CN108328737A

CN108328737A - 一种基于人工湿地强化处理养殖废水的微生态基质、其制备方法及其应用

Info

Publication number: CN108328737A
Application number: CN201711236783.3A
Authority: CN
Inventors: 许明; 王良恺; 段圣坡; 毛欣宇; 徐达灵; 陈爽; 邵孝侯
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2017-11-30
Filing date: 2017-11-30
Publication date: 2018-07-27
Anticipated expiration: 2037-11-30
Also published as: CN108328737B

Abstract

本方面涉及一种基于人工湿地强化处理养殖废水的微生态基质、其制备方法及其应用，微生态基质是由生态载体球、生物炭、改性沸石混合而成的；微生态载体球是采用包埋剂中海藻酸钙包裹EM复配液中的复合微生物后交联固化获得；EM复配液是由EM原液、糖蜜、养殖废水和去离子水混合后厌氧发酵获得；复合微生物的包埋剂，是将盐酸活化的凹凸棒土与纳米SiO₂、海藻酸钠及蒸馏水混合均匀，搅拌，获得。采用本发明的微生态基质构筑的净化系统，比传统的人工湿地具有更好的净化效果。

Description

一种基于人工湿地强化处理养殖废水的微生态基质、其制备方法及其应用

技术领域

本发明涉及养殖废水处理领域，特别是一种基于人工湿地强化处理养殖废水的微生态基质及其制备方法。

背景技术

目前,我国的水产养殖业正处在从传统高产放养模式向规模化养殖、质量效益转变的历史转型期，但由于我国水产养殖仍采用大引大排的方式，既极大的消耗了水资源，同时水产养殖过程中投放的饲料残余和鱼、虾、蟹类排泄物形成的污染物使养殖水体日趋富营养化，未经处理的养殖废水直接排放容易造成周边水体的面源污染。

人工湿地由基质、植物和微生物构成，是一个综合的生态系统。人工湿地充分发挥了基质、植物和微生物的协同作用，克服了污水处理中化学方法易造成二次污染和物理方法治标不治本的缺点，具有投资低、操作简单、维护和运行费用低、水质净化效果好等优点，同时还能绿化土地，增加生物多样性，改善周边生态环境，是适合养殖废水处理的环境友好型技术。但是，从已有的工程实践来看，人工湿地处理技术尚存在一些问题，主要体现如下：(1)、微生物种类单一，自然状态下人工湿地中虽存在着许多可降解污染物质的土著微生物，但其浓度一般很低，往往向湿地直接投加单一高效目标污染物降解菌对水质进行控制，但这种投加方法存在着高效降解菌无法实现优势生长,容易出现菌体流失的缺陷。(2)、基质处理效果差，基质是人工湿地的重要载体，一般由不同级配、比例的单一或混合填料(砾石、土壤、砂、沸石等)构成，常规的人工湿地基质主要为各种粒径的砾石和无机吸附剂，对氮磷及有机污染物的处理效果不佳，而且不利于微生物的附着和挂膜，吨水占地面积大。(3)、人工湿地的处理效果具有季节性，冬季人工湿地的植物停止生长并死亡，净化效率变低，并且植物残体会重新释放氮磷元素至水体中，引起二次污染，因此应在植物停止生长后及时去除植物残体，以防再次污染水体。水产养殖废水中主要的污染物有氨氮、亚硝酸盐、有机污染物、磷及污损生物，具有可生化性高的特点。人工湿地对养殖废水有机物的去除率较高，但对氮磷的去除率偏低且不稳定，研究表明人工湿地对有机物、悬浮物、及污染细菌的去除率可高达90％以上，但对氮、磷的去除率相对较低而且不稳定，一般保持在40％～50％左右。

根据已有研究以及对人工湿地净化机理的了解，迫切需要提高人工湿地水产养殖废水的净化效果，改良人工湿地的基质，将微生态制剂技术应用到人工湿地中，合理配置湿地植物能促使对氮磷等水体富营养化元素吸收和降解，水质逐步得到好转，达到净化水产养殖水体的目的。

发明内容

为了解决现有规模化、高密度水产养殖业引发的水污染等问题，本发明的目的在于提供一种基于人工湿地强化处理养殖废水的微生态基质及其制备方法。利用复合微生物、复合固定化微生物载体、生物炭及改性沸石配置强化型微生态基质，高效、快速的处理水产养殖废水。解决了传统的人工湿地技术受制微生物功能单一、基质处理效果差导致净化效果欠佳的问题，实现了节能环保。

技术方案

为了实现上述发明目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种基于人工湿地强化处理养殖废水的微生态基质，是由生态载体球：生物炭：改性沸石按照30～40％：30～40％∶20～40％的比例混合而成的。

其中，生物炭是以人工湿地秋冬季节需要收割的湿地植物作为原料，在限氧环境条件下采用慢速热解法制备获得生物炭。

改性沸石是将天然沸石浸泡在KMnO4溶液中,经水浴加热，洗涤，干燥后备用。高猛酸钾作为强氧化物质可以氧化养殖废水中的有机物质，并释放初生态氧，与水分子结合后释放氧气，有持续增氧的效果，可以使微生态基质保持好氧状态，促进微生物硝反应的进行。

微生态载体球，是采用包埋剂中的海藻酸盐与CaCl₂形成海藻酸钙包裹EM复配液中的复合微生物后，交联固化获得，微生态载体球的直径为3～5mm。

其中，EM复配液是由EM原液、糖蜜、养殖废水和去离子水按 3～5％：2～5％∶2～5％∶85～93％的质量百分比混合后，37℃厌氧发酵3-6天，至pH值小于3.5。

复合微生物的包埋剂，是将盐酸活化的凹凸棒土与纳米SiO₂、海藻酸钠及经过脱氧之后的蒸馏水按3％-5％∶2％-5％：5％-10％∶80％-90％的质量百分比混合均匀，搅拌，获得。

上述基于人工湿地强化处理养殖废水的微生态基质的制备方法，步骤如下：

(1)EM复配液制备：将EM原液、糖蜜、养殖废水和去离子水按3～5％：2～5％∶2～5％∶85～93％的质量百分比混合，37℃厌氧发酵至pH值小于3.5，制得EM复配液。

(2)复合微生物的包埋剂制备：盐酸活化凹凸棒土与纳米 SiO₂、海藻酸钠及蒸馏水按3％-5％∶2％-5％：5％-10％∶80％-90％的质量百分比混合均匀，加热溶解，搅拌，形成含有海藻酸盐的混合物。蒸馏水在使用前经过脱氧。

(3)微生态载体球制备：将步骤(2)得到的复合微生物的包埋剂与步骤(1)中制备的EM复配液按2∶1的比例混合均匀，然后其滴入3.5％(体积分数)脱氧的CaCl₂溶液中，包埋剂中的海藻酸盐与CaCl₂形成海藻酸钙，包裹EM复配液中的复合微生物，低温静置固化交联，获得直径3～5mm的微生态载体球。采用海藻酸钙结合纳米SiO₂和活化凹凸棒土包埋复合微生物，可以提高载体球的强度和对微生物的包埋效率。

(4)生物炭填料的制备：以人工湿地秋冬季节需要收割的湿地植物芦苇和黄菖蒲作为生物炭的原料，经过清洗、风干、破碎，烘干后，在限氧环境条件下采用慢速热解法制备生物炭，成品经过研磨、过筛，制成直径在0.8mm左右的生物炭填料。

使用回收的湿地植物残体制备的生物质炭具有比表面积大(900～1200m²/g)、孔径多样的特点，适合对氮磷的吸附和微生物的着生；冬季气温低，湿地植物生长代谢缓慢，可以利用生物质炭的吸附作用维持基质对氮磷的处理效率；夏季养殖水体的污染物浓度高，生物炭可为额外投加的液体微生态制剂提供挂膜的载体，强化了人工湿地处理污水的能力。

(5)改性沸石的制备：称取天然沸石浸泡在KMnO₄溶液中，水浴加热，搅拌，抽去滤液，清洗至中性，干燥密封保存，备用。

改性沸石还能提高水中的溶解氧，可为微生态纳米球中的好氧、兼性厌氧和厌氧微生物的生长繁殖提供了良好的生活环境，构建健康的水产养殖水体生态环境，达到协同净化水体水质的目的。

(6)人工湿地强化微生态基质制备：按照微生态载体球、生物炭、改性沸石30～40％：30～40％∶20～40％的比例配置。

生物炭及改性沸石混合配置用于固定化微生物载体不仅能提高微生物挂膜、着生的效率，也大大提升了微生物浓度和活性。

基于人工湿地强化处理养殖废水的微生态基质的净化系统，包括池体，池体两侧分别设置进水区和出水区，进水区和出水区的进出水口设置砂砾石反滤层，池体内填充微生态基质，在微生态基质上方种植湿地水生植物，栽种比例为芦苇﹕黄菖蒲＝3﹕1。

本发明分别选用芦苇和黄菖蒲作为栽种植物，栽种比例为芦苇﹕黄菖蒲＝3﹕1。湿地水生植物的选配原则是夏季高温时配置芦苇，而冬季低温时配置黄菖蒲等适宜低温生长的植物，以避免因植物品种选择搭配单一而出现季节性的功能失调现象。黄菖蒲适应性强，冬季地上部分枯死，根茎地下越冬，极其耐寒。当冬天温度低的时候收割水生植物残体制成生物炭，添加到本发明的基质。

有益效果与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)、本发明的人工湿地强化基质，使用了复合微生物，功能多，效果显著，适应能力较强，能高效、快速处理养殖污水。

(2)、传统的无机载体通过吸附的方法固定微生物，微生物挂膜着生困难，容易造成微生物脱落，而单一的海藻酸钙包埋微生物结构强度低，容易破碎。本发明将海藻酸钙与纳米SiO₂和凹凸棒土结合，制备出固定化载体球，作为复合载体材料固定微生物，具有细胞高度密集且保持生物活性的特点，并且提高了载体球的结构强度，更适合微生物的附着。

(3)、秋冬季节人工湿地中的微生物和植物活性降低，利用湿地植物制备生物炭既可以解决湿地植物收割后的处置问题，还可以通过向人工湿地中补充生物质炭，提高人工湿地对于污染物的处理效率。

(4)经过改性的沸石，施用于池塘时，每千克可带入空气10 万毫升，相当于21000毫升氧气。它们均以微气泡放出，增氧效果较好，活性沸石也有吸附异物从而改良水质、底质的功效。

附图说明

图1为强化型人工湿地和对照人工湿地处置水产养殖废水的平面布置示意图(图中标注尺寸以“米”计)；

图2为本发明实施例构建的人工湿地剖面图；池体-1、强化微生态基质-2、砂砾石反滤层-3，密实黏土层-4，养殖塘-10，人工湿地-20. 对照湿地-30，引水渠40。

具体实施方式

以下将结合实施例具体说明本发明的技术方案和效果：

一种基于人工湿地强化处理养殖废水的微生态基质，是按照生态载体球：生物炭：改性沸石＝30～40％：30～40％∶20～40％的比例混合而成的。

其中，生物炭是以人工湿地每年到秋冬需要收割的湿地植物芦苇和黄菖蒲作为原料，在限氧环境条件下采用慢速热解法制备生物炭获得的。

微生态载体球，是由EM复配液与复合微生物的包埋剂混合后，滴入CaCl₂溶液中，包埋剂中的海藻酸盐与CaCl₂形成海藻酸钙包裹 EM复配液中的复合微生物，低温静置固化交联，获得直径3～5mm 的微生态载体球。

其中，EM复配液是由EM原液、糖蜜、养殖废水和去离子水按 3～5％：2～5％∶2～5％∶85～93％的质量百分比混合后，置于发酵罐中内，37℃厌氧发酵3-6天，至pH值小于3.5，此时，EM原液中的微生物达到了恢复新陈代谢的机能。

复合微生物的包埋剂，是将盐酸活化的凹凸棒土与纳米SiO₂、海藻酸钠及经过脱氧之后的蒸馏水按3％-5％∶2％-5％：5％-10％∶ 80％-90％的质量百分比混合均匀，搅拌，获得含有海藻酸盐的混合物，使用前，需要冷却至室温静置30min排除溶胶中的气泡。

一种基于人工湿地强化处理养殖废水的微生态基质的制备方法，步骤如下：

(1)EM复配液制备：将EM原液、糖蜜、养殖废水和去离子水按3～5％：2～5％∶2～5％∶85～93％的质量百分比混合，将其放入发酵罐中厌氧发酵3-6天，设置发酵温度为37℃，每天定时测量培养液pH值，当pH值小于3.5时，EM原液中的微生物达到了恢复新陈代谢的机能，复壮成功制得EM复配液。

(2)复合微生物的包埋剂制备：先将凹凸棒土用盐酸活化，将活化后的凹凸棒土与纳米SiO₂、海藻酸钠及经过脱氧之后的蒸馏水按3％-5％∶2％-5％：5％-10％∶80％-90％的质量百分比混合均匀，加热溶解，置于磁力搅拌器上搅拌均匀形成海藻酸盐的混合物，冷却至室温静置30min排除溶胶中的气泡。

(3)微生态载体球制备：将步骤(2)得到的复合微生物的包埋剂与步骤(1)中制备的EM复配液按2∶1的比例混合均匀，然后用滴管将其滴入3.5％(体积分数)脱氧的CaCl₂溶液中，为保证所有的复合微生物被海藻酸钙包覆，用玻璃棒不断搅拌生成的水溶胶。放入冰箱中在5℃下固定化交联,制作固定化小球，取出，用去离子水洗二到三次，制成直径3～5mm的微生态载体球。

(4)生物炭填料的制备：利用人工湿地每年到秋冬需要收割的湿地植物芦苇和黄菖蒲制作生物炭，将两种生物质原料分别于自来水中搅拌混合均匀，并清洗表面附着的土壤颗粒至干净，自然风干72h 后，对其进行破碎处理，随即放入电热烘箱，在80～90℃下烘干8h后备用，生物质原料在限氧环境条件下采用慢速热解法制备生物炭，热解装置采用真空管式炉(OTF-1200X，西安予辉仪器有限公司)，将烘干好的芦苇和菖蒲原料置于石英热解管的中间位置，封闭两段，通入流速为0.6L/min高纯氮气，形成良好的限氧环境，然后以5℃min^-1的加热速率将石英热解管的温度升高至500℃，热解2小时，后自然冷却至室温对样品进行研磨，过20目筛子，制成直径在0.8mm左右的生物炭填料。

(5)改性沸石的制备：称取天然沸石浸泡在0.1mol/L的 KMnO₄溶液中，并于40℃水浴上加热2h，期间搅拌多次，抽去滤液，用蒸馏水洗至中性，在恒温振荡器上震荡30min(30℃， 200r/m)，倒去上清液并用蒸馏水冲洗若干次，干燥密封保存。改性沸石施用于池塘时，每千克可带入空气10万毫升，相当于21000 毫升氧气。它们均以微气泡放出，增氧效果好，改性沸石还能吸持水中的氮磷从而具有改善水质、底质的功效。

(6)人工湿地强化微生态基质制备：按照微生态载体球，生物炭，改性沸石30～40％：30～40％∶20～40％的比例配置。

湿地水生植物的选配：原则是夏季高温时配置芦苇而冬季低温时则配置黄菖蒲等适宜低温生长的植物，以避免因植物品种选择搭配单一而出现季节性的功能失调现象。

本发明分别选用芦苇和黄菖蒲作为栽种植物，栽种比例为芦苇﹕黄菖蒲＝3﹕1。黄菖蒲适应性强，冬季地上部分枯死，根茎地下越冬，极其耐寒。当冬天温度低的时候收割水生植物残体制成生物炭，添加到人工湿地系统中去，并添加液体微生态制剂，以维持系统的净化效率。

实施例1

图1是强化型人工湿地和对照人工湿地处置水产养殖废水的平面布置示意图，参照图1所示，在江苏淮安白马湖地区选取一个临近引水渠40的水产养殖塘，在养殖塘10两侧分别设置一个采用强化微生态基质的人工湿地20，一个对照湿地30，系统水力负荷为6cm/d，采用污水连续投配的方式进水。

参照图2所示，本人工湿地为垂直流人工湿地，强化人工湿地主要由池体1、强化微生态基质2、水生植物、进水区和出水区组成。人工湿地强化微生态基质按照微生态载体球，生物炭，改性沸石30～ 40％：30～40％∶20～40％的比例配置而成。人工湿地尺寸为2m ×5m，面积为10m²，深度1m，坡度1％，人工湿地水流进出口处设置砂砾石反滤层3，人工湿地基底采用密实黏土层4，湿地中按照3： 1的比例种植芦苇和黄菖蒲。对照湿地其结构和运行条件相同，但湿地内部填料将强化微生态基质2替换为传统的填充不同粒径的砾石和土壤。

试验时间从7月15至10月14日，历时3个月，每15天取水样测定各项水质指标，最后计算人工湿地对水产养殖废水的平均净化处理效果，结果如表1。

表1水产养殖废水的净化处理效果对比

从表1可知，采用强化微生态基质的人工湿地对于水产养殖水体的净化作用良好，水体质量明显高于对照人工湿地的，养殖污水经过采用强化微生态基质的人工湿地处理后水中硝氮(NO₃ ^--N)、亚硝氮(NO₂ ^--N)、氨氮(NH₄ ⁺-N)、总磷(T-P)、化学需氧量(COD_Mn) 3个月的平均去除率分别达到76.32％、80.32％、50.23％％、45.56％和48.13％，较对照分别提高了40.16％、39.78％、29.56％、34.78％和 31.41％。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种基于人工湿地强化处理养殖废水的微生态基质，其特征在于，是由生态载体球：生物炭：改性沸石按照30～40％：30～40％∶20～40％的比例混合而成的；

微生态载体球，是采用包埋剂中的海藻酸盐与CaCl₂形成的海藻酸钙包裹EM复配液中的复合微生物后，交联固化获得的球体；

其中，EM复配液是由EM原液、糖蜜、养殖废水和去离子水按3～5％：2～5％∶2～5％∶85～93％的质量百分比混合后，37℃厌氧发酵3-6天，至pH 值小于3.5；

复合微生物的包埋剂，是将盐酸活化的凹凸棒土与纳米SiO₂、海藻酸钠及蒸馏水按3%-5%∶2%-5%：5%-10%∶80%-90%的质量百分比混合均匀，搅拌，获得。

2.根据权利要求1所述的基于人工湿地强化处理养殖废水的微生态基质，其特征在于所述的生物炭是以人工湿地秋冬季节需要收割的湿地植物作为原料，在限氧环境条件下采用慢速热解法制备获得的。

3.根据权利要求2所述的基于人工湿地强化处理养殖废水的微生态基质，其特征在于所述的湿地植物为芦苇和黄菖蒲。

4.权利要求1所述的基于人工湿地强化处理养殖废水的微生态基质的制备方法，其特征在于，步骤如下：

(1)EM复配液制备：将EM原液、糖蜜、养殖废水和去离子水按3～5％：2～5％∶2～5％∶85～93％的质量百分比混合，37℃厌氧发酵至pH 值小于3.5，制得EM复配液；

(2)复合微生物的包埋剂制备：盐酸活化凹凸棒土与纳米SiO₂、海藻酸钠及蒸馏水按3%-5%∶2%-5%：5%-10%∶80%-90%的质量百分比混合均匀，加热溶解，搅拌，形成含有海藻酸盐的混合物；

(3)微生态载体球制备：将步骤（2）得到的复合微生物的包埋剂与步骤（1）中制备的EM复配液按2∶1的比例混合均匀，然后其滴入 3.5% 体积分数的 CaCl₂溶液中，低温静置固化交联，获得直径3～5mm的微生态载体球；

(4)生物炭填料的制备：以人工湿地秋冬季节需要收割的湿地植物作为生物炭的原料，经过清洗、风干、破碎，烘干后，在限氧环境条件下采用慢速热解法制备生物炭，成品经过研磨、过筛，制成生物炭填料；

(5) 改性沸石的制备：称取天然沸石浸泡在KMnO₄溶液中，水浴加热，搅拌，抽去滤液，清洗至中性，干燥密封保存，备用;

(6)人工湿地强化微生态基质制备：按照微生态载体球、生物炭、改性沸石30～40％：30～40％∶20～40％的比例，获得基质。

5.基于权利要求1所述的基于人工湿地强化处理养殖废水的微生态基质的净化系统，包括池体，池体两侧分别设置进水区和出水区，进水区和出水区的进出水口设置砂砾石反滤层，池体内填充微生态基质，在微生态基质上方种植湿地水生植物，栽种比例为芦苇﹕黄菖蒲 =3﹕1。