CN104671416B - 修复富营养化水体的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种修复富营养化水体的装置，包括两个圆形支撑骨架和若干根串接有红球菌载体的固定条，所述固定条的首尾分别与两个圆形支撑骨架固定连接，所述一个圆形支撑架上布置若干根分割条，使该圆形支撑骨架被分割成多个方格，所述方格内种植有水生植物；所述分布有分割条的圆形支撑骨架上还固定有浮漂。本发明提供的修复富营养化水体的装置充分发挥微生物与植物修复的各自优势，构建微生物系统为核心(水下部分)并辅助植物修复系统(水面部分)的复合植物‑微生物修复系统，满负荷利用水体的立体结构，实现对富营养化水体的高效净化。

Description

修复富营养化水体的装置
技术领域
本发明涉及水污染治理技术领域，特别是涉及一种利用植物-微生物联合修复富营养化水体的装置。
背景技术
目前我国水体的富营养化较为严重，尤其是水流流动较小的湖泊、河道和湿地系统，主要原因为水体中氨氮、磷、硫化氢、化学需氧量(COD)、生化需氧量(BOD)等污染物超标。与常规生物处理单元(集中处理式污水厂)相比，湖泊、河道和湿地等系统具有水量大、水里停留时间长及分散区域广等特点，亟需开发低成本的生物修复技术实现原位的污染物消减与水体生态功能恢复。
利用生态-生物修复技术是原位治理富营养化水体的新技术，利用植物吸收或微生物的生命活动，实现对水中污染物进行转移、转化及降解作用，主要包括生物膜法、水生植物系统、生物菌剂投放法和河道复氧法等，但是这些方法存在市场推广难度大、微生物菌在水体中的存活时间短、使用成本较高等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提出一种修复富营养化水体的装置，以降低水体的净化成本，提高水体的净化效率。
基于上述目的，本发明提供的修复富营养化水体的装置包括两个圆形支撑骨架和若干根串接有红球菌载体的固定条，所述固定条的首尾分别与两个圆形支撑骨架固定连接，所述一个圆形支撑架上布置若干根分割条，使该圆形支撑骨架被分割成多个方格，所述方格内种植有水生植物；所述分布有分割条的圆形支撑骨架上还固定有浮漂。
在本发明的一个实施例中，所述红球菌载体的制备过程包括：
将活菌数达到1.5×109CFU/ml以上的红球菌发酵液喷到软性微生物填料上，喷至填料的吸附量饱和，所述软性微生物填料的比表面积为600～800m2/m3；
通过封闭输送装置将所述喷有红球菌发酵液的软性微生物填料送入真空干燥室，干燥室温度35～40℃，干燥8～10小时，即制成红球菌载体。
在本发明的另一个实施例中，所述软性微生物填料选自聚丙烯填料束和/或聚丙烯填料束。
在本发明的另一个实施例中，所述软性微生物填料为圆环状，将醛化纤维或涤纶丝压缠绕在环圈上，使纤维束均匀分布，模拟天然水草形态加工而成。
在本发明的又一个实施例中，所述红球菌保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏号为CGMCC No.6924。
在本发明的另一个实施例中，所述红球菌发酵液的制备过程包括以下步骤：
采用氢氧化钠水溶液或石灰水调节甘薯淀粉废水的pH到6.5～7.5，灭菌后得到经过预处理的甘薯淀粉废水；
向所述经过预处理的甘薯淀粉废水中接种斜面保藏的红球菌，于25～37℃、100～200转/分振荡培养24～36小时，得到液体种子；
向所述经过预处理的甘薯淀粉废水中接种体积比为2～15％的所述液体种子，于25～37℃，通入无菌空气，培养15～36小时，得到活菌数达到1.5×109CFU/ml以上的红球菌发酵液。
在本发明的另一个实施例中，所述两个圆形支撑骨架之间均匀固定8～10根固定条。
在本发明的又一个实施例中，每米固定条上串接6～8个红球菌载体，所述圆形支撑骨架的半径为50～80cm，所述方格的尺寸为2～4cm×2～4cm。
在本发明的又一个实施例中，所述水生植物选自狐尾藻、美人蕉、水葫芦、水花生和菖蒲中的至少一种，所述圆形支撑骨架由竹子、藤条和柳条中的至少一种弯曲制成。
在本发明的又一个实施例中，所述水生植物在方格内的种植密度为10～20株/m2。
从上面所述可以看出，本发明提供的修复富营养化水体的装置充分发挥微生物与植物修复的各自优势，构建微生物系统为核心(水下部分)并辅助植物修复系统(水面部分)的复合植物-微生物修复系统，满负荷利用水体的立体结构，实现对富营养化水体的高效净化，且具有景观生态功能。
本发明的微生物系统以农业废弃物生物转化的高效脱氮菌剂红球为主，并为其提供迅速定殖的软性载体，植物修复系统以氮、磷高富集植物狐尾藻、美人蕉等为主，并为其提供可随水位升降的支座，形成根孔净化、水生植物配置与微生态原位净化的多级脱氮除磷措施，对水流流动较小富营养化水体COD、氮和磷的去除率可稳定在50％以上，实现功能微生物与植物通过物理、化学和生物组合条件下对水体污染物的快速吸收与降解。
本发明提供的修复富营养化水体的装置具有生产原料低廉(农林废弃物)、投资少、操作简单、使用寿命长及安装、后期维护方便、无需能耗等优点。本发明提供了一项治理富营养化水体的崭新途径，具有良好的经济效益和社会效益，尤其适用于水流流动较小的富营养化水体。
附图说明
图1为本发明实施例修复富营养化水体的支座的结构示意图；
图2为本发明实施例修复富营养化水体的装置顶部的结构示意图；
图3为本发明实施例修复富营养化水体装置的整体结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参见图1和图2，分别为本发明实施例修复富营养化水体的支座和修复富营养化水体的装置顶部的结构示意图，图3为本发明实施例修复富营养化水体装置整体结构示意图。
作为本发明的一个实施例，所述修复富营养化水体的装置包括两个圆形支撑骨架1和若干根串接有红球菌载体3的固定条，所述固定条2的首尾分别与两个圆形支撑骨架1固定连接。所述一个圆形支撑架上布置若干根分割条5，使该圆形支撑骨架1被分割成多个方格，所述方格内种植有水生植物6；所述分布有分割条5的圆形支撑骨架1上还固定有浮漂4。
所述红球菌载体3是指负载有红球菌发酵液的软性微生物填料。可选地，所述固定条2可以选自刚性尼龙绳或者皮条。较佳地，所述固定条2的首尾两端不要串接红球菌载体3，以便于将固定条2固定在圆形支撑骨架1上。
作为本发明的一个实施例，所述修复富营养化水体的装置的制作过程包括以下步骤：
1、制备菌剂
采用氢氧化钠水溶液或石灰水调节甘薯淀粉废水的pH到6.5～7.5，然后于121℃灭菌15分钟，得到经过预处理的甘薯淀粉废水。向装有所述经过预处理的甘薯淀粉废水的三角瓶中接种斜面保藏的红球菌，于30℃、150转/分振荡培养24～36小时，得到液体种子。
可选地，该株红球菌(Rhodococcus.sp)保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏号：CGMCC No.6924。
接着，向装有所述经过预处理的甘薯淀粉废水的发酵罐中接种体积比为2～15％的所述液体种子，于25～37℃，通入无菌空气，培养15～36小时。培养结束后的发酵液经平板细菌计数，活菌数达到1.5×109CFU/ml以上。
本发明利用甘薯淀粉废水培养红球菌可以降低红球菌的生产成本，又可将甘薯废水资源化利用，节省甘薯淀粉废水处理的费用，一举两得。
2、组装修复富营养化水体的装置
(1)制备红球菌载体
首先，选择比表面积大的聚丙烯膨体丝为原料，将其编织成的软性微生物填料，作为红球菌发酵液的固定化载体。作为本发明的一个实施例，所述聚丙烯膨体丝的比表面积可以为600～800m2/m3。作为本发明的一个实施例，所述软性微生物填料可以是聚丙烯填料束。采用软性微生物填料作为微生物载体可以极大地提高污水处理的效率。该填料的主要功能载体是采用聚丙烯制成的丝条，经过丝条刻痕处理。
所述软性微生物填料一般是圆环状，直径为5～8cm，圆心有孔，固定条可穿过该孔。聚丙烯填料束的结构是圆环状，将醛化纤维或涤纶丝压缠绕在环圈上，使纤维束均匀分布，模拟天然水草形态加工而成。优选地，聚丙烯填料束的内圈是雪花状枝条，既能挂膜，又能有效切割气泡，提高氧的转移速率和利用率，使水气生物膜得到充分交换，使水中的有机物得到高效处理。固定条把红球菌载体成串连接，每米固定条上串接6～8个红球菌载体。
其次，将所述红球菌发酵液装入喷淋机罐，在10万级洁净工作室内打开喷淋器将红球菌发酵液喷到所述软性微生物填料上，喷至填料的吸附量饱和(下端滴水为宜)。通过封闭输送装置送入真空干燥室，干燥室温度35～40℃，干燥8～10小时，即制成红球菌载体。
最后，将红球菌载体串接于固定条上，所述固定条可以选自刚性尼龙绳或者皮条。较佳地，所述固定条的首尾两端不要串接红球菌载体，以便于将固定条的首尾固定在圆形支撑骨架上。
(2)组装修复富营养化水体的支座
挑选软性较强的农林废弃物(例如竹子、藤条或者柳条等)，将其切割成细条状，然后弯曲，首尾固定连接加工成半径为50～80cm的圆形支撑骨架，将若干根串接有红球菌载体的固定条的首尾分别与两个圆形支撑骨架固定连接，即得到修复富营养化水体的支座。
一般在两个圆形支撑骨架之间均匀固定8～10根固定条。可选地，所述固定条的长度为1～2米。
修复富营养化水体的支座可以采用如下方式保存：将组装后的修复富营养化水体的支座真空包装后存放在阴凉干燥处，生物活性能够维持6～9个月。
(3)组装修复富营养化水体的装置
在修复富营养化水体的支座一端的圆形支撑骨架上布置若干根分割条，使圆形支撑骨架被分割成多个方格，再将水生植物(例如狐尾藻、美人蕉、水葫芦，水花生，菖蒲等)种植在方格内，即得到所述修复富营养化水体的装置。
在本发明的一个实施例中，所述水生植物在方格内的种植密度可以为10～20株/m2。在本发明的一个优选实施例中，所述水生植物选自狐尾藻和/或美人蕉。作为本发明的一个实施例，所述方格的尺寸为2～4cm×2～4cm。
作为本发明的一个实施例，所述分割条可以选自刚性尼龙绳。
在本发明的一个较佳实施例中，所述分布有分割条的圆形支撑骨架上还固定有浮漂，以提高所述装置在水中的漂浮稳定性。还可以减少水体内繁琐的固定措施及水体行洪的障碍，更方便、实用，尤其实用于河道系统。
根据富营养化水体程度和水深确定所述修复富营养化水体装置的数量，用尼龙绳将所述修复富营养化水体装置稳定地固定在水体表面防止其漂移。为利于泄洪，可在水流流速稳定的边际安装所述修复富营养化水体装置。
举例来说，在水深为0.5～2.5m的静态水体中，可按照每50～100m2安装1个所述修复富营养化水体装置。水生植物一般在春季3～4月份种植，每2～3个月定期刈割一次。该装置可稳定使用3～4年，一次安装后无需后续维持。
在静态水体中净化装置可稳定的漂浮在水面中，而在流动的河道中需要用尼龙绳把多个所述富营养化水体装置固定起来，防止被水冲走。例如在流动性较小的水体(河道水流流速≤0.3m/s)中需采取外部固定措施：将两条尼龙绳(防腐钢化)平行固定在水面5cm以下并保持平行拉紧，沿尼龙绳方向每5m固定一个所述修复富营养化水体装置。水生植物一般在春季3～4月份种植，，每2～3个月定期刈割一次。该装置可稳定使用2～3年，一次安装后后续仅需定期清理。
实施例1：静态富营养化水塘原位修复试验(江苏宜兴)
该实验地点位于江苏省宜兴市一化工区内，水塘面积约为1000m2，污水来源为生活区生活污水。
首先，利用甘薯废水大规模生物发酵红球菌500L，使其活菌数达到1.0×109CFU/ml以上，装入淋机罐，在10万级洁净工作室内打开喷淋器，将红球菌发酵液喷到约80cm长的软性微生物填料上，喷至填料的吸附量饱和(下端滴水为宜)。通过封闭输送装置送入真空干燥室，干燥室温度38℃，连续干燥10小时，制得红球菌载体。
接着，将红球菌载体串接于尼龙绳上，再将串接有红球菌载体的尼龙绳的首尾分别与两个圆形支撑骨架固定连接。所述圆形支撑骨架由竹子弯曲形成半径为50～80cm的圆环。然后在一个圆环上布置若干根尼龙绳，使圆环被尼龙绳分割成多个长×宽为3cm×3cm的方格，将水生植物狐尾藻种植在方格内。再在该圆环上均匀布置浮漂，即得到所述修复富营养化水体的装置。
最后，在水塘中每50m2安装一个所述修复富营养化水体的装置，共计20个。该实验自2013年11月开始，水体污染物浓度为COD＝63mg/L，TN＝8.5mg/L，氨氮＝6.8mg/L。6个月后水体污染物浓度降为COD＝19mg/L，TN＝1.5mg/L，氨氮＝0.2mg/L，达到地表二类水标准。
实施例2：富营养化河道原位修复试验(北京凉水河)
该实验位于凉水河小红门污水处理厂上游，示范区域约200米长的河段，河宽40～50m，河水水质为劣五类。
首先，将两条长50m的尼龙绳平行固定在水面5cm以下并保持平行拉紧；然后，沿尼龙绳方向每5m固定一个所述修复富营养化水体的装置。最后沿河长方向每10m安装一个所述修复富营养化水体的装置。
该实验自2014年7月开始，河道水体污染物浓度为COD＝80～100mg/L，TN＝9～15mg/L，氨氮＝5～10mg/L。3个月后水体污染物浓度降为COD＝40～50mg/L，TN＝5～10mg/L，氨氮＝3～7mg/L，该修复富营养化水体的装置可消减污染物40％左右。
如上所述，本发明提供的修复富营养化水体的装置充分发挥微生物与植物修复的各自优势，构建微生物系统为核心(水下部分)并辅助植物修复系统(水面部分)的复合植物-微生物修复系统，满负荷利用水体的立体结构，实现对富营养化水体的高效净化。
本发明的微生物系统以农业废弃物生物转化的高效脱氮菌剂红球为主，并为其提供迅速定殖的软性载体，植物修复系统以氮、磷高富集植物狐尾藻、美人蕉等为主，并为其提供可随水位升降的支座，形成根孔净化、水生植物配置与微生态原位净化的多级脱氮除磷措施，对水流流动较小富营养化水体COD、氮和磷的去除率可稳定在50％以上，实现功能微生物与植物通过物理、化学和生物组合条件下对水体污染物的快速吸收与降解。
本发明提供的修复富营养化水体的装置具有生产原料低廉(农林废弃物)、投资少、操作简单、使用寿命长及安装、后期维护方便、无需能耗等优点。本发明提供了一项治理富营养化水体的崭新途径，具有良好的经济效益和社会效益，尤其适用于水流流动较小的富营养化水体。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种修复富营养化水体的装置，其特征在于，包括两个圆形支撑骨架和若干根串接有红球菌载体的固定条，所述固定条的首尾分别与两个圆形支撑骨架固定连接，所述一个圆形支撑骨架上布置若干根分割条，使该圆形支撑骨架被分割成多个方格，所述方格内种植有水生植物；所述分布有分割条的圆形支撑骨架上还固定有浮漂；
其中，所述红球菌载体的制备过程包括：
将活菌数达到1.5×109CFU/ml以上的红球菌发酵液喷到软性微生物填料上，喷至填料的吸附量饱和，所述软性微生物填料的比表面积为600～800m2/m3；
通过封闭输送装置将所述喷有红球菌发酵液的软性微生物填料送入真空干燥室，干燥室温度35～40℃，干燥8～10小时，即制成红球菌载体。
2.根据权利要求1所述的修复富营养化水体的装置，其特征在于，所述软性微生物填料选自聚丙烯填料束。
3.根据权利要求1所述的修复富营养化水体的装置，其特征在于，所述软性微生物填料为圆环状，将醛化纤维或涤纶丝压缠绕在环圈上，使纤维束均匀分布，模拟天然水草形态加工而成。
4.根据权利要求1所述的修复富营养化水体的装置，其特征在于，所述红球菌保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏号为CGMCC No.6924。
5.根据权利要求1所述的修复富营养化水体的装置，其特征在于，所述红球菌发酵液的制备过程包括以下步骤：
采用氢氧化钠水溶液或石灰水调节甘薯淀粉废水的pH到6.5～7.5，灭菌后得到经过预处理的甘薯淀粉废水；
向所述经过预处理的甘薯淀粉废水中接种斜面保藏的红球菌，于25～37℃、100～200转/分振荡培养24～36小时，得到液体种子；
向所述经过预处理的甘薯淀粉废水中接种体积比为2～15％的所述液体种子，于25～37℃，通入无菌空气，培养15～36小时，得到活菌数达到1.5×109CFU/ml以上的红球菌发酵液。
6.根据权利要求1所述的修复富营养化水体的装置，其特征在于，所述两个圆形支撑骨架之间均匀固定8～10根固定条。
7.根据权利要求1所述的修复富营养化水体的装置，其特征在于，所述固定条的长度为1～2米，每米固定条上串接6～8个红球菌载体，所述圆形支撑骨架的半径为50～80cm，所述方格的尺寸为2～4cm×2～4cm。
8.根据权利要求7所述的修复富营养化水体的装置，其特征在于，所述水生植物选自狐尾藻、美人蕉、水葫芦、水花生和菖蒲中的至少一种，所述圆形支撑骨架由竹子、藤条和柳条中的至少一种弯曲制成。
9.根据权利要求1所述的修复富营养化水体的装置，其特征在于，所述水生植物在方格内的种植密度为10～20株/m2。
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