553-597 (2004)
3. 张建军，张建军，张建军，等。污水处理技术的研究进展与展望，环境工程学报，31 (5)，(2012)
4. 李建军，张建军，张建军，等。二氧化钛在废水处理中的应用研究进展，环境科学进展，25(1):37-48 (2013)
5. 卫生组织(世界卫生组织)，《饮用水质量准则》。第四版。世卫组织出版社:世界卫生组织，阿皮亚大道20号，1211日内瓦27，瑞士，(2011年)
6. 美国环境保护署http://www.epa.gov/watersense/ (2015)
7. 沃德N.T.“微量元素，”在环境分析化学，f.w.菲尔德和p.j.海恩斯，编辑。， Blackie Academic and Professional, Chapman and Hall，伦敦，英国(1995)
8. 帕奎因R.，法利K.和桑托尔R.。水生系统中的金属:暴露、生物积累和毒性模型综述，环境毒理学与化学学会，彭萨克拉，佛罗里达州，美国(2003)
9. 《铅中毒与脑细胞功能》，《环境健康展望》，89:91-94 (1990)
10. Mansour S.A.和Sidky M.M.《生态毒理学研究》。重金属污染对水体和鱼类的影响[j] .环境科学与技术，2004 (1):1 - 4 (2002)
11. 吴国强，吴国强，吴国强，吴国强，吴国强，吴国强，吴国强，吴国强，吴国强，吴国强，吴国强，吴国强，吴国强，吴国强，吴国强，吴国强，吴国强，等。
12. Al-Omran。沙特阿拉伯的灌溉节水。农业科学学报，31 (1):1-50 (2002)
13. Al-Jasser A.O. 2011。沙特农业灌溉废水再利用标准:利雅得处理厂出水合规性，沙特国王大学学报-工程科学23(1)：1 - 8 (2011)
14. 阿卜杜拉·阿里，a.i.。沙特阿拉伯利雅得饮用水中的氟化物含量。环境监测与评价，48 (8):261-272 (1997)
15. 阿卜杜勒·马吉德，H.M.沙特阿拉伯AI-Qassim地区饮用水质量评估。环境科学，23(2):247-251 (1997)
16. 阿拉巴马州a.i.。地下水中氡的存在，环境放射性杂志，138:186-191 (2014)
17. 沙特阿拉伯水电部项目部(2006年)
18. 王晓明，王晓明，王晓明，等。城市污水处理中抗血小板药物残留的研究进展，环境科学进展，(2)(2013)
19. Fraga c.g。微量元素对人体健康的相关性、重要性和毒性。医学分子方面26:235-244 (2005)
20. 溶解矿物的来源和意义美国地下水协会。网址:http://www.ngwa.org/Fundamentals/studying/Pages/Dissolved-mineral-sources-and-significance.aspx USA (2010)
21. 锌，美国卫生与公众服务部。网址:http://ods.od.nih.gov/factsheets/Zinc-HealthProfessional/ (2015)
22. Pavlogeorgatos G.D.，Thomaidis n.s.， Nikolaou ad。中试活性污泥污水处理厂甲基汞的测定，环境科学学报，8(1):61-67 (2006)
23. 李建军，李建军，李建军，等。干旱区农田生态环境影响研究进展[j]。j .包围。Stud 22(2):569-575 (2013)
24. APHA水和废水检验标准方法，第19版。美国公共卫生协会，华盛顿特区，美国(1995年)
25. 西奈山医院铝中毒科可在:(2015)
26. 秦德荣，王晓东，王晓东，王晓东，王晓东，等。基于ICP-MS法的黄土高原浅层土壤中微量元素含量分析。中国沙漠，23(8):941- 948 (2015)
27. Blaurock-Busch E.，锰(Mn)的临床效果，微量矿物国际，Boulder, Colorado, USA。可参阅:(2002)
28. 私人供水系统中的铁和锰:宾夕法尼亚州立大学农业科学系。可在:(2015)
29. 磷:危害概述，美国环境保护署(EPA)。可查阅:(2000)
30. Peter F. Strom, Rutgers University, USA可在:(2006)
31. 刘建军，刘建军，刘建军，刘建军，刘建军，刘建军，刘建军，刘建军，刘建军，刘建军，等。土壤中铜、锌、铅的排放特征及其对土壤污染的影响。联邦环境部环境研究:自然保护和核安全:研究报告202 242 20/02 UBA-FB 000824(2005)。
32. 刘国强，刘玉华，王文华，等。含硒废水处理技术的研究进展[j] .中国给水排水，2009 -05。可在:(2015)