CN104478090B - 一种多通道生物填料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种多通道高效生物填料。它是通过筛选高效脱磷除氮菌种和通过基因工程构建高效降解机有污染物的菌种，复配有粉煤灰物质，硅酸盐、粘土以及掺入提高硬结强度外加剂，制成含有多通道形状的高效生物填料。本产品置于河道、湖泊池底或者作为湿地的基质，产品中的粉煤灰、火山岩等物质够吸附水中氮磷、微量有机污染物等水底或者池底有害物质、补充水体微量元素，产品中微生物能够降解被吸付的物质，去除水体COD（化学需要氧量）、氨氮，总氮、总磷和浊度，明显改善水体pH、提高水体透明度，对河道、湖泊和湿地等水体的水质净化起到良好的效果。

Description

一种多通道生物填料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及湖泊、河道和湿地修复领域的物理、化学和生物的综合技术。更具体地说是一种多通道形状的生物填料及其应用。
背景技术
近年来，随着工业的发展和人口的集中，人们对河道、湖泊的污染也越来越严重，具体表现在生活垃圾、各种废水、农畜牧业垃圾等含有的大量的内分泌干扰物（EndocrineDisruptingChemicals,EDCs）、阴离子表面活性剂（LinearAlkylbenzeneSulphonates,LAS）、药物及个人护理用品（PharmaceuticalandPersonalCareProducts,PPCPs）直接排入河道和湖泊中，从而造成水体的污染和富营养化。同时，各地出现大量的化学工业园区，化工工业园区产生的废水含有大量多环芳烃（PolycyclicAromaticHydrocarbons,PAHs）、苯系物质等污染物。由于这些新兴污染物质和多环芳烃和苯系物质在全世界的广泛存在及其处理好坏将直接影响人体健康和受纳水体的水质，因此越来越多的科学研究正指向这些污染物质。
河道、湖泊中水体的污染和富营养化程度严重，造成水生植物蓝藻暴发，水体变黑臭，环境恶化对城市居民的健康和城市生态安全构成了严重威胁。工业园区的湿地有机污染物得不到降解和去除，直接排放河流同样会造成河道湖泊的危害。对湖泊、河道领域和湿地领域进行修复治理已是社会经济发展与城市景观生态环境建设的迫切需要。
如何恢复河流和湖泊原有生态结构，目前国内外传统城市河道治理主要采用物理化学等手段，这些方法尽管有效，效果随着时间推移又会变差，消耗大量的人力财力。且化学方法易对环境产生二次污染，则不宜使用。利用粉煤灰、火山岩、砾石粒料和工业废渣等物质作为微生物载体制成的生物填料辅助其他治理手段能彻底根本改善水质，生物填料具有耐久性、耐腐蚀性和稳定性，其独特的性能是其它材料不可替代的。该方法效果好、无二次污染。从社会效益上看---生物填料项目既能充分利用粉煤灰等工业废渣，减少环境污染、节能降耗、废为宝、保护土地资源。产品作为湿地基质放置于湿地中上层，也可以放置于河道和湖泊底部。生物填料的疏松多孔的基质（如火山岩等）可以为微生物提供较大的附着面积，为微生物附着、生长和降解有机污染物提供微环境空间。矿渣和火山岩基质还能为微生物提供微量元，利于形成大量生物膜，基质通过吸附污染物不仅可以降低出水浓度，还通过这种固定污染物的方式，提高污染物与微生物的接触时间，利于污染物被降解去除，生物填料中存在吸附和生物降解的协同作用，微生物降解使得填料具有存在持续的吸附能力，随着运行时间的延长，截留比例将会下降，而微生物去除的比例将会上升。对河道、湖泊湿地等水体的水质净化起到良好的效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种河道、湖泊和湿地生态修复方法，利用生物填料对河道湖泊和湿地进行生态修复，抗外界干扰的能力增强，系统能稳定持续维持较好状态。
本发明公开的技术内容如下：
一种多通道生物填料，其特征在于它是有下述重量份数的原料组成：
复合粘土1-3份；外加剂0.04-0.05份；
粉状菌剂2-4份；复合砂石2-6份；
硅酸盐1-2份；
所述的粉状菌剂指的是由芽孢杆菌、副球菌、絮凝菌组成；
所述的复合粘土指的是由粘土与炉渣、矿渣、粉煤、沸石粉组成；
所述的外加剂指的是混凝土外加剂（市场均有销售，混凝土外加剂中的引气剂），按0.04-0.05份混合料重量比，用喷雾装置均匀的喷洒在混合料中，在制作填料过程中可以在混合物搅拌过程中能引入大量均匀分布、稳定而封闭的微小气泡。
所述的复合砂石指的是由砾石、火山岩、炉渣组成。
优选的原料组成：
复合粘土3份；外加剂0.05份；
粉状菌剂2份；复合砂石5份；
硅酸盐2份；
所述的粉状菌剂指的是由芽孢杆菌、副球菌、絮凝菌组成；其中芽孢杆菌：副球菌：絮凝菌的重量份数比为5：3：1；
所述的外加剂指的是混凝土外加剂（市场均有销售，混凝土外加剂中的外加引气剂），按0.05份混合料重量比，用喷雾装置均匀的喷洒在混合料中；
所述的复合粘土指的是由粘土与炉渣、矿渣、粉煤、沸石粉组成；其中粘土：炉渣：矿渣：粉煤：沸石粉的重量份数比为2：2：2：2：1；
所述的复合砂石指的是由砾石：火山岩：炉渣组成；其中砾石：火山岩：炉渣的重量份数比为1：1：1。
本发明进一步公开了多通道生物填料粉状菌剂的制备方法如下：
（1）条件控制：不同菌分别利用300吨的发酵罐发酵，其中溶氧控制1mg-5mg/L，低于该范围搅拌器转速和曝气量自动提高；pH设置为6-8；温度控制在30℃，超过范围，自动调节保温装置的热水和冷水阀门；
（2）培养基成分为：(NH4)2SO41g/L，K2HPO40.3g/L，KH2PO40.7g/L，MgSO40.05g/L，酵母抽提物0.5g/L，蛋白胨0.5g/L，pH为6-8，NaCl为0.75g/L，其中微量元素0.02-0.04g/L。
（3）发酵后液体用离心机离心，上清弃掉，沉淀后的菌体参入复合粘土，其中复合粘土：菌的重量分数比为1：2，制作为菌的粉剂。
（4）制成多种类的菌剂后，在制作多通道生物填料中按照不同比例添加不同量的菌剂。
本发明更进一步公开了多通道生物填料的制备方法，其特征在于按如下的步骤进行：
（1）将松散颗粒的复合粘土过80目筛选备用；其中粘土：炉渣：矿渣：粉煤：沸石粉的重量份数比为2：2：2：2：1；
（2）复合砂石粒径为0.5cm的备用；其中砾石：火山岩：炉渣的重量份数比为1：1：1；
（3）将不同的三类菌按照芽孢杆菌、副球菌、絮凝菌按照重量份数比为5：3：1制成粉状菌剂备用；
（4）当砂土含水率为3-5%（w/w），成型时的用水量为10%；若原料细砂过多，则降至8%（w/w）；
（5）将步骤（1）-（3）制成的粉剂、硅酸盐和外加剂（市场均有销售，混凝土外加剂中的外加引气剂）按照比例混配，湿混料时间以物料不结块为宜，混合好的料存放时间以2-5小时。混料时间长就能混均匀。干混料20分钟比10分钟的强度提高15—23%；湿混料时间以物料不结块为宜。混合好的料存放时间以2小时左右为宜，时间太长或太短。
（6）自然养护7-10天形成多通道生物填料；相当于28天龄期强度的67—90%；28天龄期强度为一个季度龄期强度的80—95%。
本发明更进一步公开了多通道生物填料在水质净化方面、在改善水体pH、提高水体透明度方、在河道、湿地和池塘清淤后微生物水质净化方面的应用。
本发明的优点及效果：本发明一次性使用，经过适当调整与完善，河道湖泊和湿地水体系统将自我持续运行，降低人为维护及修复成本。修复后的水生态系统具有一定抗外界干扰能力，当受到小于系统耐受阈值的污染时，系统将污染自动化解而继续运行下去，具有一定的纳污、除污能力，不会产生任何污染物，生态环保。
本产品温度使用范围为10-40℃水温下，在此温度下保证微生物能够正常生长繁殖，适合南北方河道、湿地和池塘清淤后的微生物水质净化。
附图说明：
图1为COD、总磷、磷酸盐的变化趋势；
图2为总氮、氨氮、硝氮和亚硝氮变化趋势。
具体实施方式：
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明：下述各实施例仅用于说明本发明而并非对本发明的限制。本发明用到的：(NH4)2SO4，K2HPO4，KH2PO4，MgSO4，外加剂、酵母抽提物，蛋白胨，NaCl，微量元素均有市售。
本发明用到的芽孢杆菌、副球菌、絮凝菌的获得方法，详见文献报道，文献描述了芽孢杆菌、副球菌、絮凝菌的获得方法和生化特性。菌株保存完好，天津市环境保护科学研究院可以免费对外提供。
本发明所用原料的来源如下：
实施例1
多通道生物填料组成：
复合粘土3份；外加剂；0.05份；
粉状菌剂2份；复合砂石；5份；
硅酸盐2份；
所述的外加剂指的是混凝土外加剂（市场均有销售，混凝土外加剂中的外加引气剂），按0.05份混合料重量比，用喷雾装置均匀的喷洒在混合料中；
所述的粉状菌剂指的是由芽孢杆菌、副球菌、絮凝菌组成；其中芽孢杆菌：副球菌：絮凝菌的重量份数比为5：3：1；所述的复合粘土指的是由粘土与炉渣、矿渣、粉煤、沸石粉组成；其中粘土：炉渣：矿渣：粉煤：沸石粉的重量份数比为2：2：2：2：1；
所述的复合砂石指的是由砾石：火山岩：炉渣组成；其中砾石：火山岩：炉渣的重量份数比为1：1：1。
（一）粉状菌剂的制备方法：
（1）条件控制：不同菌分别利用300吨的发酵罐发酵，其中溶氧控制2mg/L，低于该范围搅拌器转速和曝气量自动提高；pH设置为6；温度控制在30℃，超过范围，自动调节保温装置的热水和冷水阀门；
（2）培养基成分为：(NH4)2SO41g/L，K2HPO40.3g/L，KH2PO40.7g/L，MgSO40.05g/L，酵母抽提物0.5g/L，蛋白胨0.5g/L，pH为6，NaCl为0.75g/L，其中微量元素0.02g/L；
（3）发酵后液体用离心机离心，上清弃掉，沉淀后的菌体参入复合粘土，其中复合粘土：菌的重量分数比为1：2，制作为菌的粉剂。
（4）制成多种类的菌剂后，在制作多通道生物填料中按照不同比例添加不同量的菌剂。
（二）多通道生物填料的制备方法：
（1）将松散颗粒的复合粘土过80目筛选备用；其中粘土：炉渣：矿渣：粉煤：沸石粉的重量份数比为2：2：2：2：1；
（2）复合砂石粒径为0.5cm的备用；其中砾石：火山岩：炉渣的重量份数比为1：1：1；
（3）将不同的三类菌按照芽孢杆菌、副球菌、絮凝菌按照重量份数比为5：3：1制成粉状菌剂备用；
（4）当砂土含水率为3%（w/w），成型时的用水量为10%；若原料细砂过多，则降至8%（w/w）；
（5）将步骤（1）-（3）制成的粉剂、硅酸盐和外加剂（市场均有销售，混凝土外加剂中的外加引气剂），按照比例混配，湿混料时间以物料不结块为宜，混合好的料存放时间以2小时。混料时间长就能混均匀。干混料20分钟比10分钟的强度提高15%；湿混料时间以物料不结块为宜。混合好的料存放时间以2小时左右为宜，时间太长或太短。
（6）自然养护7天形成多通道生物填料；相当于28天龄期强度的67%；28天龄期强度为一个季度龄期强度的80%。
实施例2
复合粘土1份；外加剂0.05份；
粉状菌剂2份；复合砂石2份；硅酸盐1份；
所述的外加剂指的是混凝土外加剂（市场均有销售，外加剂的引气剂），按0.05份混合料重量比，用喷雾装置均匀的喷洒在混合料中；
所述的粉状菌剂指的是由芽孢杆菌、副球菌、絮凝菌组成；其中芽孢杆菌：副球菌：絮凝菌的重量份数比为5：3：1；所述的复合粘土指的是由粘土与炉渣、矿渣、粉煤、沸石粉组成；其中粘土：炉渣：矿渣：粉煤：沸石粉的重量份数比为2：2：2：2：1；
所述的复合砂石指的是由砾石：火山岩：炉渣组成；其中砾石：火山岩：炉渣的重量份数比为1：1：1。
（一）粉状菌剂的制备方法：
（1）条件控制：不同菌分别利用300吨的发酵罐发酵，其中溶氧控制5mg/L，低于该范围搅拌器转速和曝气量自动提高；pH设置为8；温度控制在30℃，超过范围，自动调节保温装置的热水和冷水阀门；
（2）培养基成分为：(NH4)2SO41g/L，K2HPO40.3g/L，KH2PO40.7g/L，MgSO40.05g/L，酵母抽提物0.5g/L，蛋白胨0.5g/L，pH为8，NaCl为0.75g/L，其中微量元素0.04g/L，
（3）发酵后液体用离心机离心，上清弃掉，沉淀后的菌体参入复合粘土，其中复合粘土：菌的重量分数比为1：2，制作为菌的粉剂。
（4）制成多种类的菌剂后，在制作多通道生物填料中按照不同比例添加不同量的菌剂。
（二）多通道生物填料的制备方法：
（1）将松散颗粒的复合粘土过80目筛选备用；其中粘土：炉渣：矿渣：粉煤：沸石粉的重量份数比为2：2：2：2：1；
（2）复合砂石粒径为0.5cm的备用；其中砾石：火山岩：炉渣的重量份数比为1：1：1；
（3）将不同的三类菌按照芽孢杆菌、副球菌、絮凝菌按照重量份数比为5：3：1制成粉状菌剂备用；
（4）当砂土含水率为5%（w/w），成型时的用水量为10%；若原料细砂过多，则降至8%（w/w）；
（5）将步骤（1）-（3）制成的粉剂、硅酸盐和外加剂（市场均有销售，外加剂的引气剂），按照比例混配，湿混料时间以物料不结块为宜，混合好的料存放时间以5小时。混料时间长就能混均匀。干混料20分钟比10分钟的强度提高23%；湿混料时间以物料不结块为宜。混合好的料存放时间以2小时左右为宜，时间太长或太短。
（6）自然养护10天形成多通道生物填料；相当于28天龄期强度的90%；28天龄期强度为一个季度龄期强度的95%。
实施例3
在河道治理中，河道一般都要修建溢流坝，分割成几段（每段长度约200-500m），在溢流坝上方加筑0.3-0.5米高的长效空心生物填料控制水流速度，增加水体滞留各段的时间，提高处理效率。各段之间利用中间有孔的生物填料保持一定的高程差，水从一段蓄满流入另一段时形成小瀑布，起到自然曝气增氧的作用。各河段利用免烧空心砖制造河道的坡度，构建河道的土堆、石堆、洞穴使河道微环境复杂化，利于河道的修复和水体净化。
实施例4
在湖泊治理中，可以长期置于水体中，无污染、经久耐用、不会造成二次污染。对氨氮去除率达到95%以上，COD去除率大于75%，总氮总磷均有去除。出水达到国家地表三类水标准。
实施例5
在湿地修复中做为湿地的基质，放置在湿地的上面，作为湿地中上层基基质，高度大0.5-1米左右。湿地中多孔径的生物填料中含有的有机质较多的如砂土、粘土类基质，能够对悬浮物的截留和对污染物的吸附达到降低污染物出水浓度，通过表面吸附固定芳香族化合物污染物外，还可以通过分配作用获得更好的污染物去除效果。避免单纯的此类基质粒径小，会因湿地孔隙率过小而带来易引起堵塞及湿地复氧能力减弱的问题。
多孔径的生物填料中含有的火山岩、沸石等基质主要成分为硅铝酸盐，该类基质对有机物的吸附和对微生物的吸附都将起很大作用。多孔径的生物填料中利用工业废物如炉渣、煤灰等环保节能，变废为宝。生物填料为微生物生长附着提供空间等方面也发挥一定的作用。生物填料表面粗糙、疏松多孔的基质（如陶粒和火山岩可以为微生物提供较大的附着面积，利于形成大量生物膜，微生物总量达（121g/1）。
实施例6
实验效果监测
将上述的4块生物填料（240mm×140mm×115mm）放置于2m3水池中，一个池子不投加生物填料，二个水池置于室外自然状态，保证水中浮游微生物光合作用的正常作用正常进行，水取自天津市北塘区某段河道水，每天取走水池中20升水进行检测，然后添加20升新水。经过2个月研究发现河道水质走向图见下面数据利用国标法检测结果：
1、COD、总磷、磷酸盐的变化趋势
通过对原水和添加生物填料的河水中COD、总磷、磷酸盐的对比，可以知道，原水样品中，COD开始由于光合细菌的作用呈现上升趋势，随着时间的变化，COD出现下降。添加多孔径生物填料的废水，刚开始将多孔径的生物填料放入河水中，有部分菌种和营养物质的溶出，导致初始河水的COD、总磷、磷酸盐升高，经过10天左右的运行，生物填料开始出现吸附和降解作用，河水中COD、磷、磷酸盐减少，经过16天左右的运行，河道水中的COD开始急剧下降，低于对比值，并且趋于稳定走势。随着时间推移水体中的总磷、磷酸盐逐渐下降，并趋于稳定运行趋势。图中可以看到生物填料对于河道中有总磷和磷酸盐的降低趋势一直低于原水。说明微多孔径的生物填料中的脱磷菌和填料的吸附作用对水体的磷元素的去除具有一定的作用。
2、总氮、氨氮、硝氮和亚硝氮变化趋势
通过对原河水和添加生物填料的河水中总氮、氨氮、硝氮和亚硝氮的对比，可以知道，原水样品中，随着时间的变化，总氮、氨氮、亚硝氮出现下降。添加生物填料的废水，刚开始将生物填料放入河水中，有部分菌种和营养物质的溶出，导致初始河道水的总氮、氨氮升高高，经过6天左右的运行，总氮、氨氮开始下降，20天左右，生物填料作用明显高于为投加长效填料的河水。由于填料中微生物的硝化作用和填料吸附作用，河水总氮、氨氮大幅度降低低于对比值，并且趋于稳定走势。微生物的硝化作用增加，导致水体中的硝氮随着时间推移含量增加，亚硝氮减少，总氮减少，说明长效填料的硝化作用增加，对于河道中总氮和氨氮去除具有一定的作用。
将上述的块状生物填料放置于有效容积2m3（2.4m×1.2m×0.8m）的水池中，模拟湿地结构，上下层放置砾石，中间层放置多孔生物填料，基质以上种植香蒲和芦苇。水流从下进水上出水。配制营养液（含氮磷），有机污染物配置300mg/L的苯酚与营养液中。连续运行3个月后，检测苯酚出去率，实验结果显示：添加生物填料的湿地对苯酚的去除率达到31.7%，而为添加生物填料对苯酚的去除率仅仅维持在10.1%左右。说明生物填料对于有机污染物具有一定的去除效果。
实施例7
按照实施例6中装置和水质，其中实验后期水质中添加有机污染物苯酚。通过三个月实验对比发现出水水质，苯酚的去除率比对比实验值高20%。
1、段云霞，郑先强，吕晶华，等，甲苯降解菌的降解特性及生物强化作用的研究，环境污染与防治，2011，7（33）：50-53。
2、段云霞，韩振为，隋红，李鑫钢。生物通风技术中微生物对污染物甲苯二种形式降解的对比研究。农业环境科学学学报，2004,(3):475-478
3、吕晶华，郑先强，唐运平，段云霞，高浓度难降解工业废水菌种筛选及其降解特性研究，城市环境与城市生态，2011,24（3）：30-33。
4、郑先强,刘桂梅,刘沐之等.一种新型絮凝剂产生菌的筛选方法及其应用.城市环境与城市生态,2008，(3)：21-25
5、徐大勇，段云霞，3株反硝化聚磷菌的筛选和鉴定，中国科技纵横，2011（125）365-366。

Claims (7)

1.一种多通道生物填料，其特征在于它是由下述重量份数的原料组成：
复合粘土1-3份；
外加剂0.04-0.05份；
粉状菌剂2-4份；
复合砂石2-6份；
硅酸盐1-2份；
所述的外加剂指的是：引气剂；
所述的粉状菌剂指的是由枯草芽孢杆菌，副球菌，絮凝菌组成；
所述的复合粘土指的是由粘土与炉渣，矿渣，粉煤，沸石粉组成；
所述的复合砂石指的是由砾石，火山岩，炉渣组成。
2.权利要求1所述的多通道生物填料，它是由下述重量份数的原料组成：
复合粘土3份；
外加剂0.05份；
粉状菌剂2份；
复合砂石5份；
硅酸盐2份；
所述的外加剂指的是：引气剂；
所述的粉状菌剂指的是由枯草芽孢杆菌，副球菌，絮凝菌组成；其中枯草芽孢杆菌：副球菌：絮凝菌的重量份数比为5：3：1；
所述的复合粘土指的是由粘土与炉渣，矿渣，粉煤，沸石粉组成；其中粘土：炉渣：矿渣：粉煤：沸石粉的重量份数比为2：2：2：2：1；
所述的复合砂石指的是由砾石，火山岩，炉渣组成；其中砾石：火山岩：炉渣的重量份数比为1：1：1。
3.权利要求1或2所述的多通道生物填料，其中粉状菌剂的制备方法如下：
（1）条件控制：不同枯草芽孢杆菌、副球菌、絮凝菌分别利用300吨的发酵罐发酵，其中溶解氧控制1mg-5mg/L，低于该范围搅拌器转速和曝气量自动提高；pH设置为6-8；温度控制在30℃；其中枯草芽孢杆菌：副球菌：絮凝菌的重量份数比为5：3：1；
（2）培养基成分为：
(NH4)2SO41g/L，K2HPO40.3g/L，KH2PO40.7g/L，
MgSO40.05g/L，酵母抽提物0.5g/L，蛋白胨0.5g/L，
pH为6-8，NaCl为0.75g/L，
其中微量元素0.02-0.04g/L，
（3）发酵后液体用离心机离心，上清弃掉，沉淀后的复合菌体加入到复合粘土中，所述的复合粘土：复合菌体的重量份数比为1：2，制作成粉状菌剂；
所述的粉状菌剂指的是由枯草芽孢杆菌，副球菌，絮凝菌组成；其中枯草芽孢杆菌：副球菌：絮凝菌的重量份数比为5：3：1；
所述的复合粘土指的是由粘土与炉渣，矿渣，粉煤，沸石粉组成；其中粘土：炉渣：矿渣：粉煤：沸石粉的重量份数比为2：2：2：2：1；
（4）制成多种类的菌剂后，在制作多通道生物填料中按照不同比例添加不同量的菌剂。
4.权利要求1或2所述多通道生物填料的制备方法，其特征在于按如下的步骤进行：
（1）将松散颗粒的复合粘土过80目筛选备用；其中所述的复合粘土是由粘土，炉渣，矿渣，粉煤，沸石粉组成；粘土：炉渣：矿渣：粉煤：沸石粉的重量份数比为2：2：2：2：1；
（2）复合砂石粒径为0.5cm的备用；其中砾石：火山岩：炉渣的重量份数比为1：1：1；
（3）将不同的三类菌按照芽孢杆菌、副球菌、絮凝菌按照重量份数比为5：3：1制成粉状菌剂备用；
（4）当砂土含水率为3-5%（w/w），成型时的用水量为10%；
（5）按照比例混配，湿混料时间以物料不结块为宜，混合好的料存放时间为2-5小时；
（6）自然养护7-10天形成多通道生物填料。
5.权利要求1所述多通道生物填料在水质净化方面的应用。
6.权利要求1所述多通道生物填料在改善水体pH、提高水体透明度方面的应用。
7.权利要求1所述多通道生物填料在河道、湿地和池塘清淤后微生物水质净化方面的应用。
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