菖蒲湿地处理含油废水中微生物与净化效果
Microorganisms and purification efficiency in oily wastewater treatment by calamus wetland
收稿日期: 2019-05-20
Received: 2019-05-20
在不同季节条件下用菖蒲人工湿地处理含油废水,研究湿地微生物数量的变化及COD、TN和石油类等污染物的去除效果。结果表明,菖蒲湿地对污染物的去除效果高于对照湿地。菖蒲湿地中石油类污染物的去除率与季节呈极显著的相关关系;湿地中细菌的数量高于真菌与放线菌,两组湿地的微生物数量均与水温呈极显著性正相关(P < 0.01);两组湿地微生物数量与COD去除率均呈现显著正相关性(P < 0.05);菖蒲湿地的放线菌数量与TN去除率无相关性。
关键词:
The change of microorganism quantity in wetland and the removal effect of pollutants such as COD, TN and petroleum are studied in the process of treating oily wastewater with calamus constructed wetland under different seasonal conditions. The results show that the removal effect of the pollutants in the calamus wetland is higher than that in the control wetland. The removal rate of petroleum pollutants in calamus wetland is significantly correlated with the season. The number of bacteria in the wetland is higher than that of the fungi and actinomycetes, and the microorganism populations in the two groups of wetlands are positively correlated with water temperature(P < 0.01). The number of microorganism and the removal rate of COD in the two groups of wetlands show a significant positive correlation (P < 0.05), and the number of actinomycetes and the removal rate of TN in the calamus wetland is not correlation.
Keywords:
本文引用格式
马玉, 肖昕.
Ma Yu.
含油废水量大且成分复杂,含有油类、脂、腈、胺、有机磷化物、酚、有机酸等,COD、BOD较高,有一定气味和色度,因此难以处理〔1〕。以聚合物驱油为代表的采油技术可以提高石油产量〔2〕,但也会导致油田采出水中存在高浓度的溶解性油和聚合物〔3〕。隔油与旋流气浮柱工艺可有效去除废水中的大部分石油类聚合物,但以乳化态存在的乳化油油滴粒径分布为数微米至数毫米,体系比较稳定,很难将其去除〔4〕。传统处理方法不仅难以完全净化含油废水,且处理成本高。而人工湿地作为一种有效的生态废水处理工艺,具有类似于生态湿地模型的综合降解功能,且方便人为监督控制〔5〕。人工湿地模型还兼有生态修复和营造生态景观等特点,能为现代社会产生良好的环境、经济以及社会效益〔6〕。
1 材料与方法
1.1 废水来源及水质
采用中国矿业大学自主研发的旋流—静态微泡浮选柱对石油采出水进行处理,脱油率高达94%,悬浮物脱除率达到56%。采用此方法可使石油采出水的油降至100 mg/L以内〔10〕,但含油量依然很高,因此选用人工湿地作为废水后续处理方法。采用自配水模拟静态微泡浮选柱出水进行实验。配制方法:将取自中国石化管道二公司研究院的原油用污水处理厂中水湿地模型出水进行稀释,搅拌24 h以上。配制原水水质:含油105.76~228.29 mg/L,COD 412.76~708.27 mg/L,TN 5.22~12.52 mg/L。
1.2 人工湿地装置
人工湿地模型是潜流湿地,均匀布水。池底设有放空管,进水区和集水区均长0.15 m、宽1.0 m,并以穿孔花墙分隔以防短流,出水口高度0.4 m,水力停留时间为24 h。湿地中的基质层从下到上依次铺设0.18 m砾石、0.18 m陶粒、0.18 m沸石和0.18 m蛭石。实验分2个湿地模型,试验植物为菖蒲,另1个湿地模型不种植植物作为对照,植物取自校园人工河,为防止基质在出口区形成堵塞在出水口铺设尼龙网。人工湿地结构见图1。
图1
1.3 样品采集
分别于湿地模型进水与出水口处采集水样。湿地模型于2015年5月开始种植植物,2015年6月~2016年8月运行,其中2015年6月~10月湿地处于稳定试运行阶段。采样时间为2015年11~12月、2016年3~8月,每月中旬上午8:00~11:00用无菌试管采集水样,塞好胶塞保存,采集的水样用锡箔纸包裹,避光放入冰盒低温保存,带回实验室4 ℃下避光保存。测定水样中各指标的变化情况以及微生物数量。
采样时直接在现场测定水样温度,并选择晴朗天气采集水样。
1.4 数据处理
采用Microsoft Excel 2010计算含油废水人工湿地模型对石油类、有机污染物和TN的去除率,采用SPSS 16.0统计分析软件进行数据分析,用Origin 9.0对含油废水人工湿地模型内的污染物去除率以及微生物数量进行绘图。
2 结果与讨论
2.1 人工湿地的污染物变化特征
2.1.1 湿地模型的污染物去除效果
2个湿地模型对污染物的去除效果见图2。
图2
湿地模型运行期间菖蒲湿地和对照湿地的出水含油量分别为(2.76±1.71)、(5.49±1.70)mg/L,2组湿地的石油类出水水质均达到国家二级排放标准要求。菖蒲湿地对石油类去除率的平均值为96.75%,显著高于对照湿地(93.70%)。说明种植菖蒲有效提高了湿地对石油类污染物的处理效率。从图2(b)可知,菖蒲湿地在6月时去除率最大,为99.52%,对照湿地的最大去除率出现在7月,为97.04%;菖蒲湿地模型的最低处理效率出现在12月(93.61%),对照湿地最低处理效率出现在4月,去除率为90.52%。研究表明,对于溶解态的石油类化合物,其去除主要是通过填料截留和微生物的降解作用〔12〕,但植物对石油类的去除能起到显著的促进作用〔13〕。
湿地模型运行期间,菖蒲湿地和对照湿地的出水TN分别为2.84、3.91 mg/L,2组湿地均达到了外排标准要求。其中菖蒲湿地对TN的去除率平均为59.76%,显著高于对照湿地(46.33%)。说明菖蒲的种植有效提高了湿地对TN的处理效率。从图2(c)可知,菖蒲湿地和对照湿地对TN的最大去除率均出现在11月,分别为74.80%、66.00%。菖蒲湿地的最低处理效率出现在3月(49.01%),对照湿地最低处理效率出现在6月,TN去除率为30.63%。氮的去除主要通过微生物的硝化、反硝化作用来实现,由于湿地植物根系周围的微生物环境连续呈现好氧、缺氧及厌氧状态,相当于许多串联或并联的A/A/O处理单元,使得硝化作用及反硝化作用可以在湿地中同时进行,从而实现脱氮的目的〔14〕。
2.1.2 污染物去除率的季节变化
对对照湿地与菖蒲湿地的污染物去除率进行季节差异性分析,见表1。结果表明,实验条件下对照湿地的COD去除率与水温呈显著性正相关(P<0.05),说明水温升高可有效提高对照湿地对COD的去除效果,而菖蒲湿地对COD的去除效果与温度无显著相关性(P>0.05)。
表1 污染物去除率与水温的相关性
项目 | COD去除率 | 石油类去除率 | TN去除率 | |
对照湿地 | 皮尔森相关性 (双尾) | 0.728* | 0.109 | -0.522 |
0.041 | 0.797 | 0.184 | ||
菖蒲湿地 | 皮尔森相关性 (双尾) | 0.596 | 0.894** | -0.264 |
0.119 | 0.003 | 0.527 |
注:*表示在α=0.05显著性水平上相关,**表示在α=0.01显著性水平上相关。
2.2 人工湿地的微生物数量变化特征
2.2.1 湿地模型的微生物数量
随运行时间的延长,人工湿地中的细菌、放线菌、真菌总数整体呈现增长趋势,无论对照湿地还是菖蒲湿地均呈现出细菌数量最多,真菌与放线菌相对较少的特征,其中细菌数量高于其他2种微生物10倍左右,占微生物总量的87.86%(对照湿地)和87.69%(菖蒲湿地)(见表2)。
2.2.2 微生物数量的季节变化
实验期间,菖蒲湿地与对照湿地的微生物数量变化趋势为11、12月份处于最低值,3月开始呈现增长趋势,到7月微生物数量达到峰值,8月略有下降。夏季时(6~8月)菖蒲湿地中细菌与放线菌的数量高于对照湿地,但2组湿地中的真菌数量相差不大。冬季时,细菌、真菌、放线菌在2组湿地中的数量相差不大。2组湿地中的细菌、真菌、放线菌数量均与水温呈极显著性正相关(P<0.01),说明微生物的数量会随季节引起的水温变化而波动。有研究表明:湿地中的微生物必须在一定温度下才能具有活性,而微生物在20~40 ℃时活性最强,代谢速率快,所以夏季微生物数量显著高于冬季〔20〕。
2.3 湿地微生物与污染物去除的相关性
表3 微生物与各理化因子去除率的相关性分析
项目 | 相关性 | 水温 | 石油类 | COD | TN | |
对照湿地 | 细菌 | 皮尔森相关性 (双尾) | 0.947** | 0.071 | 0.784* | 0.774* |
0.000 | 0.867 | 0.021 | 0.024 | |||
真菌 | 皮尔森相关性 (双尾) | 0.960** | 0.093 | 0.827* | 0.838* | |
0.000 | 0.826 | 0.011 | 0.011 | |||
放线菌 | 皮尔森相关性 (双尾) | 0.960** | 0.177 | 0.722* | 0.852* | |
0.000 | 0.676 | 0.043 | 0.012 | |||
菖蒲湿地 | 细菌 | 皮尔森相关性 (双尾) | 0.952** | 0.963** | 0.894** | 0.721* |
0.000 | 0.000 | 0.003 | 0.044 | |||
真菌 | 皮尔森相关性 (双尾) | 0.974** | 0.812* | 0.726* | 0.812* | |
0.000 | 0.014 | 0.041 | 0.014 | |||
放线菌 | 皮尔森相关性 (双尾) | 0.954** | 0.885** | 0.766** | 0.656 | |
0.000 | 0.003 | 0.027 | 0.078 |
注:*表示在α=0.05显著性水平上相关,**表示在α=0.01显著性水平上相关。
菖蒲湿地TN的去除率与细菌、真菌呈显著相关性(P<0.05),与放线菌不相关;对照湿地的TN去除率与细菌、真菌和放线菌均有显著性相关关系(P<0.05)。说明菖蒲湿地对TN的去除与细菌和真菌关系密切。微生物的硝化和反硝化作用是人工湿地净化TN的主要途径〔22〕,氨氧化是人工湿地氮去除过程的重要环节,氨氧化细菌进行的专性好氧的化能自养过程在氨氧化过程中起到主要作用〔23〕;硝化过程对氮素的去除主要依靠硝化细菌氧化无机氮化物获取能量,从而把二氧化碳合成为有机物;反硝化过程对氮素的去除主要是反硝化细菌把硝酸盐等较复杂的含氮化合物转化为N2、NO和N2O,该过程也是细菌和真菌参与的,因此菖蒲湿地去除TN与细菌真菌关系密切。
3 结论
(1)湿地模型对含油废水中COD、石油类以及TN污染物均有去除作用,栽种植物的菖蒲湿地对污染物效果显著高于对照湿地。对照湿地中COD去除率与水温变化呈显著性相关关系(P<0.05),菖蒲湿地中石油类污染物的去除率与季节呈极显著相关关系(P<0.01)。
(2)2组湿地均呈现出细菌的数量最多、真菌与放线菌相对较少的特征,其中菖蒲湿地的微生物数量均高于对照湿地。2组湿地的细菌、真菌、放线菌数量均与水温呈极显著正相关(P<0.01),微生物在适宜的温度(20~40 ℃)下活性最强,代谢速率快。
(3)2组湿地中,微生物数量对COD去除率影响较大,微生物数量越多,对COD的去除效果越好;但菖蒲湿地的放线菌数量对TN的去除率影响不大,对照湿地的微生物数量对石油类去除率影响不大。
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