水平潛流人工濕地污水中有機(jī)物的去除效果

水平潛流人工濕地污水中有機(jī)物的去除效果

水平潛流工程濕地廢水是近10年國內(nèi)外研究熱點(diǎn)之一。研究結(jié)果表明，在養(yǎng)分去除方面取得了理想效果，但濕地中的cod元素往往無法滿足所需水體的要求。在本實(shí)驗(yàn)中，以城市受污染水體為對象，研究了三種類型的水平潛水工程濕地中有機(jī)污染物的去除效果。利用gc-ms分析廢水中有機(jī)污染物的相對成分變化，探討了有機(jī)污染物的運(yùn)動(dòng)和分解規(guī)律。利用pcr-dgge技術(shù)研究不同類型的潛水區(qū)人工濕地的微生物群及其分布特征，探討了微生物多樣性與有機(jī)物分解率之間的內(nèi)在聯(lián)系，為提高水平潛流工程濕地分解污染水體中的有機(jī)污染物提供了理論依據(jù)。1材料和方法1.1u3000水體試驗(yàn)用水為上海市楊浦區(qū)三好塢湖水.試驗(yàn)期間湖水水質(zhì)為pH7.1～8.7,濁度16～48NTUCOD44～96mg/L,TN3.4～12.1mg/L,TP0.5～1.2mg/L,屬于劣V類水體.1.2濕地填料及試驗(yàn)裝置水平潛流人工濕地裝置材料為PVC,長×寬×深為1.2m×0.4m×0.6m.填充高度0.50m,有效水深0.45m,植物栽種的密度為16株/m2.進(jìn)水采用穿孔管布水,經(jīng)過粒徑30～50mm礫石布水區(qū)進(jìn)入濕地填料床,填料粒徑8～15mm,出水經(jīng)粒徑30～50mm礫石收水區(qū)進(jìn)入底部穿孔管,流出濕地系統(tǒng).試驗(yàn)裝置共3套,分別為蘆葦-礫石(W1)、組合植物-礫石(W2)和蘆葦-組合填料(W3).裝置沿水流方向均分為4段.W1中各段的植物均為蘆葦,填料均為礫石;W2中各段植物依次為蘆葦、菖蒲、水蔥和蘆葦,填料均為礫石;W2中各段植物均為蘆葦,填料依次為礫石、沸石、鋼渣和礫石.小試裝置構(gòu)建于2005年4月底,間歇運(yùn)行,啟動(dòng)期日均換水25L.7月開始按不同工況連續(xù)運(yùn)行.本研究數(shù)據(jù)取自2005年8～10月.1.3分析常規(guī)指標(biāo)測定參照文獻(xiàn),pH值用便攜式pH測定儀(上海雷磁PHB-4)測定.1.3.1gc/ms色譜條件準(zhǔn)確量取HRT為4d的進(jìn)水及W1、W2、W3出水各1000mL,參照文獻(xiàn)進(jìn)行水樣預(yù)處理.檢測條件:FinniganVoyager氣相色譜/質(zhì)譜聯(lián)用儀,色譜柱為HP-5石英毛細(xì)管柱(30m×0.25mm,0.25μm);柱溫50℃,保持2min,10℃/min升至300℃,保持10min;汽化溫度250℃;載氣為1.0mL/min的He;分流比15:1;質(zhì)譜檢測器為EI源,電子能量70eV,源溫200℃.掃描范圍41～450amu;質(zhì)譜標(biāo)準(zhǔn)庫為NIST庫+NBS庫.1.3.2細(xì)菌dna的提取和pcr檢測與采集GC/MS水樣同日沿反應(yīng)器水流方向設(shè)4個(gè)微生物取樣點(diǎn),距離填料表層15～35cm處取樣,所得懸濁液10000r/min離心后置于-70℃冰箱用于DNA提取.原水樣本:取當(dāng)日進(jìn)水500mL,0.22μm濾膜過濾,10000r/min離心后沉淀物也置于-70℃冰箱用于DNA提取.采用3S柱環(huán)境樣品DNA回收試劑盒提取樣品DNA,試劑盒購自上海申能博彩生物公司.DNA提取結(jié)果用0.8%瓊脂糖凝膠電泳檢測.按文獻(xiàn)對污泥DNA進(jìn)行PCR引物設(shè)計(jì)與擴(kuò)增.DGGE分析:采用Bio-Rad公司DcodeTMUniversalMutationDetectionSystem制備變性劑濃度從35%～60%(100%的變性劑含7mol/L尿素和40%去離子甲酰胺)的8%聚丙稀酰胺凝膠.電泳電壓150V,溫度60℃,電泳緩沖液為1×TAE,時(shí)間5h.2結(jié)果與討論2.1結(jié)果與分析2.1.1地表環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果由表1可見水平潛流人工濕地對COD有較好的凈化作用HRT≥2d時(shí),3個(gè)系統(tǒng)出水COD均低于30mg/L達(dá)到地表水環(huán)境Ⅳ類水體COD標(biāo)準(zhǔn).W2系統(tǒng)在HRT≥4d時(shí),出水COD低于20mg/L,達(dá)到Ⅲ類水體COD標(biāo)準(zhǔn).在HRT≤6d時(shí),去除效率為W2>W3>W1,如當(dāng)HRT為4d時(shí),W2出水COD可穩(wěn)定達(dá)到Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn),W3和W1各有70%和30%監(jiān)測點(diǎn)達(dá)到同一標(biāo)準(zhǔn).2.1.2填料/糖液組合復(fù)合光催化劑用量由圖1可見,隨著進(jìn)水COD負(fù)荷的增加,3個(gè)系統(tǒng)的COD去除速率也隨之增加,且具有顯著的線性關(guān)系.比較擬合方程的斜率,有W2>W3>W1,這與COD去除效果一致.說明凈化受污染水體中有機(jī)物,W2(組合植物)和W3(組合填料)在降解速率上優(yōu)于W1(單植物單填料)系統(tǒng).2.2有機(jī)物組成變化試驗(yàn)結(jié)果的定性與定量測定按USEPA625法進(jìn)行.以樣品的重現(xiàn)色譜圖經(jīng)圖庫檢索并參考文獻(xiàn)和標(biāo)樣而定性,以儀器對十五烷的響應(yīng)值(特征離子峰面積)確定相對含量.由圖2可見,原水的有機(jī)物以C16,C27,C29和C30為主,有機(jī)物分子量主要集中在250,400和420左右.W1出水中的有機(jī)物以C7,C13～C16為主,有機(jī)物分子量主要集中在100附近和200～300.W2和W3出水中的有機(jī)物均以C7和C10為主,有機(jī)物分子量主要集中在100～160.說明濕地系統(tǒng)對水中的有機(jī)污染物均有較好的降解,污染物均向低碳小分子遷移轉(zhuǎn)化.與W1相比較,W2和W3對污染物向低碳小分子遷移轉(zhuǎn)化徹底,因此其出水在綜合指標(biāo)COD上表現(xiàn)為更低的數(shù)值.此外,W2出水中C27有機(jī)物未檢出,C29約為W3的30%,C30約為W3的40%,表現(xiàn)出對進(jìn)水中C27,C29和C30有機(jī)物更徹底的分解轉(zhuǎn)化.由表2可見,受污染水體中的有機(jī)物經(jīng)濕地系統(tǒng)處理后有機(jī)組成發(fā)生了較大的變化,醇類化合物、烯烴均得到大幅度降解.COD降解率為75%左右,可見酸類化合物也有較好的降解.W2對含氮、酮類和酯類化合物有較好的降解效率,W3對酚類也有較好的降解能力.此外,W2和W3出水有機(jī)物在化合物組成上也顯示出了相似性,其主要組分都是芳香族化合物和烷烴.進(jìn)一步考察其出水,發(fā)現(xiàn)均有多環(huán)芳香族化合物菲、萘和蒽.這3種化合物在原水中均未檢出,從降解途徑看,這3種化合物并非進(jìn)水中有機(jī)物的降解產(chǎn)物,而是水生植物或微生物新陳代謝的產(chǎn)物.這就在物質(zhì)層面上證實(shí)了Shepherd等從反應(yīng)動(dòng)力學(xué)上的分析:人工濕地K-C*模型中C*(濕地系統(tǒng)有機(jī)物背景濃度)含有水生植物與微生物的代謝產(chǎn)物.2.3srdnav區(qū)用試劑盒提取的DNA經(jīng)0.8%瓊脂糖凝膠電泳檢測后,證實(shí)其分子量大小為23kb左右,與細(xì)菌基因組DNA大小相同.PCR經(jīng)1.5%瓊脂糖凝膠電泳檢測后顯示擴(kuò)增片斷大小為240bp左右,證實(shí)為16SrDNAV3區(qū)特異性片斷.2.3.1對不同生態(tài)條帶的響應(yīng)由圖3可見,原水DGGE條帶數(shù)量不僅最少,且其特征條帶1、2和3在水平潛流人工濕地中均消失,說明進(jìn)水中微生物的種群結(jié)構(gòu)在濕地系統(tǒng)中均發(fā)生了顯著遷移.濕地系統(tǒng)均有條帶4、5、6、7和8,說明這些條帶表征的微生物在濕地物質(zhì)和能量代謝中發(fā)揮著重要的作用,但從亮度差異可知其在不同的空間位置所起的作用存在差異.條帶9、10和11分別為W1、W2和W3中的特征條帶,這與不同類型的濕地系統(tǒng)產(chǎn)生的特定生態(tài)條件直接相關(guān).W1在4個(gè)取樣位置上的條帶數(shù)目與位置無明顯差異,這與其構(gòu)造特點(diǎn)有關(guān),即單植物(蘆葦)單填料(礫石).微生物在相似的環(huán)境條件的種群結(jié)構(gòu)也類似.W2和W3的條帶在數(shù)目、位置和亮度均有較大的變化,說明不同的水生植物能夠刺激或抑制特定菌種生長,而其群落依賴于不同的填料而存在,種群結(jié)構(gòu)變化大.這與Vacca等在垂直流人工濕地中的研究有類似的結(jié)論.2.3.2沿程cod和沿程cod變化由表3可見,原水Shannon指數(shù)均低于水平潛流人工濕地樣品,其微生物多樣性最低.沿水流方向濕地系統(tǒng)Shannon指數(shù),即微生物多樣性均呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律,這與濕地的推流流態(tài)和沿程污染物的種類與數(shù)量相關(guān).在系統(tǒng)前1/4段有機(jī)物負(fù)荷較高但種類較少,對底物競爭能力強(qiáng)的微生物維持優(yōu)勢,其Shannon指數(shù)較低.在裝置中段,大量中間產(chǎn)物生成使污染物種類激增,這使微生物的種類隨之增多,表現(xiàn)為取樣點(diǎn)2和3的Shannon指數(shù)的升高.裝置后1/4段,水中可生物降解的污染物基本耗盡,且其種類也大幅減少,微生物種類和數(shù)量也隨之減少,因此取樣點(diǎn)4的Shannon指數(shù)下降由圖4可見,在W2和W3中沿程COD與沿程Shannon指數(shù)呈現(xiàn)顯著線性相關(guān),R2達(dá)到0.96.Shannon指數(shù)隨著COD減少而增加,且W2的Shannon指數(shù)單位增量對應(yīng)更大幅度的COD的降低,且沿程分布均勻.這說明微生物種群結(jié)構(gòu)多樣性對COD的降解有較大的作用.濕地系統(tǒng)中植物組合和填料組合能夠提供更多樣的生境提高微生物的多樣性,使得系統(tǒng)處理能力增強(qiáng),且植物組合對微生物的作用要優(yōu)于填料組合.W1系統(tǒng)沿程COD變化與Shannon指數(shù)無顯著相關(guān)性,微生物群落多樣性變化小,削弱了微生物系統(tǒng)對有機(jī)物的降解性能.3濕地系統(tǒng)微生物群落結(jié)構(gòu)變化3.1水平潛流人工濕地對受污染水體中的有機(jī)物具有理想的處理效果,當(dāng)進(jìn)水COD為44～96mg/L,HRT≥2d,出水COD均可達(dá)到Ⅳ類水體標(biāo)準(zhǔn),組合植物系統(tǒng)在HRT≥4d時(shí)出水COD可穩(wěn)定達(dá)到Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn).有機(jī)物降解速率依次為W2>W3>W1.3.2用GC/MS技術(shù)分析受污染水體中的有機(jī)污染物相對組分變化規(guī)律,濕地系統(tǒng)對水中的有機(jī)污染物均