一种富营养化水体修复药剂及其制备方法
技术领域
本发明属于水环境修复领域,具体涉及一种富营养化水体治理药剂,尤其涉及一种富营养化水体修复药剂及其制备方法。
背景技术
随着工农业的迅速发展,大量含有氮、磷的工业废水、生活污水、甚至未经处理的污水直接排污河道,使得部分河流出现了富营养化现象。水体富营养化是由于水体中营养物质(例如氮、磷元素等)超标而导致藻类过度增殖、水体溶解氧的含量减少、水生生物大量死亡、水质恶化。水体的富营养化不仅导致河流生态系统遭到破坏,而且会影响人们的生产生活,所以富营养化水体修复成为我国目前城市河道污染问题中亟待解决的水环境问题。
富营养化水体修复的核心是降低水体中氮磷元素浓度,并且增加其中溶解氧浓度。现阶段修复富营养化水体的方法包括:外援阻断、内源控制、水质净化、生态修复等,但大部分的方法对富营养化水体起到的修复效果有限,不仅处理时间长,修复方式复杂,需要专门的机械投加,耗费大量财力物力,而且不能彻底解决富营养化水体污染问题,经过处理后的水体容易反弹,重新出现富营养化现象。因此,研发高效持久的富营养化水体修复剂,是目前富营养化水体处理研究的热点、重点与难点。
发明专利CN101591040A公开了一种富营养化水体水华污染生物防治方法,通过对水体喷洒短期内可生物降解的天然植物抑藻剂治理富营养化水体,但是这种方法并没有从根本上解决水中氮、磷营养元素浓度过高的问题,即抑藻剂被生物降解完之后,可能会重新出现水体富营养化现象。
发明专利CN109592762A公开了一种富营养化水体处理剂及其制备方法,采用碳化硅复合铁基、钛白废渣-聚乳酸复合物和陶粒制成多空的微球,用以吸附、絮凝有机物、磷和氮等污染物,并通过光催化作用降解污染物,但是由于富营养化水体透光性差,光催化降解效果有限,同时吸附达到饱和之后的填料需要更换,会增加运营成本。
发明专利CN110002602A公开了一种治理富营养化水体的净化剂及其制备方法,主要采用复合菌种降解富营养化水体中的氮、磷元素,但是由于富营养化水体中藻类繁殖过度,会消耗大量的溶解氧,所以投加的复合菌种会受到抑制,会在一定程度上影响富营养化水体的治理效果;此外,该方法采用的复合菌种并非由土著微生物驯化扩大培养而成的菌种,存在着外来菌种对原有环境的适应问题和水体受到外来菌种冲击的潜在环境风险。
发明专利CN106946309A公开了一种氧缓释、吸磷材料的制备方法及其应用,对目标水体进行缓释氧并去除磷,但这种方法并没有考虑到氮元素的转变,同时也没有考虑到释氧剂释放完氧气之后的用途以及填料的变化,容易导致水体富营养化现象出现反弹。
发明专利CN108483555A公开了一种用于富营养化水体修复的多效修复材料及其制备方法及用途,其中采用了二氧化钛和废弃金属屑,二氧化钛具有神经毒性,废弃金属屑的迁移转化可能会导致水体和底泥的重金属超标,所以该材料可能存在着负面的生态效应。
总之,现有技术中的富营养化水体治理方法或治疗药剂在治理效果方面往往不令人满意,容易出现反弹,另外在成本和环境友好性方面也多存在问题。因此,现有技术中仍需要开发更好的治理富营养化水体的方法,特别需要一种具有更好治理效果和低成本、环境友好的富营养化水体修复药剂。
发明内容
为了解决现有技术问题,克服已有技术的不足,本发明旨在提供一种能从根本上修复富营养化水体的低成本、环境友好的富营养化修复药剂,旨在高效、持久地修复富营养化水体。
本发明人经过大量试验,意外发现,通过采用特定比例的释氧剂、生物质炭粉、复合菌剂、碱剂和粘结剂等的组合,可以获得对富营养化水体的良好修复效果。
为此,在第一方面,本发明提供了一种富营养化水体修复药剂,其中,按质量分数计,所述药剂由以下原料组成:水10%~15%、释氧剂10%~30%、生物质炭粉20%~30%、复合菌剂10%~20%、碱剂5%~10%和粘结剂20%~40%。
在本发明提供的富营养化水体修复药剂中,所述释氧剂选自过氧化钙、过氧化镁、过氧化钠和过氧化钾中的一种或其混合物。
在本发明提供的富营养化水体修复药剂中,所述生物质炭粉是通过以下方法得到的:将选自花生壳、秸秆、玉米芯、甘蔗渣、木屑和碎树皮中的一种或多种原料的混合物经粉碎机破碎,过20~80目筛,得生物质炭粉,将所述生物质炭粉按1:10~1:20的固液比浸泡于2%~4%NaOH溶液中,浸泡时间为10~24h,浸泡后用去离子水冲洗至中性,自然烘干至恒重即可。
在本发明提供的富营养化水体修复药剂中,所述粘结剂优选为普通硅酸盐水泥,所述普通硅酸盐水泥由以下质量百分数的组分组成:硅酸三钙40%~60%、硅酸二钙15%~35%、铝酸三钙7%~15%和铁铝酸四钙10%~18%。
在本发明提供的富营养化水体修复药剂中,所述碱剂选自氧化钙、氢氧化钙、碳酸钙或其混合物。
本发明中的复合菌剂优选为好氧反硝化细菌。
在一些优选的实施方案中,本发明的复合菌剂是通过如下所述的方法制得的:
采集目标富营养化水体沉积物样品40mL并加入到100mL液体培养基中,混匀,在黑暗、温度30℃、溶解氧4~5mg/L以及摇床转速160r/min的条件培养3天,取所得的富集培养物1mL加入到新鲜的好氧反硝化细菌富集培养基中,每隔3~5天向所述培养基中加入4~6%的硝酸盐溶液4mL,经过5次富集培养后,选出没有异常菌落出现的纯化菌株;取纯化菌株涂布于好氧反硝化平板分离固体培养基上,30℃恒温培养10天,挑选出的单菌落即为好氧反硝化细菌,将得到的好氧硝化细菌接种到扩大培养基上,接种后于25~30℃、200r/min震荡培养箱中扩大培养3~5天得到菌液,采用无菌蛭石粉作为吸附载体,将所述吸附载体与扩大培养后得到的菌液按照重量比例为(1~3):1混合,将混合物在35℃~40℃的条件下干燥24h,用冷风降温接近到室温;将所得干燥物粉碎研磨,得到固体粉末状的复合菌剂。
优选地,在上述复合菌剂制备方法中,所述好氧反硝化细菌富集培养基具有以下组成:固体醋酸钠0.5g;硝酸钾0.05g;七水合磷酸氢二钠0.5g;亚硝酸钠0.01g,七水合硫酸镁0.1g;琼脂18g;pH=7~7.5;所述好氧反硝化平板分离固体培养基具有以下组成:琥珀酸钠4.72g,亚硝酸钠0.01g,磷酸二氢钾1.5g,磷酸氢二钠7.9g,酪蛋白氨基酸5g,七水合硫酸镁0.1g,痕量元素溶液1mL,pH=7~7.5;所述扩大培养基具有以下组成:硫酸铵5g,七水合硫酸亚铁0.04g,七水合硫酸镁0.5g,氯化钠2g,四水合硫酸锰0.01g,磷酸氢二钾1g,氯化钙5g,富营养化水体250mL加入去离子水定容至1000mL。
另一方面,本发明提供了一种上述富营养化水体修复药剂的制备方法,包括以下步骤:把释氧剂、生物质炭粉、复合菌剂、碱剂和粘结剂混合均匀,在造粒机中加水滚动至球型,然后将球型材料放入到混凝土养护箱养护。
在本发明提供的富营养化水体修复药剂的制备方法中,优选地,所述的球粒粒径为0.3cm~3cm,混凝土养护箱的养护条件为20±2℃,湿度为95%,养护时间为5天以上。
本发明还提供了本发明所述的富营养化水体修复药剂在制备水处理产品中的用途。本发明的富营养化水体修复药剂可以添加在水处理产品中或作为水处理产品直接使用。所述水处理产品可以以适于进行污水处理的各种形式存在。
与现有技术相比,本发明具有以下的有益效果:
(1)富营养化水体往往氮磷比例高、碳含量相对低,这会在一定程度上抑制微生物对氮磷进行吸收利用。本发明人发现,相比于向水体直接投加液体或固体碳源的处理方式,本发明的富营养化水体修复药剂能够使得碳源缓慢释放,使得微生物在有氧的情况按C:N:P=100:5:1利用氮和磷元素,从而避免碳源进入水体后直接流失,也避免了对水体产生二次污染的风险,因而持续地对富营养化水体起到修复的作用。
(2)本发明的富营养化水体修复药剂自重比较大,投入水体后直接沉入水底,方便投加;
(3)释氧剂可以提高水体中溶解氧的浓度和利用率,改善富营养化水体的低氧环境,有利于微生物在好氧的状态下快速去除氮磷元素;此外,释氧剂还可以提高水体中的氧化还原电位,抑制富营养化水体腥臭味的形成;
(3)本发明的富营养化水体修复药剂包含生物质炭粉,不仅增大了孔隙率和比表面积,使微生物更容易附着固定在上面,提高水体中营养元素去除的效率,还可实现资源循环利用;
(4)本发明的富营养化水体修复药剂采用的复合菌剂优选含有从富营养化水体沉积物中提取并经过处理的微生物——好氧反硝化细菌,其对环境具有很好的适应性,并且不会对水体中的菌落造成冲击,而且还能在有氧的条件下实现同步硝化反硝化,增加水体脱氮的效率;
(5)我们意外地发现:本发明的富营养化水体修复药剂含有碱剂,相比于不含碱剂的药剂可以更有效去除水体中的磷;
(6)本发明的富营养化水体修复药剂的原料均为环境友好型材料,具有安全、高效、易储存、成本低,操作简单等特点,而且可避免水体富营养化反弹。
附图说明
图1显示的是实施例3中单位质量材料的氧气和生物质炭释放量。
具体实施方式
为了是得本领域技术人员更加清楚地了解到本发明的技术产品,下面结合附图和具体实施例与对比例,进一步阐释本发明的技术方案,应理解这些实施例和对比例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围,在阅读了本发明之后,本领域技术人员均可对本发明的作修改、等同替换、改进等,但均应包含在本发明的保护范围之内。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作和/或它们的组合。
在本发明中,所提到的组分的比例均基于质量比或重量比。
实施例1
药剂组成:
一种富营养化水体修复药剂,由以下质量份的组分组成:水10%、过氧化钙20%、生物质炭粉20%、复合菌剂20%、氢氧化钙5%、氧化钙5%和普通硅酸盐水泥20%(所述普通硅酸盐水泥由硅酸三钙:硅酸二钙:铝酸三钙:铁铝酸四钙组成,其质量比为10:5:3:2)。
其中所述生物质炭粉是通过如下方法制备得到的:
将芦苇秸秆经粉碎机破碎,过20~80目筛得生物质炭粉末,浸泡于2%~4%NaOH溶液,固液比为1:10~1:20,浸泡时间为10~24h浸泡后用去离子水冲洗至中性,自然烘干至恒重后即可得到粉末状的生物质炭粉。
其中所述复合菌剂是通过如下方法制备得到的:
采集目标富营养化水体沉积物样品40mL,并加入100mL液体培养基,混匀,在黑暗,温度为30℃,溶解氧为4.5mg/L,摇床转速为160r/min的条件培养3天,再取1mL富集培养物加入到新鲜的好氧反硝化细菌富集培养基中,每隔3~5天持续供给4~6%的硝酸盐溶液4mL,经过5次富集培养后,逐步选出没有异常菌落出现的纯化菌株。取纯化后的菌悬液在好氧反硝化平板分离固体培养基上涂布,30℃恒温培养10天,反复挑选出的单菌落即为好氧反硝化细菌,将得到的好氧硝化细菌接种到扩大培养基上,接种后于25~30℃、200r/min震荡培养箱中扩大培养3~5天,最后采用无菌蛭石粉作为吸附载体,将吸附载体与菌液按照重量比例为(1~3):1混合,最后将混合物在35℃~40℃的条件下干燥24h,最后用冷风将干燥物降温接近到室温后去除;将上一步所得的干燥物粉碎研磨,得到固体粉末状的复合菌剂。
优选地,在上述复合菌剂制备方法中,所述好氧反硝化细菌富集培养基具有以下组成:固体醋酸钠0.5g;硝酸钾0.05g;七水合磷酸氢二钠0.5g;亚硝酸钠0.01g,七水合硫酸镁0.1g;琼脂18g;pH=7~7.5;所述好氧反硝化平板分离固体培养基具有以下组成:琥珀酸钠4.72g,亚硝酸钠0.01g,磷酸二氢钾1.5g,磷酸氢二钠7.9g,酪蛋白氨基酸5g,七水合硫酸镁0.1g,痕量元素溶液1mL,pH=7~7.5;所述扩大培养基具有以下组成:硫酸铵5g,七水合硫酸亚铁0.04g,七水合硫酸镁0.5g,氯化钠2g,四水合硫酸锰0.01g,磷酸氢二钾1g,氯化钙5g,富营养化水体250mL加入去离子水定容至1000mL。
制备方法:
按如下步骤制备富营养化水体修复药剂:
按照上述质量百分比取各组分,混合均匀,在造粒机中滚动至0.3~3cm的球型,并把球粒放到温度20±2℃、湿度95%的混凝土养护箱中养护5天,即可制成富营养化水体修复药剂。
应用方法:
应用于模拟富营养化水体修复,包括如下的具体步骤:通过对目标水体(白洋淀水体)进行勘察,明确主要富营养化的污染因子为氮和磷,其中COD指标并不超标。选取1L富营养化水体置于1L烧杯中进行烧杯实验,富营养化水体药剂投量为20g/L,投药7天后总氮浓度从4.52mg/L下降至1.08mg/L,去除率可达到76.11%,总磷浓度从0.830mg/L下降至0.443mg/L,去除率可达到53.32%,溶解氧从1.2mg/L升高至4.6mg/L,氧化还原电位由-67.70mv升高至13.22mv。
实施例2(实际工程试验)
白洋淀富营养化水体原位修复试验案例:
水样来源:
白洋淀流域内由于工农业迅速发展和人口的剧增,使得白洋淀水域遭受污染,水体富营养化严重。在白洋淀靠岸边处选取长宽均为50m的正方形水域,周围用堤坊截断。
药剂组成:
本发明的富营养化水体修复药剂:由以下质量份的组分组成:水5%、过氧化钙25%、生物质炭粉20%、复合菌剂25%、氢氧化钙3%、氧化钙2%和普通硅酸盐水泥20%(所述普通硅酸盐水泥由硅酸三钙:硅酸二钙:铝酸三钙:铁铝酸四钙组成,其质量比为10:5:3:2)。
其中所述生物质炭粉是通过如下方法制备得到的:
将芦苇秸秆经粉碎机破碎,过20~80目筛得生物质炭粉末,浸泡于2%~4%NaOH溶液,固液比为1:10~1:20,浸泡时间为10~24h,浸泡后用去离子水冲洗至中性,自然烘干至恒重后即可得到粉末状的生物质炭粉。
其中所述复合菌剂是通过如下方法制备得到的:
采集目标富营养化水体沉积物样品40mL,并加入到100mL液体培养基中,混匀,在黑暗、温度30℃、溶解氧4.5mg/L和摇床转速160r/min的条件下培养3天,取所得的富集培养物1mL加入到新鲜的好氧反硝化细菌富集培养基中,每隔3~5天向所述培养基中加入4~6%的硝酸盐溶液4mL,经过5次富集培养后,选出没有异常菌落出现的纯化菌株;取纯化菌涂布于好氧反硝化平板分离固体培养基上,30℃恒温培养10天,挑选出的单菌落即为好氧反硝化细菌,将得到的好氧硝化细菌接种到扩大培养基上,接种后于25~30℃、200r/min震荡培养箱中扩大培养3~5天得到菌液,采用无菌蛭石粉作为吸附载体,将所述吸附载体与扩大培养后得到的菌液按照重量比例为(1~3):1混合,将混合物在35℃~40℃的条件下干燥24h,用冷风降温接近到室温;将所得干燥物粉碎研磨,得到固体粉末状的复合菌剂。
优选地,在上述复合菌剂制备方法中,所述好氧反硝化细菌富集培养基具有以下组成:固体醋酸钠0.5g;硝酸钾0.05g;七水合磷酸氢二钠0.5g;亚硝酸钠0.01g,七水合硫酸镁0.1g;琼脂18g;pH=7~7.5;所述好氧反硝化平板分离固体培养基具有以下组成:琥珀酸钠4.72g,亚硝酸钠0.01g,磷酸二氢钾1.5g,磷酸氢二钠7.9g,酪蛋白氨基酸5g,七水合硫酸镁0.1g,痕量元素溶液1mL,pH=7~7.5;所述扩大培养基具有以下组成:硫酸铵5g,七水合硫酸亚铁0.04g,七水合硫酸镁0.5g,氯化钠2g,四水合硫酸锰0.01g,磷酸氢二钾1g,氯化钙5g,富营养化水体250mL加入去离子水定容至1000mL。
制备方法:
按如下步骤制备富营养化水体修复药剂:
按照上述质量百分比取各组分,混合均匀,在造粒机中滚动至0.3~3cm的球型,并把球粒放到温度20±2℃、湿度95%的混凝土养护箱中养护5天,即可制成富营养化水体修复药剂。
应用和结果:
河道投药量为40g/L:在播撒药剂以后,其水质变化如表1所示,从表1可以看出,在使用该药剂的第15天后,总氮的去除率接近50%,总磷的去除率超过90%,ORP(氧化还原电位)在第15天提高了60%,溶解氧在15天以内可以从缺氧水平得到改善。
表1白洋淀富营养化水体原位修复水质表:
实施例3
静水浸出实验:
应用实施例1制得的富营养化水体修复药剂进行静水浸出实验,将富营养化水体修复药剂放入500ml锥形瓶中,用超纯水作为浸出剂,其COD为0,并且该超纯水用适量的亚硫酸钠作为氧气猝灭剂,使其溶解氧量为0。按照浸出剂体积(cm3):样品几何表面积(cm2)=10±0.2cm进行投加药剂,投加药剂后立刻用封口膜对锥形瓶进行密封。分7次按规定的时间间隔从锥形瓶中取出样品,并立刻转移到放有新鲜浸出剂的另一个锥形瓶中,原来的锥形瓶立刻进行水样分析。浸出剂更换时间见表2。
实施例3单位质量材料的氧气和生物质炭释放量(mg·g-1)如附图1所示,理论氧气释放量为110mg,理论生物质炭释放量为500mg,到30d为止的释放率:氧气、生物质炭释放量分别为45.85%和59.86%。具体的释放量见表3。
表2浸出剂更换时间
表3静水浸出释放率表
时间(h) |
生物质炭累积释放率(%) |
氧气累积释放率(%) |
0 |
0 |
0 |
24 |
4.75 |
2.82 |
72 |
10.45 |
7.88 |
120 |
17.42 |
14.66 |
168 |
26.06 |
22.07 |
264 |
35.70 |
29.87 |
360 |
46.46 |
37.80 |
720 |
59.56 |
45.94 |
对比例1
参照实施例1的配比,本对比例的复药剂与实施例1的修复药剂区别仅在于,本对比例的药剂不含有复合菌剂,用普通硅酸盐水泥(所述普通硅酸盐水泥由硅酸三钙:硅酸二钙:铝酸三钙:铁铝酸四钙组成,其质量比为10:5:3:2)代替复合菌剂,其余组分以及制备过程不变。
将本对比例制得的富营养化水体修复药剂应用于实际污染富营养化水体和底泥的修复,包括如下的具体步骤:通过对白洋淀水体进行勘察,明确主要富营养化的污染因子为氮和磷,COD指标并不超标。选取1L富营养化水体置于1L烧杯中进行烧杯实验,富营养化水体药剂投量为20g/L。投药7天后再次检测,通过实施例1和对比例1比较可以得出,总氮浓度从4.52mg/L下降至4.05mg/L,去除率比实施例1降低了60%以上;总磷从0.830g/L下降至0.782mg/L,去除率比实施例1降低了40%以上;氧化还原电位从-67.70mv升高至-39.22mv;溶解氧从1.2mg/L升高至2.3mg/L,提升率比实施例1降低了26.08%。
对比例2
参照实施例1的配比,本对比例制得的修复药剂与实施例1的修复药剂区别仅在于,本对比例的药剂不含有释氧剂,用普通硅酸盐水泥(所述普通硅酸盐水泥由硅酸三钙:硅酸二钙:铝酸三钙:铁铝酸四钙组成,其质量比为10:5:3:2)代替复合菌剂,其余组分以及制备过程不变。
将本对比例制得的富营养化水体修复药剂应用于实际污染富营养化水体和底泥的修复,包括如下的具体步骤:通过对白洋淀水体进行勘察,明确主要富营养化的污染因子为氮和磷,COD指标并不超标。选取1L富营养化水体置于1L烧杯中进行烧杯实验,富营养化水体药剂投量为20g/L。投药7天后再次检测,通过实施例1和对比例3比较可以得出,总氮浓度从4.52mg/L下降至4.36mg/L,去除率比实施例1降低了70%以上;总磷从0.830g/L下降至0.795mg/L,去除率比实施例1降低了40%以上;氧化还原电位从-67.70mv升高至-65.98mv,基本没有变化;溶解氧从1.2mg/L降低至0.87mg/L。
对比例3
参照实施例1的配比,本对比例制得的修复药剂与实施例3的修复药剂区别仅在于,本对比例的药剂不含有碱剂,用普通硅酸盐水泥(所述普通硅酸盐水泥由硅酸三钙:硅酸二钙:铝酸三钙:铁铝酸四钙组成,其质量比为10:5:3:2)代替碱剂,其余组分以及制备过程不变。
将本对比例制得的富营养化水体修复药剂应用于实际污染富营养化水体和底泥的修复,包括如下的具体步骤:通过对白洋淀水体进行勘察,明确主要富营养化的污染因子为氮和磷,COD指标并不超标。选取1L富营养化水体置于1L烧杯中进行烧杯实验,富营养化水体药剂投量为20g/L。投药7天后再次检测,通过实施例1和对比例3比较可以得出,总氮浓度从4.52mg/L下降至2.95mg/L,去除率比实施例1降低了30%以上;总磷从0.830g/L下降至0.576mg/L,去除率比实施例1降低了20%以上;氧化还原电位从-67.70mv升高至12.78mv,基本没有变化;溶解氧从1.2mg/L升高至4.4mg/L,也基本没有变化。
通过实施例及对比例可以看出,本发明的富营养化水体修复药剂的效果明显更好,并且所用原料易得且对环境友好、使用方便、成本低。
由上述结果可知,本发明的富营养化水体修复药剂对氧气和碳源有缓慢释放的作用,且缓释效果好,投加进入水体的量可控,释放出来的氧气可以提高富营养化的氧化还原电位,改善水环境的溶解氧含量,缓释出来的碳源可以刺激微生物按照C:N:P=100:5:1的比例吸收利用水体中的氮和磷;复合菌剂中的好氧反硝化细菌通过呼吸和合成代谢的作用,也降低了水体中氮磷的浓度。利用本发明的富营养化水体修复药剂,可以高效、持续地对富营养化水体进行修复,避免富营养化现象出现反弹。
以上所述仅为本发明的较佳实施例,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。