采用中试规模生物床降解制剂厂农药污染废水

原文作者：Maia Lescano , Nerina Fussoni , Eduardo Vidal ,Cristina Zalaz

摘要：建立了一种中试生物反应器，用于处理某制剂厂排放的农药污染废水。在预处理后的废水中添加额外的农药，以模拟更高污染的场景:添加草甘膦、阿特拉津、吡虫啉、扑草净和多菌灵，使最终的总有机碳(TOC)浓度达到70 mg/L。将土壤和谷子茬的生物混合物(50:50% v v^minus;1)装入中型散货容器(IBC)，并将200L废水添加到系统回收槽中。向IBC再循环12小时。之后(第0天)，在试验期间打开再循环，仅维持水分180天。定期采集生物混合物和废水样品，分析两种基质中的农药和植物毒性。此外，还测定了生物混合物的水解活性和酚氧化酶活性、细菌总数、酵母和真菌群落。

设计的中试规模的生物床可以处理高浓度农药废水，在180天内，草甘膦、AMPA、莠去津、多菌灵和扑草灵完全去除。对难降解的吡虫啉的降解率达到60%，且该生物混合物具有足够的生物活性，可继续处理其他废水。在生物混合液和废水中，萌发试验的根系伸长指数在第180天均表现为低毒。

小米茬产生了一个适当的木质纤维素材料，用于生物床处理各种农药。种子萌发试验的应用被证明是一个低成本和简单的工具来确定过程的终点。

关键词：流化床;中试规模;农药;废水;危害植物的毒性

重点：

一个实验性的生物反应器处理农药配方厂的废水发送。

对莠去津、多菌灵、扑草净、草甘膦和（AMPA）氨甲基膦酸的总去除率进行了测定。

结果表明，该催化剂具有较好的降解率。

发芽试验结果表明，根伸长指数为低毒。

生物混合液表现出足够的生物活性，可处理额外的废水。

抽象图形：

一、介绍

水污染是一项涉及发达国家和发展中国家的重大挑战。《2030年可持续发展议程》认识到水质的重要性，并在可持续发展目标6中纳入了具体的水质目标:确保人人享有水和卫生设施并进行可持续管理(联合国，2019年)。《2030年可持续发展议程》预计将对今后的政策和战略产生重大影响，并确保水污染控制成为国际和国家优先事项之一。

人口中心、工业和农业是水污染的主要来源。在世界上，80%未经处理的城市废水被排放到水体中，该行业每年要向水体中倾倒数百万吨的重金属、溶剂、有毒污泥和其他废物。因此，水生生态系统、人类健康和生产活动面临严重风险(Mateo-Sagasta等人，2017)。

农药构成最重要的一类环境污染物。其中许多被列为自然水资源的优先污染物(欧盟，2016)。一旦进入环境，这些化合物及其代谢物可以在食物链和微生物中产生显著的改变 (Carter, 2000)。即使低剂量，农药也可能具有高度毒性和致癌性(Misra等人，2013年)。农药对地表水和地下水系统的污染主要有面源和点源两种。后者是水污染的主要诱因，并在实施不良的农业实践过程中发生。在发展中国家，农药使用增长速度快，对用途广泛农药的依赖，薄弱的体制框架、薄弱的法规执行和有限的知识的优势和农民对使用危险化学品的认识对人类安全和可持续地管理农药构成巨大挑战。

为了最大限度地减少害虫对自然水资源的污染，有必要开发绿色技术来保护环境和人类健康。

生物处理系统(比如流化井或容器充满了生物活性混合物(通常称为biomixture)组成的土壤,木质纤维原料和腐殖质有机材料以不同比例混合，他们的目标是治疗点污染源(Castillo等人, 2008)。这种生物混合物的特点是微生物活性高，可以在高浓度下降解农药及其代谢物(Castillo等人，2008年)。可根据当地有机材料的可用性对生物混合物的组成进行修改，以提高农药的使用能力 (Diez等人，2018;Papazlatani 等人, 2019)。生物床是一种简单而有效的系统，目前主要用于污染防治农场一级的废水净化。然而，其他农业工业活动也产生受高聚醚类杀虫剂污染的废水，很少有研究讨论如何利用生物床处理这类废水。在这个意义上，在最近的一项审查中，强烈建议开展更多涉及利用生物床处理农业工业废水的拉丁美洲研究(Dias等人，2020年)。在世界各地为数不多的几个例子中，如希腊，生物床已成功应用于处理含有高浓度杀菌剂和抗氧化剂的大量废水，这些废水用于水果的保护(Karas等人，2015，2016;Omirou等人，2012)。

阿根廷的农药行业尤其重要，因为该国是世界上最大的农药消费国之一(MateoSagasta 等人，2017)。绝大多数农药配方厂使用批量生产方式生产大量产品;因此，设备和管道必须在产生农药生产废水污染的主要来源的每一批之间进行清洗(Bachmann Pinto等人，2018年)。

上述研究表明，生物床是处理农药制剂厂排放的废水的一种可行的方法。然而，据我们所知，还没有研究着重于使用试验性生物床来处理含有各种不同浓度(从0.2 mg/L到41 mg/L)农药的废水。

此外，为了评价处理质量，生物毒性检测应作为化学毒性检测的补充。莴苣是植物毒性测定的模式种。这类测试的简单、快速和低成本支持它们用于水毒性评估和土壤修复，因此，它们是水和废水毒性估计的官方方法(Huete-Soto等人，2017;OECD等人, 2003)。因此，莴苣可以作为一种很好的工具直接应用于生物混合物和处理过的废水，以及监测生物床降解农药的效率。

本研究的主要目的是:1.评价用于处理制剂厂排放的农药污染废水的中试生物反应器的降解性能2.利用莴苣种子监测生物混合物的解毒作用。

二、材料和方法

2.1农药

商业配方的阿特拉津(Maizal 50%(v/v))，草甘膦(Credit-Nufarm 60%(v/v));吡虫啉60%(gauchoo - bayer 60%(v/v));扑草净(Prometeo Elite- Red Surcos 18.5%(v/v))和多菌灵，(Flok-Red Surcos 50%(w/v))用于工业废水的处理。本研究所用农药的主要理化性质见表1。

2.2工业废水

本研究中使用的废水来自阿根廷圣达菲市附近农村地区的一家工业(农药配方厂)。原废水是由不同的水流(操作员服装的洗涤水、实验室废水和污水)组合而成，通过厌氧和好氧工艺进行预处理。经过预处理的废水的特性如表2所示。

在预处理废水中添加了额外的农药，以模拟更高污染的情景。添加草甘膦、阿特拉津、吡虫啉、扑草净和多菌灵等农药，最终TOC浓度为70 mg/L。例如，如果在实验室中发生浓缩农药的意外泄漏，或者如果预处理失败，就可以达到这一条件。在这些情况下，杀虫剂的浓度可以增加一到两个数量级，所设计的生物床应该能够有效地处理高浓度污染的废水。添加了农药的预处理废水中最终的杀虫剂的浓度见表3。

2.3在试点生物床中使用的生物混合物

采用土壤与谷子茬50:50% v/v的生物混合体系，建立了中试生物床。土壤和谷子茬采自阿根廷圣达菲省北部(南纬29°42′59”，西经60°5′35”)，连续耕作25年以上。土壤理化特征见表4。根据其分类学，其土壤类型为水生土。

以谷子残茬为原料，研究了谷子残茬的木质纤维素特性。它是最古老的栽培谷物之一，通常是由其谷物生长而成，并作为饲料植物。收获后留下的留茬为后续作物的留茬播种提供了优质的冬季土壤覆盖和保护性苗床(Heuzeacute; 等人，2020)。这种材料含有丰富的粗纤维，可以选择微生物，如白腐菌用于木质素和农药等材料的降解(Castillo等人，2008)。

将小米留茬切成约10cm的小块，其主要理化性质见表5。土壤和谷子茬在水泥搅拌机里混合。

表1

本研究所用农药的主要理化性质。

a.数据来自PPDB:农药特性数据库，http://sitem.herts.ac.uk/aeru/ppdb/en/index.htm。

b.在水中20°C的溶解度

C.Gao等人（2015）

d.Ni等人（2002）

e.在土壤中降解50%的时间(需氧)-典型。

表2

预处理废水的表征

lt;LD:次要至检测级，2㎍/l

表3

在预先处理的废水中添加额外的农药和在生物混合物中的农药浓度。

表4

土壤理化特征。