CN109399807A - 一种富营养化水体原位生物-生态联合修复装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是基于生物‑生态修复过程微生物植物增长缓慢、营养物吸收效果有待提升的缺陷，提供了一种利用可降解固相载体原位富集反硝化菌，并结合除磷基质和水生植物的富营养化水体原位生物‑生态联合修复装置以及联合修复方法。可降解载体材料为稻壳和可降解人工合成聚合物混合物，可降解人工合成聚合物可为聚己内脂、聚丁二酸丁二醇脂、聚乳酸，除磷基质为贝壳生物炭和聚合氯化铝共混物。

Description

一种富营养化水体原位生物-生态联合修复装置及其方法
技术领域
本发明属于富营养化水体的原位修复领域，尤其涉及一种利用可降解固相载体原位富集反硝化菌，并结合除磷基质和水生植物的富营养化水体原位生物-生态联合修复装置及其方法。
背景技术
水体富营养化指的是水体中氮、磷等营养盐的含量过多而引起的水质污染现象。在人类活动的影响下，人类排放的含有氮、磷等营养物质的生活污水和工业废水进入湖泊、河湖等水体中引起藻类过量生长。伴随着藻类的死亡以及微生物的代谢，水体中溶解氧很快被耗尽，导致水体恶化和水生态环境破坏。富营养化水体治理可用物理法、化学法、生物法减少内源性营养物质。生物方法，即生物修复或生态修复，是指利用特定生物对水体中污染物的吸收，转化或降解，达到减缓或最终消除水体污染，恢复水体生态功能的生物措施。富营养化水体一般水量巨大、影响因素多，其治理不能在限定的反应器和人为控制条件下进行。利用水生生物的同化作用，吸收并代谢污染物，从而达到水体中去除的目的。较之传统的物理、化学方法，生物法具有处理成本低、费用省，效果好，对外界干扰少以及很少或没有二次污染等诸多优点，日益成为环保工作者的研究热点。目前，国内外自然水体生态修复技术包括：投菌技术、人工湿地技术、生态浮岛技术、生物膜技术等。然而植物吸收氮磷速度相对较慢，而水体可利用性碳源低，寡营养环境下微生物增长速度慢，效果有限。
对于内源污染控制，依据修复方式的不同，污染底泥的修复技术主要分为原位处理技术和异位处理技术，原位处理技术是将污染底泥留在原处，采取措施阻止底泥污染物进入水体，即切断内污染源的污染途径；异位处理技术是将污染底泥挖掘出来运输到其它地方后再进行处理，即将水体的内污染源转移走，以防止其污染水体。底泥疏浚为较常见的异位处理技术，该方法虽然可挖除表层污染底泥，但若处理不当，会造成底泥的再悬浮和污染物再释放，存在生态系统破坏和水体自净能力削弱等隐患，且该方法治理费用昂贵。相对于底泥异位处理技术存在对水体环境影响大、成本高、过程繁琐的缺点，底泥原位处理技术以其成本低、操作简单、不易产生二次污染的优势而备受关注。但也存在处理技术要求和成本较高等缺点，如喷气及电化学等原位处理技术。
富营养化湖泊底泥原位覆盖技术是目前国内外应用较为广泛的受污染底泥修复技术之一。其主要采用红土材料进行覆盖，并适当比例添加诸如活性氧化铁和活性氧化铝(中国专利申请号CN200510028579.3)，控制底泥营养盐释放，如潘纲等提出的改性粘土增氧固磷技术(中国专利申请号CN200310113305.5；中国专利申请号CN200510063410.1)以及利用粘性土实现浅水湖泊藻-草转换的方法(中国专利申请号CN201010104186.7)，在一定程度上改善了水底厌氧环境，降低了沉积物的磷释放量，对蓝藻在春季的复苏和夏季的暴发起到一定的抑制作用；孙艳丽等也提出了一种用于控制底泥污染物释放的覆盖毯系统(中国专利公开号CN202284288U)；此外，杨浩等提出在蓝藻休眠期去除蓝藻的方法和设备(中国专利申请号200810244179.X)，证明在休眠期减少蓝藻的量可以减缓蓝藻水华的暴发，但该方法对水-泥界面上的微生物和底栖动物群落扰动较大，且未提及如何改善厌氧底泥以及生态修复。
上述有关通过原位底泥覆盖进行藻类控制和底泥修复的技术或发明存在以下问题：首先，通过大面积播撒当地土壤或者粘土矿物等材料对表层沉积物进行覆盖后，会形成一种稳定的“覆盖膜”，将营养盐吸附、固着的同时也将原有沉积物中的生物群落隔绝在水体底部，尤其是底栖动物群落具有极大的破坏作用，存在生态安全风险；其次，上述覆盖材料吸附饱后，通过水体陶蚀等作用，仍存在一定的释放风险，无法将污染物彻底移除处出水体，并且只通过底泥覆盖无法杀灭存在于表层底泥中的藻类休眠体或藻细胞，仍存在复苏的可能；最后，大量投加覆盖材料，会减小水体深度，改变湖底坡度，在浅水或对水深有一定要求的水域中无法使用。
综上，目前的传统底泥修复技术仍存在很大的缺陷，仅仅采用单一的修复手段很难解决当前复杂的底泥污染问题，应充分利用各种原位修复技术的优势，采用多种集成的修复技术体系，进行优势组合，发挥各项修复技术的长处，才能达到更高效彻底的修复效果。
发明内容
本发明的目的在于为了解决传统底泥修复技术基于生物-生态修复过程微生物植物增长缓慢、营养物吸收效果有待提升的缺陷，提供了一种利用可降解固相载体原位富集反硝化菌，并结合除磷基质和水生植物的富营养化水体原位生物-生态联合修复装置。
本发明另一个目的是为了提供富营养化水体原位生物-生态联合修复方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种富营养化水体原位生物-生态联合修复装置，包括壳体，所述壳体，底部设有基质腔，顶端设有环形封闭盖，壳体中部设有若干竖管，所述环形封闭盖上设有用于悬挂竖管的通孔。
作为优选，所述壳体为圆柱形。
作为优选，所述基质腔内装填除磷基质，所述基质腔顶端设有盖板。
作为优选，所述竖管(4)用于装填可降解固相载体。
一种采用上述装置的富营养化水体原位生物-生态联合修复方法，所述方法包括以下步骤：
对预修复水域进行清理，然后将在联合修复装置的基质腔中装填入除磷基质，在竖管中装填入可降解固相载体，将若干个联合修复装置投入水域中，在联合修复装置的环形封闭盖中心位置种植水生植物。
作为优选，所述除磷基质为贝壳生物炭与聚合氧化铝的共混物，贝壳生物炭与聚合氧化铝的质量比2-4∶1。
作为优选，贝壳生物炭的制备方法为：将贝壳清洗，去除角质层，分离棱柱层和珍珠层，干燥后粉碎至粒径为2-3cm，在惰性气体氛围下，升温至650-720℃进行充分碳化，然后降温至400-450℃，通入空气，保温30-60min后降至室温，粉碎至粒径30-50mm得到贝壳生物炭。
作为优选，所述可降解固相载体为改性稻壳与可降解人工合成聚合物的混合物，改性稻壳与可降解人工合成聚合物的混合物的质量比为1-3∶1；其中可降解人工合成聚合物可为聚己内脂、聚丁二酸丁二醇脂或聚乳酸。
作为优选，改性稻壳的改性方法为：稻壳经清洗后，在0.2-3Mpa的真空度下加热至650-700℃，时间60-90min，降至室温后粉碎过200目筛，然后与氢氧化钠溶液混合，经振荡、抽滤，得滤饼，滤饼经洗涤烘干后得到改性稻壳。
本发明的有益效果是基于生物-生态修复过程微生物植物增长缓慢、营养物吸收效果有待提升的缺陷，提供了一种利用可降解固相载体原位富集反硝化菌，并结合除磷基质和水生植物的富营养化水体原位生物-生态联合修复装置以及联合修复方法。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图。
图中，1、壳体；2、基质腔；3、环形封闭盖；4、竖管；5、通孔；6、盖板。
具体实施方式
以下结合具体实施例和说明书附图对本发明作出进一步清楚详细的描述说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一分部的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如无特殊说明，本发明实施例中所用原料均为市场可购得或本领域常用原料；如无特殊说明，本发明实施例中所用方法均为本领域技术人员可实现的常规方法。
参照图1，一种富营养化水体原位生物-生态联合修复装置，包括壳体1，所述壳体1底部设有基质腔2，顶端设有环形封闭盖3，壳体1中部设有10-15根竖管4，所述环形封闭盖3上设有用于悬挂竖管的通孔5。所述壳体1为圆柱形。所述基质腔2内装填除磷基质，所述基质腔2顶端设有盖板6。所述竖管4用于装填可降解固相载体。
实施例1
一种上述装置的富营养化水体原位生物-生态联合修复方法，所述方法包括以下步骤：
对预修复水域进行清理，然后将在联合修复装置的基质腔中装填入除磷基质，在竖管中装填入可降解固相载体，将若干个联合修复装置投入水域中，在联合修复装置的环形封闭盖中心位置种植水生植物。
所述除磷基质为贝壳生物炭与聚合氧化铝的共混物，贝壳生物炭与聚合氧化铝的质量比2∶1。
贝壳生物炭的制备方法为：将贝壳清洗，去除角质层，分离棱柱层和珍珠层，干燥后粉碎至粒径为2-3cm，在惰性气体氛围下，升温至650℃进行充分碳化，然后降温至400℃，通入空气，保温30min后降至室温，粉碎至粒径30-50mm得到贝壳生物炭。
所述可降解固相载体为改性稻壳与可降解人工合成聚合物的混合物，改性稻壳与可降解人工合成聚合物的混合物的质量比为1∶1；其中可降解人工合成聚合物可为聚己内脂。
改性稻壳的改性方法为：稻壳经清洗后，在0.2Mpa的真空度下加热至650℃，时间60-90min，降至室温后粉碎过200目筛，然后与氢氧化钠溶液混合，经振荡、抽滤，得滤饼，滤饼经洗涤烘干后得到改性稻壳。
实施例2
一种上述装置的富营养化水体原位生物-生态联合修复方法，所述方法包括以下步骤：
对预修复水域进行清理，然后将在联合修复装置的基质腔中装填入除磷基质，在竖管中装填入可降解固相载体，将若干个联合修复装置投入水域中，在联合修复装置的环形封闭盖中心位置种植水生植物。
所述除磷基质为贝壳生物炭与聚合氧化铝的共混物，贝壳生物炭与聚合氧化铝的质量比3∶1。
贝壳生物炭的制备方法为：将贝壳清洗，去除角质层，分离棱柱层和珍珠层，干燥后粉碎至粒径为2-3cm，在惰性气体氛围下，升温至680℃进行充分碳化，然后降温至420℃，通入空气，保温40min后降至室温，粉碎至粒径30-50mm得到贝壳生物炭。
所述可降解固相载体为改性稻壳与可降解人工合成聚合物的混合物，改性稻壳与可降解人工合成聚合物的混合物的质量比为2∶1；其中可降解人工合成聚合物可为聚丁二酸丁二醇脂。
改性稻壳的改性方法为：稻壳经清洗后，在2Mpa的真空度下加热至680℃，时间75min，降至室温后粉碎过200目筛，然后与氢氧化钠溶液混合，经振荡、抽滤，得滤饼，滤饼经洗涤烘干后得到改性稻壳。
实施例3
一种上述装置的富营养化水体原位生物-生态联合修复方法，所述方法包括以下步骤：
对预修复水域进行清理，然后将在联合修复装置的基质腔中装填入除磷基质，在竖管中装填入可降解固相载体，将若干个联合修复装置投入水域中，在联合修复装置的环形封闭盖中心位置种植水生植物。
所述除磷基质为贝壳生物炭与聚合氧化铝的共混物，贝壳生物炭与聚合氧化铝的质量比4∶1。
贝壳生物炭的制备方法为：将贝壳清洗，去除角质层，分离棱柱层和珍珠层，干燥后粉碎至粒径为2-3cm，在惰性气体氛围下，升温至720℃进行充分碳化，然后降温至450℃，通入空气，保温60min后降至室温，粉碎至粒径30-50mm得到贝壳生物炭。
所述可降解固相载体为改性稻壳与可降解人工合成聚合物的混合物，改性稻壳与可降解人工合成聚合物的混合物的质量比为3∶1；其中可降解人工合成聚合物可为聚己内脂、聚丁二酸丁二醇脂或聚乳酸。
改性稻壳的改性方法为：稻壳经清洗后，在3Mpa的真空度下加热至700℃，时间90min，降至室温后粉碎过200目筛，然后与氢氧化钠溶液混合，经振荡、抽滤，得滤饼，滤饼经洗涤烘干后得到改性稻壳。
选取面积约为80m2的受污染池塘作为实验对象，水深为4.5m左右。测得该污染池塘氨氮、COD、总磷、硝态氮、亚硝态氮浓度分别为为49.3mg/L，121.5mg/L，6.02mg/L，108.9mg/L，101.8mg/L，属于劣V类水体。
将本发明的联合修复装置按照每10m2一个的覆盖率投放于该池塘中，处理19d。19d后在测得该水塘COD浓度为3.2mg/L；氨氮浓度为2.8mg/L；总磷浓度为0.2mg/L；硝态氮浓度为4.5mg/L；亚硝态氮浓度为3.6mg/L。去除率依次达到97％，94％，96％，95％，96％。

Claims (9)

1.一种富营养化水体原位生物-生态联合修复装置，其特征在于，包括壳体(1)，所述壳体(1)底部设有基质腔(2)，顶端设有环形封闭盖(3)，壳体(1)中部设有若干竖管(4)，所述环形封闭盖(3)上设有用于悬挂竖管的通孔(5)。
2.根据权利要求1所述的一种富营养化水体原位生物-生态联合修复装置，其特征在于，所述壳体(1)为圆柱形。
3.根据权利要求1所述的一种富营养化水体原位生物-生态联合修复装置，其特征在于，所述基质腔(2)内装填除磷基质，所述基质腔(2)顶端设有盖板(6)。
4.根据权利要求1所述的一种富营养化水体原位生物-生态联合修复装置，其特征在于，所述竖管(4)用于装填可降解固相载体。
5.一种采用权利要求1所述装置的富营养化水体原位生物-生态联合修复方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
对预修复水域进行清理，然后将在联合修复装置的基质腔中装填入除磷基质，在竖管中装填入可降解固相载体，将若干个联合修复装置投入水域中，在联合修复装置的环形封闭盖中心位置种植水生植物。
6.根据权利要求5所述的一种富营养化水体原位生物-生态联合修复方法，其特征在于，所述除磷基质为贝壳生物炭与聚合氧化铝的共混物，贝壳生物炭与聚合氧化铝的质量比2-4∶1。
7.根据权利要求6所述的一种富营养化水体原位生物-生态联合修复方法，其特征在于，贝壳生物炭的制备方法为：将贝壳清洗，去除角质层，分离棱柱层和珍珠层，干燥后粉碎至粒径为2-3cm，在惰性气体氛围下，升温至650-720℃进行充分碳化，然后降温至400-450℃，通入空气，保温30-60min后降至室温，粉碎至粒径30-50mm得到贝壳生物炭。
8.根据权利要求5所述的一种富营养化水体原位生物-生态联合修复方法，其特征在于，所述可降解固相载体为改性稻壳与可降解人工合成聚合物的混合物，改性稻壳与可降解人工合成聚合物的混合物的质量比为1-3∶1；其中可降解人工合成聚合物可为聚己内脂、聚丁二酸丁二醇脂或聚乳酸。
9.根据权利要求8所述的一种富营养化水体原位生物-生态联合修复方法，其特征在于，改性稻壳的改性方法为：稻壳经清洗后，在0.2-3Mpa的真空度下加热至650-700℃，时间60-90min，降至室温后粉碎过200目筛，然后与氢氧化钠溶液混合，经振荡、抽滤，得滤饼，滤饼经洗涤烘干后得到改性稻壳。
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