发明内容
针对现有技术的不足,本发明提供一种底泥原位生物强化与底栖环境生态修复方法,实现在不破坏水体自然循环的基础上,利用底泥造粒钝化与固定化微生物组合技术抑制底泥污染物释放和促进污染物降解,从而减少对上覆水体的污染。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:
为解决上述技术问题,本发明提供如下技术方案:
一方面,本发明提供一种固定化微生物载体填料,所述固定化微生物载体填料通过将沸石和底泥材料混合后在细菌培养基中培养制备得到;所述底泥材料来自待修复的污染水体底部表层污泥。
进一步地,所述沸石和底泥材料在混合前按质量比为1:(2~10)。
进一步地,所述培养具体条件如下:将底泥材料和沸石混合后在避光条件下,于28~35℃下置于pH为7~8的细菌培养基中浸泡搅拌80~150S,摇床继续培养;每隔两天,更换新鲜的细菌培养基混匀,培养10天后,过滤,完成;得到的菌数至少达到1.0×108CFU/g。
进一步地,所述细菌培养基为:将硫酸铵100~300mg、碳酸氢钠20~40mg、磷酸氢二钾0.05~2g、硫酸镁100~300mg、硫酸铜0.1~2mg、硫酸锌0.3~3mg和水1L混合后,调pH为7~8,即得。该细菌培养基能够提供微生物生长所需的碳源、氮源、生长因子等营养成分,提高微生物的生长代谢能力。
进一步地,所述底泥材料制备过程如下:取待修复的污染水体底部表层污泥(所述表层污泥厚度约1~5cm),剔除其中不溶于水的杂质颗粒(例如碎玻璃碎石头、木棍等),过滤得到,含水率60~80%,可交换态氨氮含量为100~200mg/kg。
进一步地,所述底泥材料中含有土著微生物菌群,所述土著微生物菌群由乳酸菌、酵母菌群、光合菌群、芽孢杆菌群、硝化菌群组成。
进一步地,本发明所述沸石粉粒径为100~500目,更进一步地,所述沸石粉粒径为100~300目,优选地,本发明所述沸石粉粒径为200目。
进一步地,本发明所述土著微生物菌群中乳酸菌、酵母菌群、光合菌群、芽孢杆菌群、硝化菌群的微生物丰度分别为12.52%、8.36%、11.25%、9.28%及15.20%。有利于提高微生物对河道底泥环境的适应能力,在底泥原位生物固化修复药剂投放后,使微生物能迅速大量繁殖成为优势菌种,从而快速高效的修复治理底泥。
进一步地,本发明所述固定化微生物载体填料的孔隙率为25~35%,堆积密度为0.9~1.5g/cm3。优选地,所述孔隙率为30%,堆积密度为0.9~1.5g/cm3。
一方面,本发明提供一种底泥生物固化修复剂,由沸石粉、过氧化钙、粉煤灰、聚丙烯酰胺、氧化镁和氧化铁混合制备而成。
进一步地,所述底泥生物固化修复剂,按重量份数计,包括沸石粉300~400份、过氧化钙150~200份、粉煤灰250~350份、聚丙烯酰胺20~50份、氧化镁100~150份、氧化铁80~100份。
进一步地,本发明所述沸石粉粒径为100~500目,更进一步地,所述沸石粉粒径为100~300目,优选地,本发明所述沸石粉粒径为200目。
进一步地,本发明所述过氧化钙粒径为100~400目,更进一步地,所述过氧化钙粒径为100~300目,优选地,本发明所述过氧化钙粒径为100目。
进一步地,本发明所述粉煤灰粒径为0.5~300μm,更进一步地,所述粉煤灰粒径为50~200μm,优选地,本发明所述粉煤灰粒径为100μm。
进一步地,本发明所述聚丙烯酰胺相对分子量为100~2000万,更进一步地,所述聚丙烯酰胺相对分子量为800~2000万,优选地,本发明所述聚丙烯酰胺相对分子量为900万。
进一步地,本发明所述聚丙烯酰胺可以为阴离子型、阳离子型、非离子型,优选地,本发明所述聚丙烯酰胺为阳离子型。
进一步地,所述底泥生物固化修复剂的制备方法,包括如下步骤:称取沸石粉、过氧化钙、粉煤灰、聚丙烯酰胺、氧化镁、氧化铁,将上述粉料投入高速粉料混合装置,搅拌,混合均匀,即得。
进一步地,所述混合搅拌转速为500~1300rpm,更进一步地,所述混合搅拌转速为800~1300rpm,优选地,本发明所述混合搅拌转速为900、1200rpm。
进一步地,所述混合搅拌时间为5~60分钟,更进一步地,所述混合搅拌时间为10~30分钟,优选地,本发明所述混合搅拌转速为20、30分钟。
一方面,本发明提供一种底泥原位生物强化与底栖环境生态修复方法,包括如下步骤:
1)向自然水域受污染底泥中撒入底泥生物固化修复剂,充分均匀的搅拌8~10min,实现底泥的生物改良,投加量一般为0.2%~0.5%(因含水率和土质而不同);
2)利用机耕船翻拌作业,作业深度为20-30cm,往返来回翻拌2次,测定泥质pH,控制范围为6.8-7.3,反应时间为1-3天,观察底泥改良后的性状,如有明显的泥水分离则进行下一步骤,否则继续静置;
3)加入固定化微生物载体填料,利用机耕船翻拌作业,作业深度为20-30cm,往返来回翻拌2次,测定泥质pH,控制范围为6.8-7.3,反应时间为1-3天。
进一步地,本发明所述固定化微生物载体填料使用量为100~1000g/㎡,更进一步地,所述固定化微生物载体填料使用量为100~500g/㎡,优选地,本发明所述固定化微生物载体填料使用量为300g/㎡。
本发明所述底泥生物固化修复剂+固定化微生物载体填料可应用于城市河道、生活污水排放渠、工业污水排放渠以及恶臭污泥。首先利用底泥生物固化修复剂实现对底泥的生物改良,再利用固定化微生物载体填料本身所附着的微生物降解污染物,同时又具有物理吸附和阻隔等功能,使污染物在生物降解与物理吸附的协同作用下被去除,实现了降低底泥中有机碳、总磷及总氮含量,改善氧化还原电位,达到底泥减量化和无害化的目的。
将所述底泥生物固化修复剂投放到所需处理的污染底泥中,混合搅拌,所述底泥生物固化修复剂与泥水中的污染物充分发生作用,吸附水体中的污染物及激活底泥微生物的作用,以达到对水体中污染物原位收集、浓缩并在底泥固化改性目的。
底泥生物固化修复剂具有如下特性:1)具有疏水性特征。与底泥进行作用后形成团粒泥体,具有疏水的基本特征,团粒泥体在外部膜结构的作用下产生自缚现象,从而使泥体不随水体流失。2)具有空间网络的团粒结构。孔隙率变大,透气性好,适合各种微生物及生物的生长,为微生物提供生存的场所和条件。3)有固锁有机质特性。能有效降解污染有机质及碳、氮、磷指标,并消解有机质。并固锁恶臭且不析出,保护上覆水体环境。
本发明固定化微生物载体填料中附着的微生物来源于待修复水体底部,利于微生物对河道底泥环境的适应能力提升,在投放后,微生物能够迅速大量繁殖成为优势菌种,从而达到快速高效的原位治理底泥。固定化微生物载体填料具有如下特性:1)沸石作为培养微生物的载体介质,沸石孔隙率高,比表面积大,表面粗糙,沸石的微孔结构适合微生物生长繁殖,经培养形成生物沸石后,能同时发挥沸石的物理性能和微生物对污染物的物理、化学、生物作用。2)沸石作为微生物生长的载体同时能吸附营养物质,吸附的营养物质一部分被微生物作为营养源合成新细胞,并不断向水环境中释放出增殖的微生物;一部分营养物质被微生物(如硝化、反硝化菌)代谢、分解。同时还代谢产生大量的代谢产物(有机酸、酶等)促进有机污染物的分解。
本发明固定化微生物载体填料通过离子交换、联结、包裹、凝胶作用,与底泥表面产生较大的分子力,从而迅速脱水形成具有立体网络结构的团粒,团粒结构使底泥具备优良的疏水性、透气性、粘连性等物理特性,可有效固锁和消减底泥中的碳、氮、磷物质,逐步消解有机质,改善底泥内部微生物多样性。由此可知,所述固定化微生物载体填料能快速改善水体水质与底泥环境,有助于水生态系统的自然构建,从而有效实现水体与底泥的原位修复。
沸石表面粗糙和具有的多孔结构,使其具有较强的携载能力,不但能使物料均匀地吸附在表面,而且能吸附到孔穴和通道内,因而具有独特的吸附、筛分、交换阴阳离子以及催化性能;能附着大量微生物,利于后续修复。
底泥材料中微生物来自待修复水体底部,通过培养富集,有利于提高微生物对河道底泥环境的适应能力,在固定化微生物载体填料投放后,使微生物能迅速大量繁殖成为优势菌种,从而快速高效的修复治理底泥。
底泥生物固化修复剂+固定化微生物载体填料(的使用)能快速改善水体水质与底质环境,有助于水生态系统的自然构建,从而实现水体与底泥的原位修复。
底泥生物固化修复剂与底泥可形成立体网络团粒结构,具有疏水的基本特征,团粒泥体在外部膜结构的作用下产生自缚现象,从而使泥体不随水体流失。底泥生物固化修复剂+固定化微生物载体填料能够使有机污染物无机化,无极污染物减量化,能有效降解污染有机质,并消解有机质,消减碳、氮、磷,固锁恶臭且不析出,保护上覆水体环境;内部的孔隙结构既可以保存随水进入团粒的水溶性养分,又适宜兼氧、好氧性微生物的生长繁殖活动可激活底泥内部微生物多样性,从而形成厌氧和好氧共生菌群,实现整体水体环境长久的生态性。
有益效果
本发明与现有技术相比,具有如下有益效果:
底泥生物固化修复剂+固定化微生物载体填料组合实现底泥原位生物强化与底栖环境生态修复,首先通过离子间交换、联结、包裹、凝胶的作用,与粘粒表面产生较大的分子力,从而迅速脱水形成了底泥内部的空间网络的团粒结构,增加了孔隙率及透气性,为后续微生物的生长提供了必要的生存环境,其次通过施加固定化微生物,从根本上增加了底泥中的微生物的多样性,最后在底泥造粒钝化与固定化微生物长期的作用下,底栖环境的生态性趋于平稳,逐渐成为改善整体水域的贡献者。
该组合技术的优点:
(1)有机污染减量化和无机化
底泥造粒钝化技术具有固锁有机质特性。能有效降解污染有机质及碳、氮、磷指标,并消解有机质。团粒内部呈空间网络的团粒结构,该结构既可以保存随水进入团粒的水溶性养分,又适宜兼氧、好氧性微生物的生长繁殖活动。增效的固定化微生物技术释放大量有益微生物,在多孔的团粒结构中进行生长繁殖,同时降解转移有机物,显著降低底泥污染负荷。
(2)隔断底部污染物释放
底泥造粒钝化后,一定厚度(密度相对较大)的团粒改造层形成一个稳定的覆盖隔离层,其作用是阻隔底泥有机物或其他污染物的释放,保护上覆水体。
(3)微生物生长的资源库
团粒内部的孔隙结构既可以保存随水进入团粒的水溶性养分,又适宜兼氧、好氧性微生物的生长繁殖活动。固定化微生物技术可以释放大量有益微生物,在多孔的团粒结构中进行生长繁殖,同时进一步降解转移有机物,显著降低底泥污染负荷。
(4)维持较高的土壤生物多样性
由于团粒间同时存在不同大小孔隙,且比例适当,水气环境多元、物质能量供应多元,这为不同大小体型、好氧厌氧生活习性的动物、微生物提供了良好的生存空间。且增效的固定化微生物技术提供的大量有益微生物,很大程度上改善了Shannon指数和均匀度及Simpson指数,实现对底栖环境继而对整体水域环境的长久的生态功能。
具体实施方式
以下结合具体实施方式,对本发明作进一步的详细描述,但不应将此理解为,本发明所述主题范围仅限于以下实施例。
下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置;所有试剂均可来自于商购。
细菌培养基为:将硫酸铵100~300mg、碳酸氢钠20~40mg、磷酸氢二钾0.05~2g、硫酸镁100~300mg、硫酸铜0.1~2mg、硫酸锌0.3~3mg和水1L混合后,调pH为7~8,即得。
底泥材料制备过程如下:取待修复的污染水体底部表层污泥(所述表层污泥厚度约1~5cm),剔除其中不溶于水的杂质颗粒(例如碎玻璃碎石头、木棍等)后,过滤过滤得到,含水率60~80%,可交换态氨氮含量为100~200mg/kg。
实施例1:
一种固定化微生物载体填料的制备:将沸石和底泥材料按质量比为1:(2~10)混合后后在避光条件下,于28~35℃下置于pH为7~8的细菌培养基中浸泡搅拌80~150S,摇床继续培养;每隔两天,更换新鲜的细菌培养基混匀,培养10天后,过滤,完成;得到的菌数至少达到1.0×108CFU/g。所述沸石粉粒径为100~500目,所述底泥材料中含有土著微生物菌群,所述土著微生物菌群由乳酸菌、酵母菌群、光合菌群、芽孢杆菌群、硝化菌群组成。所述土著微生物菌群中乳酸菌、酵母菌群、光合菌群、芽孢杆菌群、硝化菌群的微生物丰度分别为12.52%、8.36%、11.25%、9.28%及15.20%。
所述固定化微生物载体填料的孔隙率为25~35%,堆积密度为0.9~1.5g/cm3。
实施例2:
一种底泥生物固化修复剂,按重量份数计,称取沸石粉300~400份、过氧化钙150~200份、粉煤灰250~350份、聚丙烯酰胺20~50份、氧化镁100~150份、氧化铁80~100份,将上述粉料投入高速粉料混合装置,搅拌,转速为500~1300rpm,混合搅拌时间为5~60分钟,混合均匀,即得。
实施例3:
选定某城市河道受污染底泥作为实施对象,对该河道隔离的长宽分别为2m、3m,即面积为6㎡污染区域进行试验,隔离区域外的污染底泥为对比实验。对实验区域进行如下步骤:
1、根据初步判断污染物累积深度约为30cm,向受污染的试验段撒入底泥生物固化修复剂,投加量为300g/㎡;
2、利用机耕船翻拌作业,作业深度为20-30cm,往返来回翻拌2次,测定泥质pH,控制范围为6.8-7.3,反应时间为1-3天,观察底泥改良后的性状,出现明显的泥水分离;
3、接着向加入固定化微生物载体填料,投加量为200g/㎡,利用机耕船翻拌作业,作业深度为20-30cm,往返来回翻拌2次,测定泥质pH,控制范围为6.8-7.3,反应时间为1-3天。
一周后,分别取样进行指标检测,检测结果见表1
检测指标 |
TN(g/kg) |
TP(g/kg) |
TOC(g/kg) |
ORP(mv) |
对比段 |
5.2 |
3.5 |
92.7 |
~210 |
实验段 |
2.3 |
1.2 |
51.3 |
~10 |
表1
上表可以看出,修复后有效的消减了底泥中碳、氮、磷指标,氧化还原电位值大幅度上升,间接反应出底泥内部微生物菌群,逐渐从厌氧微生物过渡到好氧微生物。
同时,对实验段修复后为期一个多月的Shannon指数和均匀度进行检测与评价,结果如图1所示:
Shannon指数和均匀度可以反映底泥微生物群落多样性。底泥经过钝化造粒改性后,团粒间孔隙中溶解氧增多,适宜于好氧微生物和兼氧微生物的活动。由图1可以看到施加固定化微生物菌剂后,底泥Shannon指数和均匀度均呈上升趋势,且在修复10天后有大幅度的上升,这是由于固定化载体内微生物菌群有激活和增殖的时间延迟。在修复1个月后,Shannon指数和均匀度分别达到6.72和1.18,表明底泥微生物群落多样性很丰富,底泥微生物菌群生态得到极大的改善。
实施例4:
选定某公园受污染底泥作为实施对象,用专有的底泥原位柱状采样装置采集深度为20cm、直径为10cm的柱状泥样,根据初步判断污染物累积深度约为15cm。进行以下实验:
1、采集深度为15cm以内的泥样2000g,均匀分成两等份,其中一份为对照组。向实验组中加入底泥生物固化修复剂,投加量为5g,充分均匀的搅拌8~10min;
2、搅拌后静置5~10min,观察底泥改良后的性状,出现明显的泥水分离;
3、接着向加入固定化微生物载体填料,投加量为5g,充分均匀搅拌后静置。
一周后,分别进行指标检测,检测结果见表2
检测指标 |
TN(g/kg) |
TP(g/kg) |
TOC(g/kg) |
ORP(mv) |
对照组 |
3.2 |
2.5 |
48.5 |
~75 |
实验组 |
1.9 |
0.8 |
26.5 |
50 |
表2
上表可以看出,修复后实验段有效的消减了底泥中碳、氮、磷指标,底泥内部微生物菌群得到大幅度改善,溶解氧增加,好氧微生物占主导地位。
同时,对实验组修复后为期一个多月的Simpson指数进行检测与评价,结果如图2所示:
Simpson指数可以反映底泥微生物常见种优势度的变化情况。底泥修复前底泥中的菌群单一主要为厌氧异养菌,此时Simpson指数较高达到0.08。随着底泥钝化造粒以及固定化微生物菌群的投加,在修复1个月后,Simpson指数约为0.04,表明底泥中微生物群落多样性增加,底泥中好氧性微生物和兼氧性微生物如乳酸菌、酵母菌群和光合菌群等逐渐增多。
综上所述,该河道底泥原位修复技术,创新引入底泥结构的改良和底栖微生态环境的重建修复理念,实现河道底部生物生境的改良,为后期的水环境生态修复创造有利的基础条件,更加体现底泥污染生态治理的优势。
可以理解的是,以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式,然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言,在不脱离本发明的精神和实质的情况下,可以做出各种变型和改进,这些变型和改进也视为被包含在本发明的保护范围内。