CN102701459A - 用于生物脱氮的植物根系分层挂膜强化水体修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明用于生物脱氮的植物根系分层挂膜强化水体修复方法，涉及地表水生物脱氮技术领域。提供一种用于生物脱氮的植物根系分层挂膜强化水体修复方法，在传统的生态浮岛、浮床基础上，充分利用植物发达的根系，作为脱氮微生物生长繁殖的载体，分别进行缺氧反硝化菌及好氧硝化菌的分层固定，同时可以充分利用植物根际分泌物作为反硝化碳源，以达到强化水体生态脱氮的目的。本发明植物经驯化和分层挂膜后，离根区较近的部分形成了缺氧区，适于兼性或厌氧微生物生长和繁殖，促进微生物厌氧反硝化作用；离根区较远的部分为好氧区，适宜好氧微生物的生长和繁殖，促进微生物的硝化反应。
Description
技术领域
本发明涉及地表水生物脱氮技术领域，尤其涉及用于生物脱氮的植物根系分层挂膜强化水体修复的方法。
背景技术
我国湖泊、水库、河道等水体受污染严重，水体富营养化不断加剧。以太湖流域为例，纵观主要城市的水环境质量，水质状况不容乐观，总氮、氨氮、总磷、COD为首要污染物，其中氮污染最严重。河流脱氮已经成为城市水环境综合整治的重点之一。水体中整个氮循环过程主要包括氨化作用、硝化作用、反硝化作用和固氮作用，其中氨化作用、硝化作用和反硝化作用与水体中氮元素的去除有密切关系。在水体氮循环过程中，生物固氮、氨化、硝化、反硝化是微生物的特有环境功能，微生物通过氨化作用、硝化作用、反硝化作用把水体中的氨氮、亚硝酸氮和硝酸盐转化为氮气，从而降低水体中的氨氮、亚硝基氮和硝酸盐，起到了防止藻类大量繁殖的作用。可见，微生物在河流脱氮中发挥着重要作用。但在河流的生态治理中，直接投加菌体容易造成菌体的随水流失，必须采取固定化或者生物膜法。目前多采用的是植物、微生物的联合修复技术，一方面利用植物的吸附、吸收、转化作用去除水体中的氮素，另一方面利用生物膜技术通过硝化、反硝化过程达到脱氮目的。传统的植物浮岛、浮床技术，如发明专利CN101817591A（一种强化生物脱氮除磷功效的水体自富氧复合浮床）、CN101851024A（一种组合型生态浮床净化装置）、CN101898835A，只是将生物膜单元与植物单元做一简单的加和，即将微生物挂膜材料直接固定在浮床底部，与浮床植物分别起到去除水体中污染物的作用。但该技术存在的缺陷在于，随着处理的进行，挂在浮床下的挂膜材料的重量日益增加，主要是载体长期浸泡水中膨胀后的重量及吸附水体中悬浮杂质和拦截垃圾带来的重量，造成浮床负荷太重，甚至发生浮床沉底现象。此外，对于水域宽度较小的城市河道来说，沿水深方向的大面积悬浮材料，一定程度上影响了水力流动，造成局部河道的阻塞和水流不畅。
发明内容
本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种用于生物脱氮的植物根系分层挂膜强化水体修复方法，在传统的生态浮岛、浮床基础上，充分利用植物发达的根系，作为脱氮微生物生长繁殖的载体，分别进行缺氧反硝化菌及好氧硝化菌的分层固定，同时可以充分利用植物根际分泌物作为反硝化碳源，以达到强化水体生态脱氮的目的。
用于生物脱氮的植物根系分层挂膜强化水体修复方法，按照下述步骤进行：
（1）将重污染河道底泥或厌氧污泥接种到反硝化细菌培养基，在缺氧条件下，恒温28℃驯化20天，得到的富集菌液经2000 r/min离心10min，用0.9%w/v生理盐水离心洗涤2-3次，再用0.9%w/v生理盐水按菌体与生理盐水体积比为5:1稀释，混合均匀，制备成浓缩菌悬液；
（2）在缺氧条件下，将浮水植物植物根茎浸入反硝化培养基中，同时按体积比10%的比例接种所述反硝化细菌浓缩菌悬液，在28~32℃下培养7~10天，利用植物根系作为亲水性挂膜材料，使接种的反硝化微生物附着于根系并繁殖生长；
（3）将高浓度氨氮废水处理系统中的活性污泥接种到硝化细菌培养基，在好氧条件下，恒温30℃驯化7天，得到的富集菌液经2000 r/min离心10min，用0.9%w/v生理盐水离心洗涤2-3次，再用0.9%w/v生理盐水按菌体与生理盐水体积比为5:1稀释，混合均匀，制备成浓缩菌悬液；
（4）待反硝化微生物挂膜后，将植物根茎浸入硝化培养基中，按体积比10%的比例接种所述硝化细菌浓缩菌悬液，在28~32℃下曝气培养3~5天，溶解氧维持在4~7mg/L，使接种的硝化微生物附着于植物根茎区反硝化微生物膜的外壁。
其中步骤（1）中所述的反硝化细菌培养基组成如下：每升蒸馏水中加入柠檬酸钠5g，硝酸钾2g，磷酸氢二钾1g，磷酸二氢钾1g，七水合硫酸镁0.2g，调节pH至7.2。
其中步骤（2）中所述的浮水植物为香菇草、香根草、聚草、凤眼莲、莼菜、田字草等。
其中步骤（3）中所述的硝化细菌培养基组成如下：每升蒸馏水中分别加入硫酸铵2g，磷酸氢二钾1g，硫酸镁0.5g，氯化钠2g，硫酸铁0.4g，碳酸钙5g，调节pH至7.2。
本发明的特点是植物经驯化和分层挂膜后，离根区较近的部分形成了缺氧区，适于兼性或厌氧微生物生长和繁殖，促进微生物厌氧反硝化作用；离根区较远的部分为好氧区，适宜好氧微生物的生长和繁殖，促进微生物的硝化反应。这种植物根系分层挂膜的方法，可充分利用植物根系作为微生物生长的载体，具有良好的生物亲和性，挂膜速度快，具有丰富的生物群落；同时利用植物根系分泌物中羟基、羧基、氨基等丰富的化学活性基团，形成微生物与天然生物材料的同源性亲和力，降低微生物附着生长难度，缩短微生物培养、驯化的难度和时间周期。水生植物根系经分层挂膜后，具有丰富的微生物群落，可应用于湖泊、河道等水体的生态修复，利用植物自身发达的根茎，替代传统的生态浮岛、生态浮床技术中需要额外固定生物载体材料，克服了长时间运行后载体材料带来的浮床、浮岛负荷加重、河道堵塞、水流不畅等问题。
具体实施方式
实施例1
1、反硝化菌的富集
将重污染河道底泥接种到反硝化细菌培养基，在缺氧条件下，恒温28℃驯化20天，得到的富集菌液经2000 r/min离心10min，用0.9%w/v生理盐水离心洗涤2-3次，再用0.9%w/v生理盐水按菌体与生理盐水体积比为5:1稀释，混合均匀，制备成浓缩菌悬液， 4℃贮藏备用。所述反硝化细菌培养基为：在每升蒸馏水中分别加入柠檬酸钠5g，硝酸钾2g，磷酸氢二钾1g，磷酸二氢钾1g，七水合硫酸镁0.2g，调节pH至7.2，混合均匀后121℃高温高压灭菌20min。
2、硝化菌的富集
将高浓度氨氮废水处理系统中的活性污泥接种到硝化细菌培养基，在好氧条件下，恒温30℃驯化7天，得到的富集菌液经2000 r/min离心10min，用0.9%w/v生理盐水离心洗涤2-3次，再用0.9%w/v生理盐水按菌体与生理盐水体积比为5:1稀释，混合均匀，制备成浓缩菌悬液，4℃贮藏备用。所述硝化细菌培养基为：在每升蒸馏水中分别加入硫酸铵2g，磷酸氢二钾1g，硫酸镁0.5g，氯化钠2g，硫酸铁0.4g，碳酸钙5g，调节pH至7.2，混合均匀后121℃高温高压灭菌20min。
3、水生植物根系挂膜
将根茎发达的香菇草、聚草浸于上述反硝化培养基中，用保鲜膜覆盖根茎浸泡水面，制造缺氧条件。按10%的比例接种实验室富集的反硝化菌群，在28~32℃下培养7天。待植物根系附着有反硝化菌群时，再将香菇草、聚草的根茎浸于上述硝化培养基中，按10%的比例接种实验室富集的硝化菌群，利用气泵向硝化培养基底部曝气，维持溶解氧在4~7mg/L，在28~32℃下培养5天。
4、挂膜植物的对水体中氮的去除效果
采集城市河道水体，水中各污染物含量为：总氮14.2mg/L、氨氮2.32mg/L、总磷1.07mg/L、COD58.7mg/L。移入挂膜水生植物，室温、光照培养1个月，水体中各污染物的平均去除率分别为：总氮85%、氨氮78%、总磷68%、COD70%。相比未挂膜植物，挂膜植物对各污染物的去除率分别提高了：总氮8.0~12.3%，氨氮10.2%~25.4%，总磷7.7~8.3%，COD8.2~21.2%。
Claims (4)
1.用于生物脱氮的植物根系分层挂膜强化水体修复方法，其特征在于按照下述步骤进行：
（1）将重污染河道底泥或厌氧污泥接种到反硝化细菌培养基，在缺氧条件下，恒温28℃驯化20天，得到的富集菌液经2000 r/min离心10min，用0.9%w/v生理盐水离心洗涤2-3次，再用0.9%w/v生理盐水按菌体与生理盐水体积比为5:1稀释，混合均匀，制备成浓缩菌悬液；
（2）在缺氧条件下，将浮水植物植物根茎浸入反硝化培养基中，同时按体积比10%的比例接种所述反硝化细菌浓缩菌悬液，在28~32℃下培养7~10天，利用植物根系作为亲水性挂膜材料，使接种的反硝化微生物附着于根系并繁殖生长；
（3）将高浓度氨氮废水处理系统中的活性污泥接种到硝化细菌培养基，在好氧条件下，恒温30℃驯化7天，得到的富集菌液经2000 r/min离心10min，用0.9%w/v生理盐水离心洗涤2-3次，再用0.9%w/v生理盐水按菌体与生理盐水体积比为5:1稀释，混合均匀，制备成浓缩菌悬液；
（4）待反硝化微生物挂膜后，将植物根茎浸入硝化培养基中，按体积比10%的比例接种所述硝化细菌浓缩菌悬液，在28~32℃下曝气培养3~5天，溶解氧维持在4~7mg/L，使接种的硝化微生物附着于植物根茎区反硝化微生物膜的外壁。
2.根据权利要求1所述的用于生物脱氮的植物根系分层挂膜强化水体修复方法，其特征在于其中步骤（1）中所述的反硝化细菌培养基组成如下：每升蒸馏水中加入柠檬酸钠5g，硝酸钾2g，磷酸氢二钾1g，磷酸二氢钾1g，七水合硫酸镁0.2g，调节pH至7.2。
3.根据权利要求1所述的用于生物脱氮的植物根系分层挂膜强化水体修复方法，其特征在于其中步骤（2）中所述的浮水植物为香菇草、香根草、聚草、凤眼莲、莼菜或田字草。
4.根据权利要求1所述的用于生物脱氮的植物根系分层挂膜强化水体修复方法，其特征在于其中步骤（3）中所述的硝化细菌培养基组成如下：每升蒸馏水中分别加入硫酸铵2g，磷酸氢二钾1g，硫酸镁0.5g，氯化钠2g，硫酸铁0.4g，碳酸钙5g，调节pH至7.2。
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