CN110981080A - 一种冶钢港渠排污口底泥原位修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于环境保护技术领域，具体涉及一种冶钢港渠排污口底泥原位修复方法，包括以下步骤：S1、固体菌剂的制备：将改性钢渣浸入复合微生物发酵液中，室温100～150rpm振荡培养6～8h，冷冻干燥至含水量低于6％，然后与生物降解基质混合均匀，机械造粒压制成2～3cm的小球，得到固体菌剂；S2、投放固体菌剂：按300～500g/m2底泥的剂量投加到底泥‑水界面的上方；S3、间歇曝气：对底泥进行间歇微孔曝气，每隔8～12h微孔曝气4～6h，持续修复45～90d。本发明通过间歇曝气增加水体的溶解氧，提高有机物的代谢速率，减少硫化氢、胺、氨等有异味、易挥发物质，减少臭味的产生。合适的曝气周期也维持了有氧代谢和厌氧代谢的平衡，保证有机物的降解和脱氮过程的高效进行。

Description

一种冶钢港渠排污口底泥原位修复方法
技术领域
本发明涉及环境保护技术领域，具体涉及一种冶钢港渠排污口底泥原位修复方法。
背景技术
随着冶钢等工业废水不断排放到周围环境中，导致冶钢港渠下游河道水体污染物严重积累且恶性循环，水质恶化并产生黑臭现象，污染严重。其污染来源主要分为内源和外源两种，在外源得到初步控制的情况下，内源污染是下游保持富营养或水质恶化的主要原因。底泥是污染物质汇集的主要蓄积场所，会不断向水体中释放污染物，因此河道治理，治理底泥才是根本。控制底泥内源污染的技术众多，主要分为物理、化学和生物修复法。物理修复法主要包括疏浚和覆盖法，见效快，但工程量大，作业成本高，对底栖生态系统具有破坏性，而且应用易受水力条件限制。化学修复法是利用化学制剂与污染物发生氧化、还原、沉淀、聚合等反应，使污染物从底泥中分离、降解转化成低毒或无毒的化学形态的治理措施，这种修复方法极易造成二次污染，且成本较高。生物修复法是利用生物的生命代谢活动减少存在于环境中有毒有害物质的浓度或使其完全无害化，从而使污染环境能够部分或者完全恢复到原始状态的过程。与物理和化学修复法相比，具有节省费用、不破坏原有生态和去污效率高等优点，因此得到快速发展。
中国专利号CN201710365241.X公开了一种长效综合底泥修复剂及其制备方法，所述长效综合底泥修复剂按质量份数包括以下组分：80～100份改性矿物载体吸附材料，8～10份复合微生物菌群、16～18份底泥修复剂缓释剂、6～8份微生物促生素。该底泥修复剂通过改性矿物载体吸附材料负载微生物，虽然改性矿物载体加入初期效果较明显，但是随着污染物、微生物等的负载沉积，改性矿物载体的孔隙被封堵，而改性矿物载体的紧密堆积容易导致水体底质状况的完全改变，破坏底栖生物的生存环境，使底泥的生态系统退化；其次，底泥生物中不仅含有厌氧生物，还含有大量的有氧生物，需氧量较高，仅通过厌氧发酵，修复速率慢，且易滋生腐败菌，造成氨气及臭味的产生；再者，仅针对单一的氮、磷释放进行修复，对石油烃等其他污染物的释放应用存在着很大的局限，不适用冶钢港渠底泥的原位修复。
发明内容
针对现有技术所存在的上述缺点，本发明目的在于提供一种冶钢港渠排污口底泥原位修复方法；通过间歇曝气增加水体的溶解氧，提高有机物的代谢速率，减少硫化氢、胺、氨等有异味、易挥发物质，减少臭味的产生。合适的曝气周期也维持了有氧代谢和厌氧代谢的平衡，保证有机物的降解和脱氮过程的高效进行。
一种冶钢港渠排污口底泥原位修复方法，包括以下步骤：
S1、固体菌剂的制备：将改性钢渣浸入复合微生物发酵液中，室温100～150rpm振荡培养6～8h，冷冻干燥至含水量低于6％，然后与生物降解基质混合均匀，机械造粒压制成2～3cm的小球，得到固体菌剂；
S2、投放固体菌剂：按300～500g/m2底泥的剂量投加到底泥-水界面的上方；
S3、间歇曝气：对底泥进行间歇微孔曝气，每隔8～12h微孔曝气4～6h，持续修复45～90d。
采用上述的技术方案：通过间歇曝气增加水体的溶解氧，冶钢港渠排污口底泥和黑臭水体的溶解氧低于0.5mg/L，通过曝气处理使其溶解氧浓度提高，保持微氧状态，有利于好氧微生物的繁殖，增加水体好氧微生物的量，促使有氧发酵的快速进行，提高有机物的代谢速率，减少硫化氢、胺、氨等有异味、易挥发物质，减少臭味的产生。停止曝气时，悬浮的底泥吸附水体中的污染物并慢慢沉降，其上附着的污染物经由底泥微生物厌氧发酵去除。
通过改性钢渣的胶凝特性，将改性钢渣、复合微生物和生物降解基质造粒，制成固体菌剂颗粒，有利于提高比重，防止上浮或随受水流冲击和稀释作用而丢失，提高微生物的稳定性；而粒径过大则易阻碍水流流动，因此优选为2～3cm。固体菌剂中的改性钢渣具有多孔、表面积大、吸附性能较好的特性，一方面为微生物提供最佳的生长场所；另一方面透气性强，能够透过微生物生长所需的氧气等，还能将微生物代谢产生的气体有效的排放出去，从而避免了这些代谢产物封闭在底泥-水的界面上对微生物生长带来的影响，同时曝气状态下，水体扰动也有利于将这些代谢产物带离。生物降解基质-丝瓜络、椰壳、莲蓬壳皆含有大量的碳水化合物等营养成分，可在初期为改性钢渣上附着的微生物提供营养物质，促进微生物定植，有效提高挂膜速度，缩短外加复合微生物的适应期；且生物降解基质逐渐降解过程中，固体菌剂的孔径逐渐增加，使得改性钢渣孔隙堵塞几率低，始终保持较好的透气性，传质效率高，有利于维护底栖生物的生存环境和生态系统。
进一步的，步骤S3中，每隔10h微孔曝气5h。合适的曝气周期有利于维持有氧代谢和厌氧代谢的平衡，保证有机物的降解和脱氮过程的高效进行。有氧状态下，微生物对有机物的氧化和氨化作用为厌氧氨氧化和反硝化反应提供碳源、电子供体和电子受体，促进厌氧氨氧化菌和反硝化微生物进行反硝化和厌氧氨氧化反应，保证厌氧/缺氧状态下高效脱氮。
进一步的，步骤S3中，所述微孔曝气的曝气量为5～15L/(m2·min)，气泡平均尺寸为0.2～4μm。微孔曝气的曝气量较小，对底泥扰动较小，不会破坏底泥的生态环境；其次，气泡较小，可延长在水体中的停留时间，不受空气在水中溶解度的影响。
进一步的，步骤S3中，所述气泡表面带负电荷，如通过微纳米气泡发生器使产生负离子电荷；一方面，可吸附水中带正电的悬浮物如氨氮等，使悬浮物快速凝聚成团而沉降，一定程度上提升水体的透明度；另一方面，气泡之间相互排斥，而不会快速融合增大破裂，加之气泡本身细小，可在水体中长时间停留，具有良好的气浮性、滞留性和扩散性，氧气利用率高。
进一步的，步骤S2中，所述固体菌剂按300g/m2底泥的剂量投加到底泥-水界面的上方。
进一步的，步骤S1中，所述改性钢渣的孔隙率为53～76％，所述改性钢渣按重量份计为135份。
进一步的，步骤S1中，所述改性钢渣的制备方法为：将钢渣与2mol/L盐酸溶液按质量体积比1:1～2进行混合，常温搅拌4～6h，得到多孔钢渣，然后将多孔钢渣沥干，用去离子水洗涤至中性，进行粉磨并磁选，得到去除磁性金属的改性钢渣。
进一步的，步骤S1中，所述生物降解基质的粒径为130-150目，所述生物降解基质按重量份计为20份。
进一步的，步骤S1中，所述生物降解基质为莲蓬壳。
进一步的，步骤S1中，所述复合微生物按重量份计包括：20份黑曲霉、15份红曲霉、40份维氏硝化杆菌、12份脱氮硫杆菌、10份厌氧氨氧化菌、15份施氏假单胞菌、15份威尼斯不动杆菌、28份地衣芽孢杆菌。
采用上述的方案：维氏硝化杆菌、脱氮硫杆菌在厌氧/兼性厌氧条件下以亚硝酸盐/硝酸盐作为电子受体还原为N2；厌氧氨氧化菌在厌氧条件下以以铵盐作为电子供体，以亚硝酸盐/硝酸盐作为电子受体，将水中含有的氨氮转化为N2；因此，底泥中的氨或铵盐在上述细菌的共同作用下转变为N2去除，脱氮效果好。施氏假单胞菌、威尼斯不动杆菌具有石油烃降解能力，可去除冶钢港渠中的油性污染物。地衣芽孢杆菌高产生物表面活性剂分子-脂肽类物质，对油性物质有增溶的作用，加强了从底泥脱附的油性物质被动扩散进入菌体细胞内的传质过程，增强油性物质的降解效率。发酵性真菌黑曲霉和红曲霉高产淀粉酶、糖化酶、蛋白酶等，有氧条件下快速降解水体中的有机物，产生小分子的有机物—单糖、铵盐、有机酸和CO2，为维氏硝化杆菌、脱氮硫杆菌、厌氧氨氧化菌等化能自养菌提供了能源和电子供体以及为非发酵性细菌施氏假单胞菌、威尼斯不动杆菌、地衣芽孢杆菌等提供营养成分和细胞因子，促进上述微生物的繁殖，进而加速脱氮和有机物降解过程的进行。
其次，黑曲霉、红曲霉、地衣芽孢杆菌、施氏假单胞菌、威尼斯不动杆菌等在生长繁殖过程中产生大量的胞外多糖和胞外蛋白，有利于菌胶团的形成，提升底泥的沉降性能。而且菌胶团由于带有强的负电性，对带正电的悬浮物有很强的吸附能力，可促进上述污染物的去除。
采用本发明提供的技术方案，具有如下有益效果：
1、通过间歇曝气增加水体的溶解氧，有利于增加水体好氧微生物的量，促使有氧发酵的快速进行，提高有机物的代谢速率，减少硫化氢、胺、氨等有异味、易挥发物质，减少臭味的产生。其次，合适的曝气周期维持了有氧代谢和厌氧代谢的平衡，保证有机物的降解和脱氮过程的高效进行。
2、气泡表面带负电荷，增强了带正电的悬浮物的凝聚沉降，提升了水体的透明度；且气泡之间相互排斥，不会快速融合增大破裂，加之气泡本身细小，可在水体中长时间停留，具有良好的气浮性、滞留性和扩散性，氧气利用率高。
3、通过改性钢渣的胶凝特性，将改性钢渣、复合微生物和生物降解基质造粒，制成固体菌剂颗粒，有利于提高比重，防止上浮或随受水流冲击和稀释作用而丢失，提高微生物的稳定性。固体菌剂中的改性钢渣透气性强，传质效率高，在曝气状态下，有利于有害代谢产物的排出。生物降解基质的降解性为微生物提供初期营养物质，有效提高挂膜速度，且随着生物降解的降解，固体菌剂颗粒的孔径逐渐增加，堵塞几率低，始终保持较好的透气和传质效率，有利于维护底栖生物的生存环境和生态系统。
4、本发明的复合微生物由多种微生物构成，各菌株能良好生长，迅速占据冶钢港渠底泥中不同的生态位，协同作用降解各类物质如有机质、石油烃、硫化物等，针对性强，COD、氨氮、臭味去除效果显著。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所用菌株来源如下：黑曲霉(货号B80439)、红曲霉(货号B82098)、施氏假单胞菌(货号BMZ090566)、威尼斯不动杆菌(货号BMZ090478)地衣芽孢杆菌(货号B80437)均购自宁波明舟生物科技有限公司，维氏硝化杆菌、脱氮硫杆菌购自北京百欧博伟生物技术有限公司，厌氧氨氧化菌由本发明自行培养得到；
所述改性钢渣的制备方法为：将钢渣与2mol/L盐酸溶液按质量体积比1:1～2进行混合，常温搅拌4～6h，得到多孔钢渣，然后将多孔钢渣沥干，用去离子水洗涤至中性，进行粉磨并磁选，得到去除磁性金属的改性钢渣，所述改性钢渣的孔隙率为53～76％。
经过实验发现，固体菌剂制备和改性钢渣制备方法的参数在本申请的保护范围内进行合理调整时，对复合微生物制剂的性能影响不大，因此，本申请实施例对改性钢渣制备方法不做讨论。后续实施例中，未经特殊说明，下述步骤S1中室温150rpm振荡培养8h；钢渣与2mol/L盐酸溶液按质量体积比1:1进行混合，常温搅拌5h。
实施例1
一种冶钢港渠排污口底泥原位修复方法，包括以下步骤：
S1、固体菌剂的制备：将135份改性钢渣浸入复合微生物发酵液中，室温150rpm振荡培养8h，冷冻干燥至含水量低于6％，然后与20份莲蓬壳混合均匀，机械造粒压制成2～3cm的小球，得到固体菌剂；其中，所述复合微生物按重量份计包括：20份黑曲霉、15份红曲霉、40份维氏硝化杆菌、12份脱氮硫杆菌、10份厌氧氨氧化菌、15份施氏假单胞菌、15份威尼斯不动杆菌、28份地衣芽孢杆菌；
S2、投放固体菌剂：按300g/m2底泥的剂量投加到底泥-水界面的上方；
S3、间歇曝气：对底泥进行间歇微孔曝气，所述微孔曝气的曝气量为5L/(m2·min)，气泡平均尺寸为0.2μm，气泡表面带负电荷，每隔8h微孔曝气4h，持续修复60d。
实施例2
实施例2与实施例1基本相同，其区别在于，步骤S2固体菌剂的按剂量为400g/m2。
实施例3
实施例3与实施例1基本相同，其区别在于，步骤S2固体菌剂的按剂量为500g/m2。
实施例4
实施例4与实施例2基本相同，其区别在于，步骤S3微孔曝气的曝气量为10L/(m2·min)，气泡平均尺寸为2μm，气泡表面带负电荷，每隔10h微孔曝气5h，持续修复60d。
实施例5
实施例5与实施例2基本相同，其区别在于，步骤S3微孔曝气的曝气量为15L/(m2·min)，气泡平均尺寸为4μm，气泡表面带负电荷，每隔12h微孔曝气6h。
实施例6
实施例6与实施例2基本相同，其区别在于，所述微孔曝气的曝气量为10L/m2·min，气泡平均尺寸为2μm，气泡表面带负电荷，每隔8h微孔曝气5h。
对比例1
对比例1与实施例1基本相同，其区别在于，步骤S2固体菌剂的按剂量为100g/m2。
对比例2
对比例1与实施例1基本相同，其区别在于，步骤S2固体菌剂的按剂量为700g/m2。
对比例3
对比例3与实施例4基本相同，其区别在于，其区别在于，每隔12h微孔曝气10h。
对比例4
对比例4与实施例4基本相同，其区别在于，其区别在于，每隔12h微孔曝气2h。
应用例性能检测
将实施例1～6和对比你1～4的方法用于黄石市西塞山区的冶钢港渠的底泥的修复治理，处理60d后，用抓斗式采样器取样测定底泥和上覆水的水质指标，具体测定结果见表1～2。
底泥指标的监测方法按照土壤农化分析(第3版)，上覆水的指标采用PhotoLabS6多功能水质分析仪测定总氮、氨氮、COD等参数，采用行标HJ 637-2018《水质石油类和动植物油类的测定红外分光光度法》测定油性物质含量，臭味测定采用嗅阈值法，即用无臭水稀释水样，直至闻出最低可辨臭气的浓度，表示臭的阈限。菌体浓度采用可见光分光光度法测定，取水体和底泥样本按1％接种量接种至LB培养基中篇，培养48h，在600nm波长下测定菌浓度OD600nm值。
表1底泥样本水质指标测定结果
Figure BDA0002290722770000071
Figure BDA0002290722770000081
表2上覆水样本水质指标测定结果
Figure BDA0002290722770000082
采用实施例1～6的方法，修复后的水体由黑褐色变为黄褐色，无明显臭味；由表1～2可知，细菌丰度高、负载量大，对COD、氨氮、油性物质等的去除效率高。其中，实施例6相比于实施例4，曝气时间增加，虽然COD去除率有所增加，有机物降解率提高，但是氨氮的去除效率有所降低；因此，优选曝气时间为停止曝气时间的0.5倍。对比例1～2相比于实施例2～6，固体菌剂投加量过小，则固体菌剂覆盖面积小、功能性微生物量低，不能达到很好的修复效果；而固体菌剂投加量过大，一方面可能对流水造成阻碍的影响，同时过多微生物增值迅速，到后期由于营养不够，微生物进入内源代谢，中问产物累积而形成次生臭源，也会导致处理效果降低。对比例3～4相比于实施例2～6，曝气时间过长抑制了厌氧微生物如厌氧氨氧化菌的生长，曝气时间过短将抑制需氧微生物的生长，因此曝气时间过长或者过短都会破坏有氧代谢和厌氧代谢的平衡，使得COD和氨氮、总氮的去除率降低。只有合适的曝气周期和适当的微生物量，才能保证有机物的降解和脱氮过程的高效进行。

Claims (10)

1.一种冶钢港渠排污口底泥原位修复方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、固体菌剂的制备：将改性钢渣浸入复合微生物发酵液中，室温100～150rpm振荡培养6～8h，冷冻干燥至含水量低于6％，然后与生物降解基质混合均匀，机械造粒压制成2～3cm的小球，得到固体菌剂；
S2、投放固体菌剂：按300～500g/m2底泥的剂量投加到底泥-水界面的上方；
S3、间歇曝气：对底泥进行间歇微孔曝气，每隔8～12h微孔曝气4～6h，持续修复45～90d。
2.如权利要求1所述的冶钢港渠排污口底泥原位修复方法，其特征在于，步骤S3中，每隔10h微孔曝气5h。
3.如权利要求1所述的冶钢港渠排污口底泥原位修复方法，其特征在于，步骤S3中，所述微孔曝气的曝气量为5～15L/(m2·min)，气泡平均尺寸为0.2～4μm。
4.如权利要求1～3任一项所述的冶钢港渠排污口底泥原位修复方法，其特征在于，所述气泡表面带负电荷。
5.如权利要求1所述的冶钢港渠排污口底泥原位修复方法，其特征在于，步骤S2中，所述固体菌剂按300g/m2底泥的剂量投加到底泥-水界面的上方。
6.如权利要求1所述的冶钢港渠排污口底泥原位修复方法，其特征在于，步骤S1中，所述改性钢渣的孔隙率为53～76％，所述改性钢渣按重量份计为135份。
7.如权利要求1所述的冶钢港渠排污口底泥原位修复方法，其特征在于，步骤S1中，所述改性钢渣的制备方法为：将钢渣与2mol/L盐酸溶液按质量体积比1:1～2进行混合，常温搅拌4～6h，得到多孔钢渣，然后将多孔钢渣沥干，用去离子水洗涤至中性，进行粉磨并磁选，得到去除磁性金属的改性钢渣。
8.如权利要求1所述的冶钢港渠排污口底泥原位修复方法，其特征在于，步骤S1中，所述生物降解基质的粒径为130-150目，所述生物降解基质按重量份计为20份。
9.如权利要求1所述的冶钢港渠排污口底泥原位修复方法，其特征在于，步骤S1中，所述生物降解基质为莲蓬壳。
10.如权利要求1所述的冶钢港渠排污口底泥原位修复方法，其特征在于，步骤S1中，所述复合微生物按重量份计包括：20份黑曲霉、15份红曲霉、40份维氏硝化杆菌、12份脱氮硫杆菌、10份厌氧氨氧化菌、15份施氏假单胞菌、15份威尼斯不动杆菌、28份地衣芽孢杆菌。
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