CN105692914A - 一种利用高效生物膜清除石油污染物的生物滞留池 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用高效生物膜清除石油污染物的生物滞留池，属于环境生物工程领域。本发明针对生物滞留池对石油消除效果差的问题，以常规生物滞留池技术为基础，通过在生物滞留特定区域设置生物膜的载体材料，接种高效降解微生物并培养生成生物膜系统，达到维持微生物长期存活、增强石油污染物的去除效果。本发明可以应用于公路、加油站、汽车维修厂、油库等石油泄漏风险较大场所的雨水、冲洗水储存和净化，减少了石油污染物对水环境的破坏。

Description

一种利用高效生物膜清除石油污染物的生物滞留池
技术领域
本发明涉及一种利用高效生物膜清除石油污染物的生物滞留池，属于环境生物工程领域。
背景技术
城市雨水径流管理对解决城市的水资源短缺、洪涝灾害、面源污染等问题都具有重要意义，如何有效控制城市雨水径流所带来的面源污染已成为城市管理工作所面临的重要难题之一。近年来,我国大部分城市的雨水径流污染较为严重,已成为城市河湖水质恶化的首要因素。传统的城市排水系统设计是以雨水的尽快排除为根本出发点，这种设计方式存在诸多弊端。探求如何满足环境、生态、经济等多重效益的城市雨水径流管理措施,是当前城市管理所面临的挑战之一。
生物滞留池是目前应用广泛的雨水生态处理措施之一。生物滞留池一方面通过系统结构的渗透作用吸收暴雨径流中的雨水，显著减少地表径流量，缓解城市内涝问题；另一方面通过植物和微生物的生态体系去除暴雨径流带来的BOD、氮磷元素，使雨水得到净化；此外土壤和填料层的过滤吸附作用也能很好地去除固体颗粒和部分金属离子污染物。但是，由于生物滞留池主要依赖生物吸收和生物转化的方式去除有机物，因此对于一些难降解有机物污染物的去除效果有限(比如石油烃类、苯类污染物)。
随着我国汽车保有量的不断上升，石油类产品的消耗量也逐年增加，加油站、汽车维修厂、油库和公路等地方的石油跑冒滴漏事件时有发生，其雨水和冲洗水中都存在较高浓度的石油污染物，无法有效去除这些污染物，具有很大的环境风险。石油污染物的生物降解依赖微生物的转化作用，自然界中能够降解石油烃的微生物数量较少、转化效率较低，同时还存在能否长期存活的问题。
常规生物滞留池能够有效的去除地表径流中的总悬浮固体、重金属、N、P等污染物，但对于难降解和难去除的石油烃类污染物去除效果不佳；此外，常规的生物滞留池多采用植被和土壤覆盖层进行石油烃类污染物的吸收和去除，虽然有时效率较高，但更多依赖植被和特定的环境土壤，其应用范围受限。
发明内容
为了解决现有技术的上述问题，发明人通过试验研究，提供一种新型的可以有效去除水中石油污染物的生物滞留池，通过在生物滞留特定区域设置生物膜的载体材料，接种高效降解微生物并培养成生物膜系统，起到维持微生物长期存活、快速降解石油烃污染物的作用，最终保证生物滞留池出水的水质合格。
本发明的目的之一在于提供一种利用高效生物膜清除石油污染物的生物滞留池，所述生物滞留池包括由上到下的种植土层、混合过滤层和混合砾石层，其特征在于，混合过滤层由石英砂、沸石和颗粒活性炭按体积比(6-8):(1-3):1组成；混合砾石层由砾石和软性纤维载体按体积比(7-9):1组成；同时垂直铺设至少2根管道，分别到达过滤层和砾石层，用于石油烃降解菌群的接种、生物膜培养和运行维护。
优选的，混合过滤层由石英砂、沸石和颗粒活性炭按体积比7:2:1组成；混合砾石层由砾石和软性纤维载体按体积比9:1组成。
优选的，本发明所述生物滞留池，通过从垂直铺设的管道接种加入驯化富集的石油烃降解菌群形成生物膜。
作为进一步优选的技术方案，本发明生物滞留池，接种加入驯化富集的石油烃降解菌群，培养初期同时加入0.05％蛋白胨营养液，加快生物膜的形成速度。一般10-30天可以完成生物膜的培养过程，随后转入正常运行期。
进一步的，本发明所述生物滞留池，还包括底部铺设排水管和阀门。此外，本发明生物滞留池还可以包括进水和溢流等附属设施。
本发明的另一目的在于提供一种具有高效降解石油污染物的生物膜的生物滞留池构建方法，包括生物膜载体材料的选择、高效石油降解菌群的接种和生物膜的培养，具体步骤包括：
(1)生物膜载体填料的筛选：待筛选生物膜载体填料包括沸石、颗粒活性炭、炉渣、硅藻土、火山岩、PVC颗粒、PE颗粒、PS颗粒、PP颗粒和软性纤维等，在实验室模拟生物滞留池的结构形式，搭建上层填料层和下层填料层，上层填料层由石英砂和无机载体组成，下层填料层由砾石和有机载体组成；通入地表水运行，根据生物膜的生长情况筛选出生物膜情况良好，运行正常的载体填料，筛选后获得上层填料为沸石、颗粒活性炭和石英砂，下层填料为软性纤维载体和砾石的生物膜载体填料；
(2)构建带生物膜载体填料的生物滞留池：在建造常规生物滞留池的基础上，由上向下分别设置种植土层、混合过滤层和混合砾石层，其中混合过滤层由石英砂、沸石和颗粒活性炭按体积比(6-8):(1-3):1组成；混合砾石层由砾石和软性纤维载体按体积比(7-9):1组成；同时垂直铺设至少2根管道，分别到达过滤层和砾石层，用于石油烃降解菌群的接种、生物膜培养和运行维护；
(3)石油烃降解菌群的富集培养：采集油田周围长期受到石油污染的土壤样品作为石油烃降解菌的来源；采用地表水、土壤浸液作为基本成分，加入0.2％蛋白胨和0.1％石油配制成液体培养基；将土壤样品接种到液体培养基中进行驯化富集培养，培养3-6天后接种到新的液体培养基，连续驯化富集3次以上，获得的混合菌群作为培养生物膜的微生物菌种；
(4)生物膜的培养和运行：从垂直铺设的管道接种加入驯化富集的石油烃降解菌群，培养初期同时加入0.05％蛋白胨营养液，加快生物膜的形成速度，10-30天完成生物膜的培养过程，随后转入正常运行期，在正常运行期，注意不要长时间缺水，防止生物膜干燥、脱落和死亡。
本发明的另一目的在于提供上述构建方法获得的生物滞留池。
此外，本发明还提供所述生物滞留池在改善城市雨水径流水质中的应用。
优选的，生物滞留池用于去除水中石油烃类污染物的应用。
本发明取得了以下有益效果：
本发明针对普通生物滞留池出水的石油类污染物残留较高的问题，以生物滞留技术为基础，通过在过滤层和砾石层添加生物膜载体材料，接种石油烃降解菌群的方式，构建具有高效转化石油污染物的生物膜系统，最终提高生物滞留池对径流中石油污染物的去除效果。具体的，
(1)本发明筛选获得适于石油烃降解菌群的生物膜载体填料，将其进行有效组合，生物膜的形成效果良好，以有效的降解石油烃类污染物；
(2)本发明在所述生物滞留池中垂直铺设至少2根管道，分别到达过滤层和砾石层，不仅利于石油烃降解菌群的接种，而且通过便于监测生物膜的形成(通过PVC管道取出部分样品查看载体材料上是否已经形成生物膜)，也便于运行的维护和修复；
(3)本发明通过石油烃降解菌群的富集培养，尤其是驯化富集(3次以上)，获得的混合菌群作为培养生物膜的微生物菌种，与生物膜载体填料配合良好，形成的生物膜可以有效的吸收去除和降解石油烃类污染物。
(4)本发明的进水为自然降雨过程中的地表径流，对于较低石油烃负荷(石油烃含量<0.15mg/L)径流的处理效果更明显，出水水质符合III类地表水标准(饮用水源)。文献显示虽然现有技术生物滞留池在处理高负荷石油烃时(比如人为添加20-30mg/L石油烃)可以达到较高的除油率，但出水浓度仍然超过>0.3-1mg/L，不能够达到III类地表水标准。本发明有生物膜的生物滞留池主要针对自然降雨的地表径流，可以满足水源地对地表径流处理的要求。
本发明可以用于解决城市道路、加油站、汽车维修厂和油库公路等地方的石油污染问题。
具体实施方式
实施例1生物膜载体填料的选择
待筛选生物膜载体填料包括沸石、颗粒活性炭、炉渣、硅藻土、火山岩、PVC颗粒、PE颗粒、PS颗粒、PP颗粒和软性纤维等，按照表1的组合设计7个容积为1L的实验室模拟装置，在20℃、40ml/小时的低进水量条件下运行30天，观察不同填料组合对生物膜形成情况的影响。试验结果(见表1)表明上层填料选择沸石和颗粒活性炭，下层填料选择软性纤维载体时生物膜的形成效果最好。
表1生物膜载体填料种类对生物膜形成的影响
实施例2高效石油烃降解菌群的富集
按照下列步骤配制液体培养基：取100g土壤样品，加入1000ml地表水，混合振荡10min，沉淀取上清，用地表水补足1000ml，加入0.2％蛋白胨和0.1％石油，0.15MPa灭菌30min。
从油田周围长期受到石油污染的土壤采集样品10g，用100ml上述液体培养基稀释、振荡混合，沉淀后取上清液接种到液体培养基中。20℃，30rpm驯化富集培养5天，然后接种到新的液体培养基中，继续驯化富集培养。连续驯化富集5次，获得的混合菌群作为培养生物膜的菌种。
实施例3建造具有生物膜的生物滞留池
一种设置生物膜载体填料的生物滞留池，建设地点为加油站附近，施工方案为：由上向下分别为种植土层(厚度400mm)、过滤层(厚度300mm)和砾石层(厚度600mm)；种植土层栽种草本植物(麦冬和三叶草)和灌木(大叶黄杨)；过滤层由石英砂、沸石和颗粒活性炭按体积比7:2:1组成；砾石层由直径20mm砾石和软性纤维载体按体积比9:1组成；垂直铺设2根直径110mm的PVC管道，一根PVC管到达过滤层中部，另一根PVC管达到砾石层中部；底部铺设直径70mmPVC排水管和阀门。
(1)无生物膜运行
生物滞留池建成后按照普通生物滞留池的模式运行4个月，第1和第2月为植物定植期，从第3月开始考察石油烃污染物的去除效果。
(2)有生物膜运行
进入生物膜运行之前，在第1-20天内每隔2天从接种口加入2L实施例2驯化富集的石油烃降解菌群，同时加入5L0.05％蛋白胨营养液，连续运行30天，期间维持生物滞留池的水位在填料层上部，从接种PVC管取出部分样品可见载体材料上已经形成生物膜，随后转入正常运行期。在正常运行期，维持一定水位，避免长时间缺水，防止生物膜干燥、脱落和死亡。
实施例4生物滞留池的石油烃清除效果观察
在实施例3的无生物膜和有生物膜运行期间，定期取样检测，考察生物膜的状态和进出水的石油烃含量。分别选择2场间隔时间15天以上的中量降雨过程，分别在降雨当天收集生物滞留池顶部的径流样品、在降雨结束后第5天、第10天和第15天从生物滞留池底部排水管收集样品，按照地表水环境质量标准GB3838-2002进行石油类污染物指标的检测，结果见表2。生物膜状态考察结果显示，接种石油烃降解菌群连续运行30天后载体材料上有丰富的生物膜，并且在后续运行过程中一直维持良好，而无生物膜运行期间几乎观察不到生物膜的附着。石油烃检测结果表明，在生物膜运行条件下第一场降雨的径流中石油烃为0.042mg/L，经15天处理后降低到0.002mg/L，第二场降雨的径流中石油烃为0.122mg/L，经15天处理降低到0.006mg/L，石油烃清除率>95％，而且出水中石油烃含量都符合地表饮用水源的环境标准；而在无生物膜运行条件下，两场降雨的出水石油烃分别为0.071mg/L和0.052mg/L，不符合地表饮用水源的环境标准，同时石油烃清除率为54％和32％，显示进水浓度越低清除率也越低。文献报道显示在人工合成雨水中添加较高浓度石油烃(20-30mg/L)时，普通生物滞留池虽然也可以取得较好的清除率，但是石油烃残留都超过0.5mg/L，不能有效测定清除水中微量石油烃。
表2生物滞留池石油烃含量变化(mg/L)
上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种利用高效生物膜清除石油污染物的生物滞留池，所述生物滞留池包括由上到下的种植土层、混合过滤层和混合砾石层，其特征在于，混合过滤层由沸石和颗粒活性炭两种成分中的至少一种与石英砂组成；混合砾石层由砾石和软性纤维载体组成；同时垂直铺设至少2根管道，分别到达过滤层和砾石层，用于石油烃降解菌群的接种、生物膜培养和运行维护。
2.根据权利要求1所述的生物滞留池，其特征在于，混合过滤层由石英砂、沸石和颗粒活性炭按体积比(6-8):(1-3):1组成；混合砾石层由砾石和软性纤维载体按体积比(7-9):1组成。
3.根据权利要求1所述的生物滞留池，其特征在于，混合过滤层由石英砂、沸石和颗粒活性炭按体积比7:2:1组成；混合砾石层由砾石和软性纤维载体按体积比9:1组成。
4.根据权利要求1所述的生物滞留池，其特征在于，通过从垂直铺设的管道接种加入驯化富集的石油烃降解菌群形成生物膜。
5.根据权利要求4所述的生物滞留池，其特征在于，接种加入驯化富集的石油烃降解菌群，培养初期同时加入0.05％蛋白胨营养液，加快生物膜的形成速度，10-30天可以完成生物膜的培养过程，随后转入正常运行期。
6.根据权利要求1-5任一项所述的生物滞留池，其特征在于，还包括底部铺设排水管和阀门。
7.一种具有高效降解石油污染物的生物膜的生物滞留池构建方法，包括生物膜载体材料的选择、高效石油降解菌群的接种和生物膜的培养，具体步骤包括：
(1)生物膜载体填料的筛选：待筛选生物膜载体填料包括沸石、颗粒活性炭、炉渣、硅藻土、火山岩、PVC颗粒、PE颗粒、PS颗粒、PP颗粒和软性纤维等，在实验室模拟生物滞留池的结构形式，搭建上层填料层和下层填料层，上层填料层由石英砂和无机载体组成，下层填料层由砾石和有机载体组成；通入地表水运行，根据生物膜的生长情况筛选出生物膜情况良好，运行正常的载体填料，筛选后获得上层填料为沸石、颗粒活性炭和石英砂，下层填料为软性纤维载体和砾石的生物膜载体填料；
(2)构建带生物膜载体填料的生物滞留池：在建造常规生物滞留池的基础上，由上向下分别设置种植土层、混合过滤层和混合砾石层，其中混合过滤层由石英砂、沸石和颗粒活性炭按体积比(6-8):(1-3):1组成；混合砾石层由砾石和软性纤维载体按体积比(7-9):1组成；同时垂直铺设至少2根管道，分别到达过滤层和砾石层，用于石油烃降解菌群的接种、生物膜培养和运行维护；
(3)石油烃降解菌群的富集培养：采集油田周围长期受到石油污染的土壤样品作为石油烃降解菌的来源；采用地表水、土壤浸液作为基本成分，加入0.2％蛋白胨和0.1％石油配制成液体培养基；将土壤样品接种到液体培养基中进行驯化富集培养，培养3-6天后接种到新的液体培养基，连续驯化富集3次以上，获得的混合菌群作为培养生物膜的微生物菌种；
(4)生物膜的培养和运行：从垂直铺设的管道接种加入驯化富集的石油烃降解菌群，培养初期同时加入0.05％蛋白胨营养液，加快生物膜的形成速度，10-30天完成生物膜的培养过程，随后转入正常运行期，在正常运行期，注意不要长时间缺水，防止生物膜干燥、脱落和死亡。
8.根据权利要求7所述构建方法获得的生物滞留池。
9.权利要求1-6任一项或权利要求8所述生物滞留池在改善城市雨水径流水质中的应用。
10.根据其权利要求9所述应用，其特征在于，生物滞留池用于去除水中石油烃类污染物。
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