CN112159062A - 一种河湖水环境多界面治理与修复的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水环境治理技术，具体公开了一种城市河湖水环境多界面治理与修复的方法。所述方法为一种“下控‑中调‑上治”的多界面协同治理与修复方法，包括：“下控”——控制底泥营养盐释放及藻类休眠和复苏；“中调”——调控水体中的初级生产力，抑制藻类复苏；“上治”——削减气‑水界面的氮磷营养物，控制藻类繁殖生长。本发明基于界面统筹的水体治理与修复技术，可有效抑制蓝藻的暴发，并避免生态系统出现极端情况，为北方大型缺水城市水生态环境质量的持续改善提供了技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及水环境治理技术，尤其涉及一种城市河湖水环境多界面治理与修复的方法。
背景技术
随着经济发展和城市化进程的加快，城市缺水问题尤为突出。当前相当部分城市水资源短缺，城市供水范围不断扩大，缺水程度日趋严重。据预测，世纪水资源危机将位居世界各类资源危机之首。因此，实现污水资源化，缓解水资源供需矛盾，促进国民经济的可持续发展显得十分得要。
再生水是指废水或雨水经适当处理后，达到一定的水质指标，满足某种使用要求，可以进行有益使用的水。和海水淡化、跨流域调水相比，再生水具有明显的优势。从经济的角度看，再生水的成本最低，从环保的角度看，污水再生利用有助于改善生态环境，实现水生态的良性循环。
河道和湖泊是城市景观和生态环境的重要组成部分，北京市河湖补水主要依靠再生水。然而，由于城市河湖生态系统退化、自我调控能力弱，再生水高氮负荷输入易引起蓝藻水华等环境风险。气-水界面与泥-水界面是水体污染物输入、物质循环与转化的关键区域，且界面理化环境易受外界扰动，特别是在雨污溢流等突发性环境条件下，界面会发生紊乱，生态系统易出现极端情况、甚至崩溃的问题，严重影响城市形象、城市生态环境，还直接危及城市饮用水源的水质安全和居民身体健康。因此，需要一种基于界面统筹的水体治理与修复技术，为北方大型缺水城市水生态环境质量的持续改善提供技术支撑。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种河湖水环境多界面治理与修复的方法，利用本发明提供的方法可以有效消除大中小型城市再生水源补型水体富营养化问题，生态修复污染严重的水体，减轻下游河道污染负荷，健全河道生态系统功能，美化周边景观环境。
本发明所述方法实为一种“下控-中调-上治”的多界面协同治理与修复方法，包括：“下控”——控制底泥营养盐释放及藻类休眠和复苏；“中调”——调控水体中的初级生产力，抑制藻类复苏；“上治”——削减气-水界面的氮磷营养物，控制藻类繁殖生长。
具体如下：
(1)“下控”：采用泥水界面污染物精准定位并原位处理技术，解决城市河湖的底泥疏挖量大，后续处理过程中堆放难、处理成本高等问题，从而有效控制底泥营养盐释放；通过从泥-水界面移除了部分藻类的休眠体，破坏了藻类冬季休眠的微环境，显著减少了休眠藻类的数量，并降低了冬季其在泥-水界面的成活率，从而有效控制了藻类在泥-水界面的休眠和复苏。
(2)“中调”：通过制备改性粘土分子筛生态基为沉水植物草种建立良好的生长环境，生态基中的改性粘土分子筛是硅酸盐化合物，其多孔的结构，有利于聚磷菌的生长，同时改善了水-沉积物微环境，提高微环境溶解氧浓度，将沉积物中的铁离子氧化为三价铁，进一步抑制沉积物中磷的释放，同时，改性粘土分子筛多孔结构与沉水植物生长结合，明显降低了水-沉积物交界面的扰动，抑制了沉积物蓝藻对水体的释放。
沉水植被系统建立后，沉水植物的旺盛生长能对底泥起到固定作用，减缓底泥-水界面的营养盐循环，同时，沉水植物分泌的的N-苯基 -2-萘胺、脱氢枞酸甲酯和脱氢枞酸乙酯等酚酸和脂肪酸类化感物质协同作用，使蓝藻细胞受到氧化胁迫反应而被氧化，破坏蓝藻细胞的脂质蛋白质和核酸，影响蓝藻的新陈代谢，与改性粘土分子筛生态基改善水-沉积物交界面有氧微环境共同作用，达到抑制蓝藻的复苏与生长繁殖的目的。
(3)“上治”：通过微动力生物生态耦合净化系统，改善气-水界面和水体的水动力学条件，提高氮、磷的去除能力，解决小型河湖气-水交界面水动力不足、微生物难富集、净化效率低的问题。
所述微动力生物生态耦合净化系统包括太阳能微曝气循环装置、复合高效微生物菌剂、载体填料和种植在其上的水生植物。
更为具体地，所述“下控”方法为：先利用高通量测序技术与污染物的源解析技术，对待治理底泥进行精准定位，再利用电渗析-真空负压脱水技术，对待治理底泥进行原位脱水处理。
进一步地，所述“下控”方法利用分子生物学中的高通量测序手段对底泥中的碱性磷酸酶phoD功能菌群的丰度进行分析，根据分析结果确定待治理底泥的位置。
更进一步地，所述“下控”方法利用污染物的源解析技术，在确定出的待治理底泥位置，测定该位置不同深度底泥的生物有效磷释放通量，根据测定结果确定待治理底泥的深度。
进一步地，所述“下控”方法中对底泥进行原位脱水处理的方法具体包括：利用硝酸盐调节待治理区域的水体pH至7.5～8.3，改变底泥中的优势菌群；将待治理底泥置于低压大电流电场中，并在真空负压条件下，对底泥进行脱水处理。
作为优选，投加硝酸盐后，对水体进行低氧曝气处理。
其中，所述低氧曝气的曝氧量为30-60mg/L，优选50mg/L。
作为优选，所述低压大电流电场为电压10-12V电流8-10A的电场。
更为具体地，所述“下控”方法包括如下步骤：
(1)在待治理河湖水域的泥水界面的不同位置取样底泥样品，提取样品中的微生物DNA，进行16sRNA高通量测序分析，得到不同位置底泥样品中碱性磷酸酶phoD功能菌群的丰度，将碱性磷酸酶phoD功能菌群丰度大于25％的底泥样品的取样位置确定为待治理底泥的位置；
(2)在步骤(1)确定出的待治理底泥位置，测定不同深度底泥生物有效磷的释放通量，将释放通量大于0.6mg/L的深度范围确定为待治理底泥的深度；
(3)在步骤(1)和步骤(2)确定的待治理底泥位置和深度的基础上，对待治理底泥进行脱水处理：
先利用硝酸盐调节待治理区域的水体pH至7.5～8.3，并配合低氧曝气，改变底泥中的优势菌群；之后将待治理底泥置于低压大电流电场中，并在真空负压条件下，对底泥进行脱水处理。
向底泥中投加硝酸盐并采取低氧曝气的方式，可使水体呈现兼性好氧状态，在反硝化细菌的参与下，可在短期内迅速消耗水体的有机物，同时由于反硝化细菌的繁殖，能够与硫化菌形成竞争机制，抑制硫化菌的生长，进而抑制硫化氢的产生。
其中，所述硝酸盐为硝酸钠和/或硝酸钾。
所述反硝化细菌包括反硝化假单胞菌、脱氮硫杆菌、脱氮小球菌等。
更进一步地，所述低压大电流电场由以下方法形成：将正负电极相对置于待治理底泥的边缘，并插入底泥中，通电压12V电流10A，形成低压大电流电场。
所述电极以碳纤维束作为导电集流体，以导电炭黑和石墨粉作为导电物质，与塑料共混热塑成型，得到电极材料。
作为优选，所述正负电极插入底泥的深度为电极长度的2/3。
更进一步地，所述底泥与其周围部分水体(泥水混合物)通过导水管由真空负压装置吸入并脱水。由于投加硝酸盐和低氧曝气处理，待治理底泥已由硫化自养反硝化过程向自养与异养反硝化耦合过程转变。同时，在低压大电流电场的作用下，重金属与带正电的水分子在电场的作用下向阴极移动，实现了污泥脱水与重金属的协同去除。步骤(3)的底泥处理方法可加快待治理底泥的脱水速度，将渗透性差的粘性底泥的含水率降至50％左右，底泥体积缩减20-30％。
本发明中，所述术语“碱性磷酸酶phoD功能菌群”是指具有水解有机磷作用的功能菌群，主要包括Limnohabitans、Pirellula、Plesiocystis 等属的细菌；其可在核苷酸、蛋白质、生物碱等分子上去除磷酸基，进行去磷酸化作用，在碱性环境下最为有效。
本发明所采用的高通量测序技术与污染物的源解析技术为本领域常规的技术手段，在本发明的具体实施方式中仅作示例性说明，不另做限定。
更为具体地，所述“中调”方法包括：
(1)在待治理水域栽种挺水植物，提高待治理水域的抗风浪和抗水流能力，建立相对稳定的微环境；
(2)利用改性粘土分子筛、聚磷菌、沉水植物草种和粉质粘土制备改性粘土分子筛生态基，均匀投加到待治理区域的水体中。
进一步地，所述沉水植物草种为菹草和苦草的草种，综合考虑光照和水体浊度影响，草种混合比例定为2:1。
进一步地，所述改性粘土分子筛生态基的制备方法为：将改性粘土分子筛与粉质黏土，按照1:1的比例称取，并向其中加入草种和聚磷菌，混匀；
其中，草种的添加量为40-60粒/m2，即以所述改性粘土分子筛生态基投入水中所覆盖的单位面积计，覆盖1平方米水域面积对应的所述改性粘土分子筛生态基中添加有40-60粒草种；聚磷菌的添加量相对于改性粘土分子筛与粉质黏土的总体积为50％(v/v)。
其中，所述改性粘土分子筛的制备方法为：选用包括水体底泥和岸边的粘土，经烘干、研磨、过筛后使用，或者选购专业的粘土污水处理剂；将处理后的粘土加入壳聚糖溶液中形成淤浆，或将壳聚糖溶液喷洒在不断翻动的粘土上(参照CN 102502969A)，壳聚糖的用量为粘土的1％-1.5％(w/w)。
所述聚磷菌为市售可得商品，例如可购自扬州市海诚生物技术有限公司厌氧聚磷菌，商品为菌粉形态，其中聚磷菌的含量达95％以上。
进一步地，所述改性粘土分子筛生态基的首次投加量不小于 500g/m2。
所述改性粘土分子筛生态基在首次投加后，每5-7天补加一次，补加量为首次投加量的50％。
更进一步地，所述挺水植物的栽种密度为5-6株/m2。
所述挺水植物分别选自梭鱼草、香蒲、美人蕉中的一种或多种以及本土生物中的一种或多种。
所述挺水植物的栽种时间需在蓝藻复苏前。
作为优选，所述方法适用于水深小于3米，风速小于8m/s的水域。
本发明所述的聚磷菌，也叫做摄磷菌、除磷菌，是传统活性污泥工艺中一类特殊的细菌，在好氧状态下能超量地将污水中的磷吸入体内，使体内的含磷量超过一般细菌体内的含磷量的数倍，这类细菌被广泛地用于生物除磷。
更为具体地，所述“上治”方法为：
(1)以聚酯纤维基质材料作为载体填料，在其上种植挺水植物和沉水植物，并利用太阳能微曝气循环装置对水体进行曝气，控制水体溶解氧浓度不低于3.0mg/L；
(2)在水生植物的植物根系发达后，在填料和植物根系部位投加复合高效微生物菌剂。
进一步地，所述太阳能微曝气循环装置包括太阳能面板和动力复氧装置。其中，太阳能面板位于装置上部，吸收太阳能并将其转化为电能，为与其下部连通的动水复氧装置功能，输出功率100w-20kw；动水复氧装置位于装置下部，安装有叶轮，在太阳能面板电能驱动下促进水体循环，推动微动力生物生态耦合净化系统移动；其循环通量为 100-50000m3/h，动水距离或作用范围为100-3500m；
进一步地，所述复合高效微生物菌剂主要是从自然界提取并驯化，具有高效分解有机物、氨氮、总氮等污染物的特征。
进一步地，本发明以聚酯纤维基质材料为载体填料，其比表面积为1:1000，孔隙率97％，为微生物附着、挺水植物、沉水植物种植提供载体。此外，载体填料能够促进水生植物分根生长与野生植物落子生长，增强了植物生存能力，扩大了植物根系的范围。
进一步地，种植在载体填料上的水生植物包括挺水植物和沉水植物。所述挺水植物以梭鱼草、香蒲、菖蒲等根系发达密集的植物为主，并优选项目所在地品种。所述沉水植物，优选冷季种伊乐藻和暖季种苦草搭配种植，种植密度40-60株/m2。
本发明所述方法“下控”，利用高通量测序技术与污染物的源解析技术，对待治理底泥进行精准定位，再利用电渗析-真空负压脱水技术，对待治理底泥进行原位脱水处理，实现对河湖水环境采用最小清淤量进行的精准治理。进一步配合应用微生物试剂，调节泥水界面的微生物群落环境，实现底泥由硫化自养反硝化过程向自养与异养反硝化耦合过程转变，加快底泥的脱水速度。结合电渗析-真空负压脱水技术，可将底泥含水率降至50％左右，底泥体积缩减20-30％，降低电动力学污泥脱水的脱水成本30％以上及后续处理成本约40％。在提高脱水率的同时，缩减了运行成本和后续处理成本。
本发明所述方法“中调”，通过在待治理水域栽种挺水植物，提高待治理水域的抗风浪和抗水流能力，建立相对稳定的微环境；并利用改性粘土分子筛、聚磷菌、沉水植物草种和粉质粘土制备改性粘土分子筛生态基，均匀投加到待治理区域的水体中，抑制沉积物中磷的释放，减少扰动，将沉积物中蓝藻固定，改善泥-水交界面缺氧微环境，达到抑制蓝藻生长目的。沉水植物的草种萌发率可提升至80％以上，水生植物定植成活率相比传统方法提高了40％，有效控制了底泥污染的释放，沉水植物生态改善并调节了水体初级生产力，同时植物的化感作用进一步限制了蓝藻的复苏与生长繁殖。不仅如此，沉水植被系统的建立还为水生动物提供了栖息地，形成一个结构完整的健康水生态系统。
本发明所述方法“上治”，利用了集成高分子复合纤维基质材料(载体填料)、高效根际微生物与太阳能微曝气循环装置的微动力生物生态耦合净化系统，提升各界面溶解氧水平，强化激活气-水交界面与水体中的生物反应。气-水界面与水体中的高效微生物在填料空隙和植物根系上附着生长，形成高效生物膜，根际效应显著，提高水体与微生物膜的接触效率。在填料孔隙和植物根系间形成特殊结构、根系生物膜在溶解氧梯度下，形成微观的连续交替好氧与厌氧环境，为硝化反应和反硝化反应提供良好的条件；同时氮磷及重金属被微生物膜吸附，并被植物同化吸收。梭鱼草、香蒲、菖蒲等水生植物的生物量逐年增加，增强水生植物的化感作用，水下微生物系统逐渐强化，形成水上与水下的立体生境平台。
本发明涉及到的原料或试剂均为普通市售产品，涉及到的操作如无特殊说明均为本领域常规操作。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可以相互组合，得到具体实施方式。
本发明的有益效果在于：
本发明所述方法针对再生水气-水-泥“三相二界面”的生源要素的地球与化学循环过程及蓝藻生消机制，形成了气-水-泥多界面协同修复理论。
在高氮负荷条件下，气-水界面蓝藻的光合系统II的活性显著提高、泥-水界面生物有效磷持续释放是导致蓝藻水华暴发的主要原因，通过蓝藻在气-水-泥界面的生消机制，形成的水环境界面修复理论包括：
①在泥-水界面，高氮负荷条件沉积物中生物有效磷的释放是蓝藻生长的主要驱动力。通过生物学中的酶学标记法，发现藻类具有各自的用磷策略，分泌胞外磷酸酶水解有机磷是某些藻类补充磷营养的重要机制。由于富营养河湖沉积物中Fe-P含量丰富，沉积物中内源释磷与再生水补给的氮发生耦合作用，加速了蓝藻水华形成，而泥-水界面的物理扰动和沉积物颗粒重悬浮是沉积物磷界面迁移转化最主要的驱动力。②沉水植物对磷的吸收和转化，是沉积物中的磷循环的主要途径。沉水植物根系具有固定沉积物的功能，避免了泥-水界面物理扰动和沉积物颗粒重新悬浮，有效控制了沉积物中的磷在泥-水界面向水体中的迁移，底泥中的磷在草藻竞争中，沉水植物具有明显的竞争优势。③气-水界面氮磷的协同效应，加速了蓝藻的指数增长。适宜的温度、利于接受光照的环境以及大气和水体中CO2频繁交换，显著促进了蓝藻光合作用中的碳同化速率，提高了光合系统II的活性，从而加快了蓝藻的光合作用速率和效率，利于蓝藻生物量的快速增长；水体中溶解的 CO2浓度与光合作用速率有显著的正相关关系，气-水界面风流扰动和偏碱性水体有利于空气中二氧化碳向水相迁移；偏碱性水体中碳元素的主要赋存形式是[HCO3-]，其可被蓝藻特有的二氧化碳浓缩机制 (CCM)吸收利用，从而更进一步促进了蓝藻生物量的增长。
总氮对蓝藻水华形成的“休眠、复苏、指数增长与聚集”三阶段过程驱动机制：再生水补水型河湖水体中，蓝藻生长与水华形成可分为泥-水界面的休眠、水体中复苏、气-水界面指数增长与聚集等三个阶段。①休眠阶段(12月-次年3月)，高氮负荷增强了蓝藻在沉积物中越冬存活力。高氮条件下，泥-水界面充足的营养为沉积在底部的蓝藻休眠提供了良好生境，增强了其在沉积物相越冬存活力；②复苏阶段(3月-4 月份)，高氮浓度促进了藻细胞复苏，复苏期较低氮条件显著提前。复苏发生在泥-水界面，与有效积温呈正相关。高营养负荷条件下，河湖水华蓝藻复苏的温度阈值远低于其他河湖，沉积物中丰富的生物可利用磷(BAP)在缺少沉水植物竞争的环境中更容易诱导Na+K+-ATPase 和Ca2+Mg2+-ATPase的合成，进而促进蓝藻恢复光合活性，激发藻细胞的复苏和快速增长，复苏期较低氮条件显著提前；③指数增长与聚集阶段，气-水界面蓝藻的光合系统II的活性在高氮负荷条件下显著提高，促进蓝藻快速指数增长。高氮负荷可提高蓝藻细胞内各种生理活性酶基因的转录水平和表达量，加速光合作用相关蛋白合成，显著提升色素空间结构的稳定性、光合作用电子传递的速率及光合作用碳同化效率，从而使蓝藻细胞对光能的吸收利用率大幅增长并使其抵御光抑制能力增强。此外，气-水界面由于缺少光合细菌、大型水生植物的抑制作用，更有利的光合作用条件驱动下，有利于K对策的水华优势种微囊藻(蓝藻)种属呈指数增长繁殖并快速聚集，形成蓝藻水华。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面将对本发明的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
下面将结合实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的，并不是用于对本发明的范围进行限制。本领域的技术人员在不背离本发明的宗旨和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和替换。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
本实施例以长约20m、宽约2m、总面积40m2的水面，且岸边具备投放设备的河道段，水深1-2m，水质低于地表水环境质量标准V类水质标准，溶解氧小于2.0mg/L和重污染河道为治理和修复对象。
治理和修复方法具体包括如下步骤：
S1、对泥水界面污染物精准定位并原位处理，控制底泥营养盐的释放及藻类休眠和复苏：
(1)在待治理河湖水域的泥水界面的不同位置取样底泥样品，提取样品中的微生物DNA，进行16sRNA高通量测序分析，得到不同位置底泥样品中碱性磷酸酶phoD功能菌群的丰度，将碱性磷酸酶phoD功能菌群丰度大于25％的底泥样品的取样位置确定为待治理底泥的位置；
(2)在步骤(1)确定出的待治理底泥位置，测定不同深度底泥生物有效磷的释放通量，将释放通量大于0.6mg/L的深度范围确定为待治理底泥的深度；
生物有效磷的释放通量采用孔隙水扩散模型法计算，根据沉积物间隙水和上覆水浓度梯度，按照Fick第一定律计算底泥生物有效磷释放通量；
计算公式：
其中：F为分子在沉积物-水界面扩散通量，mg·(m2·d)-1；
DS为分子实际扩散系数，cm2·s-1；
DS与
间经验关系
(3)在步骤(1)和步骤(2)确定的待治理底泥位置和深度的基础上，对待治理底泥进行脱水处理：
先利用硝酸盐调节待治理区域的水体pH至7.5～8.3，并配合 50mg/L的低氧曝气，改变底泥中的优势菌群；之后将待治理底泥置于电压12V电流10A的低压大电流电场中，并在真空负压条件下，对底泥进行脱水处理。
投加硝酸盐后，底泥优势菌群在纲水平上由Clostridia(梭菌纲) 转变为Gamma-proteobacteria(变形菌纲)，其相对丰度可达到60.0％，且硫化细菌等厌氧菌群被有效抑制；在属水平上出现Rhodanobacter(产黄杆菌属)、Thiobacillus(硫杆菌属)和Thermomonas(热单胞菌属) 等脱氮菌群，为水体底部生态系统营造了良好稳定的生境，实现调节底泥中的胞间水目的。
将导电性优良的碳纤维束作为导电集流体，导电炭黑和石墨粉作为关键导电物质，与塑料共混热塑成型，制备了导电性能和机械性能均满足电动力学脱水的新型电极材料，解决了传统电极材料(如贵金属涂层电极、石墨等)价格昂贵和机械性能不佳的问题。
处理后，底泥含水率降至50％左右，底泥体积缩减20-30％。之后，无需再对脱水后的污泥进行离子交换膜处理。相对传统底泥脱水技术，降低了电动力学污泥脱水的脱水成本30％以上及后续处理成本约40％。经过治理的水质得到明显改善，水质可达到地表水III类标准。
S2、在富营养化水体中建立沉水植被系统，调控水体中的初级生产力，抑制藻类复苏：
(1)在待治理水域栽种挺水植物，提高待治理水域的抗风浪和抗水流能力；所述挺水植物的栽种密度为5-6株/m2，所述挺水植物分别选自梭鱼草、香蒲、美人蕉中的一种或多种以及本土生物中的一种或多种；
(2)利用改性粘土分子筛、聚磷菌、沉水植物草种和粉质粘土制备改性粘土分子筛生态基，均匀投加到待治理区域的水体中。
所述改性粘土分子筛生态基的制备方法为：将改性粘土分子筛与粉质黏土，按照1:1的比例称取，并向其中加入草种和聚磷菌，混匀；
其中，草种的添加量为40-60粒/m2，草种为数量比为2:1的菹草种子和苦草种子；聚磷菌的添加量相对于改性粘土分子筛与粉质黏土的总体积为50％(v/v)；
其中，所述改性粘土分子筛的制备方法为：选用包括水体底泥和岸边的粘土，经烘干、研磨、过筛后使用，或者选购专业的粘土污水处理剂；将处理后的粘土加入壳聚糖溶液中形成淤浆，或将壳聚糖溶液喷洒在不断翻动的粘土上(参照CN 102502969A)，壳聚糖的用量为粘土的1％-1.5％(w/w)。
所述聚磷菌为市售可得商品，例如可购自扬州市海诚生物技术有限公司厌氧聚磷菌，商品为菌粉形态，其中聚磷菌的含量达95％以上。
改性粘土分子筛生态基的首次投加量不小于500g/m2。在首次投加后，每5-7天补加一次，补加量为首次投加量的50％。
S3、利用微动力生物生态耦合净化系统，提升各气-水界面和水体中的溶解氧水平，强化激活气-水交界面与水体中的生物反应，削减气- 水界面和水体中的氮磷营养物，控制藻类繁殖生长：
(1)采用聚酯纤维基质材料作为载体填料，其比表面积为1:1000，孔隙率97％，为微生物附着、挺水植物、沉水植物种植提供载体。此外，载体填料还能够促进水生植物分根生长与野生植物落子生长，增强了植物生存能力，扩大了植物根系的范围。
(2)在载体中部位置安装太阳能微曝气循环装置，然后在载体的其他部位种植挺水植物和沉水植物，挺水植物的栽种密度为5-6株/m2，可分别选自梭鱼草、香蒲、美人蕉中的一种或多种以及本土生物中的一种或多种；沉水植物的种植密度为40-60株/m2，可选自伊乐藻(冷季优选)和苦草(暖季优选)。将组成的微动力生物生态耦合净化系统放置与0.5m以上的水体中。
(3)太阳能微曝气循环装置中的太阳能面板将太阳能转化为电能，通过电路连接将太阳能产生的电能传递到动力复氧装置上，动力复氧装置在电能驱动下带动叶轮运转，带动周边的水体循环流动，从而为周边制造出适宜的好氧环境，提高水体的溶解氧水平不小于 3.0mg/L；所述的电能输出功率100w-20kw，所述的带动水体循环流动的循环通量为100-50000m3/h，动水距离或作用范围为100-3500m。
(4)微动力生物生态耦合净化系统中的植物根系发达后，在填料和植物根系部位投加复合高效微生物菌剂，所述的微生物菌剂主要从自然界提取并驯化，具有高效分解有机物、氨氮和总氮等污染物的特征。
运行2个月后，对水中的蓝藻密度和沉水植物萌发率进行检测。
用浮游植物网取浮游植物样品，用显微镜对蓝藻密度进行计数，同时对沉水植物苗株进行统计计算种子萌发率。
结果显示，蓝藻数量相对不进行任何处理时减少了约60％，沉水植物种子萌发率达到82.5％。
以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种河湖水环境多界面治理与修复的方法，其特征在于，包括如下不分先后的步骤：
S1、下控：对泥水界面污染物精准定位并原位处理，控制底泥营养盐的释放及藻类休眠和复苏；
S2、中调：在富营养化水体中建立沉水植被系统，调控水体中的初级生产力，抑制藻类复苏；
S3、上治：利用微动力生物生态耦合净化系统，提升气-水界面和水体中的溶解氧水平，强化激活气-水交界面与水体中的生物反应，削减气-水界面和水体的氮磷营养物，控制藻类繁殖生长。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1为：先利用高通量测序技术与污染物的源解析技术，对待治理底泥进行精准定位，再利用电渗析-真空负压脱水技术，对待治理底泥进行原位脱水处理。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述S1具体包括如下步骤：
(1)在待治理河湖水域的泥水界面的不同位置取样底泥样品，提取样品中的微生物DNA，进行16sRNA高通量测序分析，得到不同位置底泥样品中碱性磷酸酶phoD功能菌群的丰度，将碱性磷酸酶phoD功能菌群丰度大于25％的底泥样品的取样位置确定为待治理底泥的位置；
(2)在步骤(1)确定出的待治理底泥位置，测定不同深度底泥生物有效磷的释放通量，将释放通量大于0.6mg/L的深度范围确定为待治理底泥的深度；
(3)在步骤(1)和步骤(2)确定的待治理底泥位置和深度的基础上，对待治理底泥进行脱水处理：
先利用硝酸盐调节待治理区域的水体pH至7.5～8.3，再配合低氧曝气，改变底泥中的优势菌群；之后将待治理底泥置于低压大电流电场中，并在真空负压条件下，对底泥进行脱水处理。
4.根据权利要求1～3任一项所述的方法，其特征在于，所述S2具体包括如下步骤：
(1)在待治理水域栽种挺水植物，提高待治理水域的抗风浪和抗水流能力；
(2)利用改性粘土分子筛、聚磷菌、沉水植物草种和粉质粘土制备改性粘土分子筛生态基，均匀投加到待治理区域的水体中。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述沉水植物草种为菹草和苦草的草种。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述改性粘土分子筛生态基的制备方法为：将改性粘土分子筛与粉质黏土，按照1:1的比例称取，并向其中加入草种和聚磷菌，混匀。
7.根据权利要求1～6任一项所述的方法，其特征在于，所述微动力生物生态耦合净化系统包括太阳能微曝气循环装置、复合高效微生物菌剂、载体填料和种植在其上的水生植物。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述S3具体包括如下步骤：
(1)以聚酯纤维基质材料作为载体填料，在其上种植挺水植物和沉水植物，并利用太阳能微曝气循环装置对水体进行曝气，控制水体溶解氧浓度不低于3.0mg/L；
(2)在水生植物的植物根系发达后，在填料和植物根系部位投加复合高效微生物菌剂。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述聚酯纤维基质材料的比表面积为1:1000，孔隙率为96-98％。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述太阳能微曝气循环装置包括太阳能面板和动水复氧装置；其中，所述太阳能面板位于装置上部，为下部的动水复氧装置供能，输出功率为100w-20kw，所述动水复氧装置位于装置下部，安装有叶轮，在太阳能面板的电能驱动下促进水体循环，推动微动力生物生态耦合净化系统移动。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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