CN102839632A - 构建基于生物强化截留清除面源污染的生态护坡的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及构建基于生物强化截留清除面源污染的生态护坡的方法,调查河流水文条件,确定单位长度河岸带面源污染负荷及其水力停留时间,分析沿河面源污染特征,筛选高效去除面源污染的高效菌或构建能去除难降解有机污染物的基因工程菌,然后构建成中空六面体的生态护坡构件并在其中种植植物,即构建成生态护坡。与现有技术相比,本发明能够有效去除面源污染,特别是难降解有机污染物,减少入河污染负荷,降低面源污染给河流生态系统带来的潜在生态风险,利用本地原料提高构件的环境亲和性,为河岸带微生物群落和植被的生长提供良好生境条件,同时提高河岸带的力学稳定性。

Description

构建基于生物强化截留清除面源污染的生态护坡的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种资源环境保护技术领域,尤其是涉及一种构建基于生物强化截留清除面源污染的生态护坡的方法。
背景技术
[0002] 河岸带是介于河流与陆地之间的半陆生生态系统,直接或间接受到河流水位变动的影响、具有缓冲效应的过渡地带,通常通过地表径流和地下潜流的水文过程连接地上陆生系统和水生系统。河岸带在流域生态系统中面积比不高,然而在水、营养物质流入河流的过程中却发挥着不可取代的功能,对截留面源污染、构建河流栖息生境、促进河流与其周围环境的连通性有重要意义。近年来,国内外学者开始利用生态工程手段恢复受损河流的生态功能,以达到增强河流的自净能力和综合恢复河流生境。 [0003] 建设河流护坡是河流生态修复的重要技术手段之一。传统的护坡,特别是硬质护坡材料主要采用浆砌片石或混凝土,片面强调河流的防洪、灌溉、排涝、航运等功能,忽视了河岸带生境功能的发挥及其维护。硬质材料的透水能力差,切断了河岸带对水陆生态系统的联系,阻碍了营养物质的交换,从而使生态系统的功能遭到严重破坏;同时如芦苇、菖蒲、茭白等湿生植物和一些沉水植物也很难在该区域生存,从而导致河流自净能力下降,河流水质恶化,对相应的无脊椎动物和鱼类的生境也造成影响。随着生物工程技术的发展,生态护坡在河流生态功能恢复技术方面得到了广泛的应用。生态护坡的内涵是首先在满足行洪排涝要求的基础上,保证岸坡的稳定,防止水土流失,从而实现以保障堤防安全、实现河岸带生物群落向顶级群落的演变为最终目的。生态护坡是一个开放式的平衡系统,它与周围的生态系统进行着密切的物质能量交换,且内部的生物之间存在着复杂的食物链,保持着系统的动态平衡。同时,生态护坡是整个生态系统的一个可持续发展的子系统,生态护坡生态功能的好坏直接影响其他生态子系统功能的发挥,甚至还会破坏其他生态系统。当前国内生态护坡材料主要有植物、土工材料复合种植基,生态混凝土、生态袋等,为岸坡植被的生长提供了良好的基质环境。
[0004] 然而,近年来随着工农业的迅速发展,我国主要河流有机污染普遍,面源污染日益突出。面对国内日益严峻的水环境形势,污染物的治理已刻不容缓,势在必行,而河岸带的截留、清除则是当前削减面源污染的主要途径。河岸带面源污染削减效率主要取决于河岸带表层基质特征,当前生态护坡基质材料对面源污染特别是难降解有机污染物(如POPs、PCB等)的清除能力不闻,未清除的污染物对河岸带微生态系统存在着潜在风险。如何提闻生态护坡基质材料对难降解有机污染的清除效率是当前面源污染削减工作中的一大难题,也是水域生态学家关注的热点。
发明内容
[0005] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种包埋能降解沿河面源污染(尤其是难降解有机污染物)的高效菌或基因工程菌的生态护坡基质,特别是一种基于生物强化有效截留、清除面源污染的生态护坡改进/改造方法,从而大大提高面源污染的截留、清除效率,进而增强河流的自净能力,充分发挥河岸带的生态功能。同时,该发明降低了面源污染给河岸带带来的潜在风险,为河岸带生境修复提供了必要条件。
[0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0007] 一种构建基于生物强化截留清除面源污染的生态护坡的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
[0008] (I)调查目标河流的水文条件(包括流速、流量、枯水位、常水位、最高洪水位、洪峰流量等)及该河流沿河面源污染负荷量:实验分析面源污染中污染物特征(包括污染物的组成和含量),明确目标污染物降解高效菌的筛选或基因工程菌的构建;根据单位长度河岸带承接面源污染负荷量和高效菌(或基因工程菌)对目标污染物的去除效率计算面源污染水力停留时间,综合考虑河岸带地貌特征和护坡渗透系数等,以此为依据优化基质材 料的孔隙率、密度以及护坡结构构件形态等。
[0009] (2)包埋高效去除目标污染物的高效菌或基因工程菌:微生物是生态护坡中的功能单元,基质材料中微生物群落主要由去除目标污染物的高效菌种和携带难降解有机污染物降解功能基因片段的基因工程菌组成。具体方法为:将筛选的高效菌或基因工程菌置于富集培养基中,于30〜38°C下震荡培养30〜50h,培养期间补充一定量的目标污染物作为选择压力,将培养液数次离心、洗脱,最后将菌体重悬于加有目标污染物的无机盐培养液中,配置成比例为I : 100(W/V)的菌悬液。
[0010] (3)生态护坡构件的构建:构建的生态护坡构件的结构单元是微生物的附着载体,生态护坡构件不仅决定了微生物是否存活的环境条件,而且还决定了微生物的活性,直接影响到污染物清除效率。构件构建的原材料应以就地取材为原则,具体方法为:选取当地贝壳、秸杆、木屑以及固化后的疏浚底泥,将上述材料破碎成粒径范围在5〜15_的均质材料,配制成固化后疏浚底泥:贝壳:秸杆:木屑:环境友好型粘着剂:保水剂混合比例(质量比)为10±5 :5:1:1:1: I的基质原材料,用葡萄糖、尿素、磷酸盐等将其C : N : P调整到100 : 5 : 1,投加20%〜25%的菌悬液,充分混合,用保水剂和环境友好型粘着剂制作成中空六面体的生态护坡构件。
[0011] (4)生态护坡构件的养护:在生态护坡中空内播撒草本植物种子,间隔种植乔木或灌木,进行生态护坡养护。护坡植被选育以本地种为主,建设初期可补种一部分先锋种。生态护坡上种植植物一方面为河流生态系统调节微气候,增强景观性和中和河岸带建设过程中的碳排放;另一方面,植物根系不断向护坡基质中提供营养基质,补充养分和空隙中的氧含量,为生态护坡截留、清除面源污染的长久性和稳定性提供了条件。
[0012] 所述的高效菌为巨大芽孢杆菌Bacillus megateium和嗜中温假单胞菌PseudomonasmesophiIica0
[0013]所述的基因工程菌为 Pseudomonasmesophilica SM1443。
[0014] 所述的环境友好型粘着剂为“粘砖王”聚合物防水胶结粉。
[0015] 所述的保水剂为聚Y -谷氨酸(Y -PGA)。
[0016] 步骤(3)中所述的中空六面体的生态护坡构件为边长为50cm,高度为15cm,厚为IOcm的中空六面体。
[0017] 与现有技术相比,本发明针对面源污染特征及河岸带实际情况,首次提出细胞强化与基因强化理念加强河岸带对面源污染的控制,即通过筛选目标污染物高效降解菌或构建能降解目标污染物的基因工程菌实现对难降解污染物的清除,从而减少面源污染对河流生态系统的潜在危害。
[0018] 理念创新,将河流传统生态修复与面源污染控制相结合,运用生物强化技术,实现对面源污染特别是面源污染中难降解有机污染物的去除。
[0019] 河岸带区域硬质护坡生态化改造方法,利用自然亲和性较强的环境友好材料(贝壳、秸杆、木屑等)增强河岸带力学稳定性为国内首例。本发明通过构建硬质生态护坡材料,实现河岸带地表径流的拦截清除,减少河水与径流对河岸带的冲刷,防止河岸带基质的滑动与位移,增强河岸带的稳定性。同时,基质材料构建时添加C、N、P等生源要素,为高效菌/工程菌的存活和保持提供条件。种植植被,当生态系统稳定后,植被可为基质材料提供营养基质,为高效菌/工程菌的生存和活性提供保障。
[0020] 本发明具有如下显著效果:
[0021] (I)河岸带基质材料生态化改造/改进与面源污染控制相结合,增强了河岸带对·面源污染特别是难降解有机污染物的去除效果,降低了面源污染给河流生态系统导致的潜在风险。
[0022] (2)构建基质材料的原材料属于环境友好材料,不会对生态环境造成影响,符合生态学原则。河岸带清除面源污染系统无需外加动力,日常管理、维护简单易行,具有节能、低碳效应。
[0023] (3)对河岸带区域硬质护坡材料进行改进/改造,其特点为投资小,成本低,见效快,清除效果好,不产生二次污染,实现原位修复等,具有良好的市场效果。
附图说明
[0024] 图I为构建的生态护坡的结构示意图;
[0025] 图2为生态护坡构件的结构示意图。
具体实施方式
[0026] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
[0027] 实施例
[0028] 一种构建基于生物强化截留清除面源污染的生态护坡的方法,包括以下步骤:
[0029] (I)调查目标河流的水文条件(包括流速、流量、枯水位、常水位、最高洪水位、洪峰流量等)及该河流沿河面源污染负荷量:实验分析面源污染中污染物特征(包括污染物的组成和含量),明确目标污染物降解高效菌的筛选或基因工程菌的构建;根据单位长度河岸带承接面源污染负荷量和高效菌(或基因工程菌)对目标污染物的去除效率计算面源污染水力停留时间,综合考虑河岸带地貌特征和护坡渗透系数等,以此为依据优化基质材料的孔隙率、密度以及护坡结构构件形态等。
[0030] (2)包埋高效去除目标污染物的高效菌或基因工程菌:微生物是生态护坡中的功能单元,基质材料中微生物群落主要由去除目标污染物的高效菌种和携带难降解有机污染物降解功能基因片段的基因工程菌组成。具体方法为:将筛选的高效菌或基因工程菌置于富集培养基中,于30〜38°C下震荡培养30〜50h,本实施例中采用的温度为37°C,震荡培养40h,培养期间补充一定量的目标污染物作为选择压力,数次离心、洗脱后将菌体重悬于加有目标污染物的无机盐培养液中,配置成比例为I : 100(W/V)的菌悬液。
[0031] (3)生态护坡构件的构建:构建的生态护坡构件的结构单元是微生物的附着载体,生态护坡构件不仅决定了微生物是否存活的环境条件,而且还决定了微生物的活性,直接影响到污染物清除效率。构件构建的原材料应以就地取材为原则,具体方法为:选取当地贝壳、秸杆、木屑以及固化后的疏浚底泥,将上述材料破碎成粒径范围在5〜15mm的均质材料,配制成固化后疏浚底泥:贝壳:秸杆:木屑:环境友好型粘着剂:保水剂混合比例(质量比)为10±5 :5:1:1:1: I的基质原材料,本实施例中固化后疏浚底泥:贝壳:秸杆:木屑:环境友好型粘着剂:保水剂混合比例(质量比)为10 : 5 : I : I : I : I。用葡萄糖、尿素、磷酸盐等将其C : N : P调整到100 : 5 : 1,投加20%〜25%的菌悬液,充分混合,用保水剂和环境友好型粘着剂制作成中空六面体的生态护坡构件,中空六面体的生态护坡构件为边长为50cm,高度为15cm,厚为IOcm的中空六面体,其结构如图2所示。
[0032] (4)生态护坡构件的养护:在生态护坡中空内播撒草本植物种子,间隔种植乔木或灌木,进行生态护坡养护。护坡植被选育以本地种为主,建设初期可补种一部分先锋种。生态护坡上种植植物一方面为河流生态系统调节微气候,增强景观性和中和河岸带建设过程中的碳排放;另一方面,植物根系不断向护坡基质中提供营养基质,补充养分和空隙中的氧含量,为生态护坡截留、清除面源污染的长久性和稳定性提供了条件,将生态护坡构件排列后砌在河岸两边,构建得到的生态护坡其结构如图I所示。

Claims (10)

1.构建基于生物強化截留清除面源污染的生态护坡的方法,其特征在于,该方法包括以下步骤: (1)调查河流水文条件,确定单位长度河岸带面源污染负荷及其水力停留时间,分析沿河面源污染特征; (2)针对沿河面源污染特征,筛选高效去除面源污染的高效菌或构建能去除难降解有机污染物的基因工程菌; (3)通过环境友好型粘着剂将护坡构件材料与高效菌或基因工程菌构建成中空六面体的生态护坡构件; (4)将生态护坡构件排列后砌在河岸两边,然后在中空六边形柱体的生态护坡构件中种植植物,即构建成生态护坡。
2.根据权利要求I所述的构建基于生物強化截留清除面源污染的生态护坡的方法,其特征在于,步骤(I)中所述的调查河流水文条件是包括河流过水断面流量、流速、沿河面源污染负荷量、污染特征,并以此计算污染物水力停留时间,确定河岸带区域护坡构件用量及设置构件布设形式,确保污染物的水力停留时间大于污染物全部清除所需要的时间。
3.根据权利要求I所述的构建基于生物強化截留清除面源污染的生态护坡的方法,其特征在于,步骤(2)中所述的高效菌是以步骤(I)检测出的污染物为唯一碳源和能源筛选去除面源污染的高效菌;所述的基因工程菌是携帯能去除步骤(I)检测出的难降解有机污染物的可移动行基因片段的基因工程菌。
4.根据权利要求I或3所述的构建基于生物強化截留清除面源污染的生态护坡的方法,其特征在于,所述的高效菌为巨大芽孢杆菌Bacillus megateium或嗜中温假单胞菌PseudomonasmesophiIlea。
5.根据权利要求I或3所述的构建基于生物強化截留清除面源污染的生态护坡的方法,其特征在于,所述的基因工程菌为Pseudomonasmesophilica SM1443。
6.根据权利要求I所述的构建基于生物強化截留清除面源污染的生态护坡的方法,其特征在于,步骤(2)中所述的高效菌或基因工程菌经筛选出后,于30〜38°C下震荡培养30〜50h,培养期间补充污染物作为选择压力,将其离心、洗脱,最后将获得的菌体重悬于加有污染物的培养液中,配置成比例为I : 100(W/V)的菌悬液。
7.根据权利要求I所述的构建基于生物強化截留清除面源污染的生态护坡的方法,其特征在于,步骤(3)中所述的护坡构件材料为固化后疏浚底泥、贝壳、秸杆、木屑及保水齐U,步骤(3)具体包括以下步骤:将固化后疏浚底泥:贝壳:秸杆:木屑:环境友好型粘着剂:保水剂按重量比为(5〜15) :5:1:1:1: I混合,然后向其中投加20%〜25wt %的由高效菌或基因工程菌构成的菌悬液,得到混合基质材料,再采用葡萄糖、尿素、磷酸盐将混合基质材料中C : N : P(质量比)调节至(90〜110) : 5 : I,将得到的材料构建成中空六面体的生态护坡构件即可。
8.根据权利要求7所述的构建基于生物強化截留清除面源污染的生态护坡的方法,其特征在于,所述的环境友好型粘着剂为聚合物防水胶结粉。
9.根据权利要求7所述的构建基于生物強化截留清除面源污染的生态护坡的方法,其特征在于,所述的保水剂为聚Y-谷氨酸(Y-PGA)。
10.根据权利要求I所述的构建基于生物強化截留清除面源污染的生态护坡的方法,其特征在于,步骤(3)中所述的中空六边形柱体的生态护坡构件为边长为50cm,高度为15cm,厚为IOc m的中空六边形柱体。
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