CN109368814A - 仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统及重污染水体修复方法 - Google Patents

仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统及重污染水体修复方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统及重污染水体修复方法，该系统包括由中空纤维管连通组成的仿生芦苇，含仿生茎和连接于其底端并发散的多级仿生根孔系统，包括一级根、二级根和三级根，多级仿生根孔系统的表面附着有生物膜，表面再附着有活性污泥，各级根的间隙中填充有活性污泥，各级根末端开口，一级根连通鼓风装置。该系统具有巨大活性表面、好氧厌氧结构及丰富生物活性的污泥，去除黑臭水体氮污染物的效率高、时效持久。该系统一方面充分发挥根孔微结构的优势，另一方面加强微生物的生物脱氮作用，充分发挥根孔结构系统的脱氮效能。本发明的技术方案可为我国污染水体及沉积物氮污染治理提供一个新的解决思路。

Description

仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统及重污染水体修复方法
技术领域
本发明属于环保技术领域，具体涉及一种用于重污染河道或重度富营养化湖泊局部恶臭水体修复的仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统及其水体修复方法，特别是涉及一种湖库饮用水体或景观水体发生严重氮污染时沉积物氨氮及水体氨氮污染的修复方法。
背景技术
在湖滨带湿地，芦苇根系由于其具有庞大的地下根状茎和丰富的次生根及侧根，它们在沉积物中纵横交错，形成了大型的网状地下根孔系统。它是位于芦苇根系和土壤之间由水、气、土壤、微生物和植物根系组成的“多介质体系”，其良好的多层次交叉管孔分布特征对污染物的空间传输迁移过程具有明显的导流和整合富集作用，其不仅在环境污染物迁移、降解和土壤优先水流、溶质传输等方面具有重要的作用，而且还可以看作植物根系同土壤之间的一个重要“界面”，在根孔微生态系统中扮演着重要的角色。芦苇根孔系统由于其在沉积物中产生的空穴点位所占比重最大且生物活性高，营造的氧化还原异质环境是湖滨带湿地沉积物耦合反硝化过程异常剧烈且体量相对较大的热点的区域。探讨湿地沉积物根孔“多介质体系”结构及环境特征，系统分析该微环境对沉积物氮循环的调控作用，对于全面认识和利用湿地根孔的生态调控功能、改善水环境治理具有十分重要的意义。
目前关于水体底泥污染的治理主要集中在沉积物氮磷及有机物、重金属污染处置方面，水体耦合反硝化脱氮过程是污染底泥主要脱氮过程，其在个别热点区域甚至达到总反硝化脱氮总量90%以上。
发明内容
本发明旨在提供一种治理水体及底泥氮污染的仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统及重污染水体修复方法，可用于城市河道底泥污染严重、湖滨带藻类堆积区，以及对重污染的敏感水域如饮用水源地和景观用水。利用本发明可达上述水体、底质氮染物同步进行治理的目的。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统，
包括由若干中空纤维管连通组成的仿生芦苇，所述仿生芦苇包括位于上层的直立的仿生茎和连接于所述仿生茎的底端并以所述仿生茎的底端为中心发散的多级仿生根孔系统，
所述多级仿生根孔系统包括若干一级根、若干二级根和若干三级根，所述一级根直接连接于所述仿生茎的底端，所述二级根一端连接于所述一级根的侧壁，所述三级根一端连接于所述二级根的侧壁，所述一级根的另一端、所述二级根的另一端和所述三级根的另一端开口设置，
所述多级仿生根孔系统的表面附着有生物膜，所述多级仿生根孔系统的表面附着有活性污泥，所述一级根、二级根和三级根的间隙中填充有活性污泥，
所述一级根连通鼓风装置。
该仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统是以仿生芦苇根孔系统为核心，由水、气、活性污泥、微生物和仿生根孔组成的“多介质耦合反硝化脱氮体系”。
进一步的，所述活性污泥的填充体积为所述多级仿生根孔系统所占据的空间总体积的35~55%。
进一步的，所述一级根的内径为2~5mm。一级根的区域是根孔系统主要富氧区域。
进一步的，所述二级根的内径为20~2000μm。这部分是好氧兼性厌氧微区域。
进一步的，所述三级的内径小于20μm。这部分根孔多为厌氧区域。富氧厌氧生境微环境是频繁的硝化反硝化进行热点区域。在运行期间对根孔仿生系统利用鼓风装置进行间歇式鼓风曝气，利用不同孔径的根孔及气体调节构建富氧-厌氧微结构的仿生系统。
进一步的，所述一级根和所述二级根的密度为0.5~0.85g/cm3。
进一步的，所述三级根的密度为0.8~1.25g/cm3。
进一步的，所述一级根与所述二级根连接处，或二级根与三级根的连接处连通缓冲气囊，所述缓冲气囊的出口处设置有气阀。用于调节根孔气体流动和交换速率。
进一步的，所述三级根的靠近三级根与二级根连接处的部分的管径大小交替变化，形成若干鼓囊，增强间歇式兼性好氧厌氧微区。
进一步的，所述的生物膜是由如下方法附着至所述多级仿生根孔系统的表面的：
（1-1）表面活化：将所述多级仿生根孔系统放置于表面改性剂的悬浊液中浸泡后洗涤、干燥；优选的表面改性剂为过碳酸钙、Na2SiO4或壳聚糖中的一种或多种；
（1-2）生物膜附着：将步骤（1-1）处理后的多级仿生根孔系统在活性污泥的悬浊液中进行流动曝气培养，对其进行驯化培养若干天后，即得。
进一步的，所述活性污泥由如下方法制备得到：
（2-1）取风干后的芦苇湿地沉积物，添加粉碎后荇菜或水花生新鲜茎叶并混合；
（2-2）在25~30℃发酵培养，每天定期鼓风曝气3h，期间进行反复搅拌和喷洒1mol/LCa(NO3)2和MgCl2水溶液，每次使用剂量按照5~15ml/kg污泥，在培养70天后，添加壳聚糖溶液，使用剂量为50~120 mg/kg污泥，反复搅拌混匀，共发酵90天后即得。
进一步的，所述中空纤维管为碳纤维或玻璃纤维，优选为碳纤维。
进一步的，所述一级根的总长度:所述二级根的总长度:所述三级根的总长度为1:1.5~4:2.5~5。
进一步的，所述仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统还包括仿生气生根，所述仿生气生根为中空纤维管，所述仿生气生根连接于所述仿生茎的茎节处，并靠近泥水界面。
本发明还提供一种采用上述仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统对重污染水体进行修复的方法，包括：将上述仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统置于水体中，由所述鼓风装置提供空气、O2、O3或N2中的一种或多种，鼓风流量为恰使水体产生连续微小气泡，每天鼓风通气2~5h。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明设计的仿生芦苇根孔系统的多级网状特殊结构，可利用曝气量和曝气气体类型如O2、O3及N2的自由组合，调控根孔系统内部好氧厌氧状况，另外多级不同孔径的中空纤维，仿生根孔系统中创造丰富的厌氧与好氧微区结构。两者结合可挖掘根孔好氧厌氧下调控耦合反硝化的最大潜力。
（2）本发明中涉及工程实施技术工艺流程相对简化、技术可操作性强，在一般河道进行生态工程的修复均可实现。本发明涉及的修复材料如碳纤维、活性污泥、荇菜、水花生等均为生态友好型材料，且价格低廉，材料来源广，适宜在河道治理的生态工程实践中应用推广。
（3）本发明沉积物氮污染预处理技术所涉及的沉积物处置周期短、见效相对较快，沉积物预处理后可马上实现沉积物原位植物修复，可在当年实现对水体污染的修复的目标。
本发明研发的仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统，一方面充分发挥根孔微结构的优势，另一方面加强微生物的生物脱氮作用，充分发挥根孔结构系统的脱氮效能。本发明的技术方案可为我国污染水体及沉积物氮污染治理提供一个新的解决思路。
本发明在技术方案设计中充分考虑利用水生态系统中沉积物-植物体系自身自我调节功能，强化沉积物耦合反硝化脱氮作用。技术优越性体现在：创造沉积物高效的好氧厌氧的生境条件，通过表层沉积物自然复氧氧化及促进挥发的方式首先剔除沉积物中大部分挥发性硫组分。本发明的首次去除率较未处理湿地沉积物反硝化脱氮效率，满足一般河道沉积物进行生态修复的植物生长需求。再通过添加沉积物改良剂大于70%。辅助物理复氧或曝氮气处理、活性污泥和大型水生植物碳源供给等综合处置措施来原位转化和消除残留的氮污染的目的。
本发明提供的技术方案，可对黑臭底泥硫化物污染进行长效修复。在进行沉积物的预处理后，移除或削减植物生长的过程中厌氧生境下氨氮根系胁迫，发明充分利用水生态系统的自我调节功能，改善沉积物的物化性质，通过生态系统内部组分结构的调整，最终实现沉积物氮污染处置在水生生态系统良性循环的目的。
附图说明
图1是本发明所述仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统的结构示意图。
图2是本发明所述多级仿生根孔系统的结构示意图。
图3是本发明所述仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统的俯视图。
其中，1是仿生茎，2是一级根，3是二级根，4是三级根，5是鼓风装置，6是缓冲气囊，7是气阀，8是鼓囊，9是仿生气生根，10是活性污泥。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图说明对本发明的技术方案进行详细描述。本发明的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。
实施例1
根据本发明，在江苏无锡对某人工湿地进行氮污染进行治理，其具体实施方案如下：
构建仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统，该系统包括由若干中空纤维管连通组成的仿生芦苇，所述仿生芦苇包括位于上层的直立的仿生茎和连接于所述仿生茎的底端并以所述仿生茎的底端为中心发散的多级仿生根孔系统，
所述多级仿生根孔系统包括若干一级根、若干二级根和若干三级根，所述一级根直接连接于所述仿生茎的底端，所述二级根一端连接于所述一级根的侧壁，所述三级根一端连接于所述二级根的侧壁，所述一级根的另一端、所述二级根的另一端和所述三级根的另一端开口设置，
所述多级仿生根孔系统的表面附着有生物膜，所述多级仿生根孔系统的表面附着有活性污泥，所述一级根、二级根和三级根的间隙中填充有活性污泥，
所述一级根连通鼓风装置。
该仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统是以仿生芦苇根孔系统为核心，由水、气、活性污泥、微生物和仿生根孔组成的“多介质耦合反硝化脱氮体系”。
所述活性污泥的填充体积为所述多级仿生根孔系统所占据的空间总体积的40%。
所述一级根的内径为2~5mm。一级根的区域是根孔系统主要富氧区域。
所述二级根的内径为20~2000μm。这部分是好氧兼性厌氧微区域。
所述三级根的内径小于20μm。这部分根孔多为厌氧区域。富氧厌氧生境微环境是频繁的硝化反硝化进行热点区域。在运行期间对根孔仿生系统利用鼓风装置进行间歇式鼓风曝气，利用不同孔径的根孔及气体调节构建富氧-厌氧微结构的仿生系统。
所述一级根和所述二级根的密度为0.5~0.85g/cm3。
所述三级根的密度为0.8~1.25g/cm3。
所述一级根与所述二级根连接处，或二级根与三级根的连接处连通缓冲气囊，所述缓冲气囊的出口处设置有气阀。用于调节根孔气体流动和交换速率。
所述三级根的靠近三级根与二级根连接处的部分的管径大小交替变化，形成若干鼓囊，增强间歇式兼性好氧厌氧微区。
所述的生物膜是由如下方法附着至所述多级仿生根孔系统的表面的：
（1-1）表面活化：将所述多级仿生根孔系统放置于表面改性剂的悬浊液中浸泡后洗涤、干燥；优选的表面改性剂为过碳酸钙、Na2SiO4或壳聚糖中的一种或多种；
（1-2）生物膜附着：将步骤（1-1）处理后的多级仿生根孔系统在活性污泥的悬浊液中进行流动曝气培养，对其进行驯化培养若干天后，即得。
所述活性污泥由如下方法制备得到：
（2-1）取风干后的芦苇湿地沉积物，添加粉碎后荇菜或水花生新鲜茎叶并混合；
（2-2）在25~30℃发酵培养，每天定期鼓风曝气3h，期间进行反复搅拌和喷洒1mol/LCa(NO3)2和MgCl2水溶液，每次使用剂量按照5~15ml/kg污泥，在培养70天后，添加壳聚糖溶液，使用剂量为50~120 mg/kg污泥，反复搅拌混匀，共发酵90天后即得。
所述中空纤维管为碳纤维。
所述一级根的总长度:所述二级根的总长度:所述三级根的总长度为1:4:5。
所述仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统还包括仿生气生根，所述仿生气生根为中空纤维管，所述仿生气生根连接于所述仿生茎的茎节处，并靠近泥水界面。
利用上述脱氮仿生芦苇根孔系统处理无锡某农村河道黑臭水体，该河道受农村分散住户生活污水直排入河，水体氮污染严重，水体溶解氧低、水体氨氮、总氮分别为25mg/L，45mgmg/L。利用本发明系统对分散住户生活污水进行预处理，然后处理后的水进入河道，经连续三月监测、发现本发明效果显著，对氨氮和总氮平均去除率分别为80%和85%，处理后水质明显改善。
实施例2
根据本发明，在江苏无锡对某人工湿地进行氮污染进行治理，其具体实施方案如下：
本实施例2采用的仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统与实施例相比，区别仅在于，活性污泥的填充体积为多级仿生根孔系统所占据的空间总体积的35%，所采用的中空纤维管为玻璃纤维，一级根的总长度:二级根的总长度:三级根的总长度为1:1.5:2.5。
利用上述脱氮仿生芦苇根孔系统处理无锡某农村河道黑臭水体，该河道受农村分散住户生活污水直排入河，水体氮污染严重，水体溶解氧低、水体氨氮、总氮分别为25mg/L，50mgmg/L。利用本发明系统对分散住户生活污水进行预处理，然后处理后的水进入河道，在利用本系统对排放污水进行处置，对出水氮污染物进行连续6月监测。发现本发明效果显著，对氨氮和总氮平均去除率分别为85%和90%，处理后水质氮污染状况明显改善。
实施例3
根据本发明，在江苏无锡对某人工湿地进行氮污染进行治理，其具体实施方案如下：
本实施例3采用的仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统与实施例相比，区别仅在于，活性污泥的填充体积为多级仿生根孔系统所占据的空间总体积的55%，所采用的中空纤维管为玻璃纤维，一级根的总长度:二级根的总长度:三级根的总长度为1:2:4。
利用上述脱氮仿生芦苇根孔系统处理无锡某农村河道黑臭水体，该河道受农村分散住户生活污水直排入河，水体氮污染严重，水体溶解氧低、水体氨氮、总氮分别为45mg/L，72mgmg/L。利用本发明系统对分散住户生活污水进行预处理，然后处理后的水进入河道，在利用本系统对排放污水进行处置，对出水氮污染物进行连续6月监测。发现对氨氮和总氮平均去除率分别为90%和92%，处理后水质氮污染状况明显改善。

Claims (10)

1.一种仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统，其特征在于，包括由若干中空纤维管连通组成的仿生芦苇，所述仿生芦苇包括位于上层的直立的仿生茎和连接于所述仿生茎的底端并以所述仿生茎的底端为中心发散的多级仿生根孔系统，
所述多级仿生根孔系统包括若干一级根、若干二级根和若干三级根，所述一级根直接连接于所述仿生茎的底端，所述二级根一端连接于所述一级根的侧壁，所述三级根一端连接于所述二级根的侧壁，所述一级根的另一端、所述二级根的另一端和所述三级根的另一端开口设置，
所述多级仿生根孔系统的表面附着有生物膜，所述多级仿生根孔系统的表面附着有活性污泥，所述一级根、二级根和三级根的间隙中填充有活性污泥，
所述一级根连通鼓风装置。
2.根据权利要求1所述的仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统，其特征在于，所述活性污泥的填充体积为所述多级仿生根孔系统所占据的空间总体积的35~55%。
3.根据权利要求1所述的仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统，其特征在于，所述一级根的内径为2~5mm，所述二级根的内径为20~2000μm，所述三级根的内径小于20μm。
4.根据权利要求1所述的仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统，其特征在于，所述一级根和所述二级根的密度为0.5~0.85g/cm3，所述三级根的密度为0.8~1.25g/cm3。
5.根据权利要求1所述的仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统，其特征在于，所述一级根与所述二级根连接处，或二级根与三级根的连接处连通缓冲气囊，所述缓冲气囊的出口处设置有气阀。
6.根据权利要求1所述的仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统，其特征在于，所述三级根的靠近三级根与二级根连接处的部分的管径大小交替变化，形成若干鼓囊。
7.根据权利要求1所述的仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统，其特征在于，所述的生物膜是由如下方法附着至所述多级仿生根孔系统的表面的：
（1-1）表面活化：将所述多级仿生根孔系统放置于表面改性剂的悬浊液中浸泡后洗涤、干燥；优选的表面改性剂为过碳酸钙、Na2SiO4或壳聚糖中的一种或多种；
（1-2）生物膜附着：将步骤（1-1）处理后的多级仿生根孔系统在活性污泥的悬浊液中进行流动曝气培养，对其进行驯化培养若干天后，即得。
8.根据权利要求1所述的仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统，其特征在于，所述中空纤维管为碳纤维或玻璃纤维，优选为碳纤维。
9.根据权利要求1所述的仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统，其特征在于，所述一级根的总长度:所述二级根的总长度:所述三级根的总长度为1:1.5~4:2.5~5。
10.一种采用权利要求1-9任一所述仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统对重污染水体进行修复的方法，其特征在于，包括：将上述仿生芦苇根孔耦合反硝化脱氮系统置于水体中，由所述鼓风装置提供空气、O2、O3或N2中的一种或多种，鼓风流量为恰使水体产生连续微小气泡，每天鼓风通气2~5h。
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