CN113307465B - 一种河道底泥生境恢复材料及其制备方法 - Google Patents

一种河道底泥生境恢复材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种河道底泥生境恢复材料及其制备方法，包括如下重量比的成分：河道底泥20‑100份、改性钙镁矿物材料10‑50份、土著微生物菌剂1‑30份，改性钙镁矿物材料包括至少一种矿物原料，矿物原料中钙元素的质量分数大于等于25％或者镁元素的质量分数大于等于20％。本发明采用天然的矿物和原有的河床微生物群体帮助清淤后的河道快速修复底部微生态环境，提高河道水环境的自修复能力，同时可将底泥中含有的丰富的微量元素以及有机物重新回到自然环境循环中，帮助水环境快速搭建新的微生态，实现新的生态平衡。

Description

一种河道底泥生境恢复材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及一种河道底泥生境恢复材料及其制备方法。
背景技术
近年来，由于不合理的发展模式导致河道中各种垃圾、泥土经河水长时间的浸泡、发酵形成淤泥层，很多城市的河道污染比较严重，对市容市貌、城市居民的饮用水安全及居民的健康都产生了诸多不利影响。尽管河道清淤工程施工中会造成诸如水土流失、施工废水污染水质，空气污染，噪声污染、水生态环境破坏等对环境不利的问题，但从总体来看，实施河道清淤施工对城市长远发展的有利影响远远大于其施工期间带来的局部不利影响，因此实施河道清淤施工利大于弊，符合经济社会可持续发展要求，势在必行。
鱼类、底栖生物、浮游动物、土著微生物与水生植物等相互之间在物种与数量上都存在一个相对的良性平衡，生态系统的物质循环和能量流动也存在动态平衡，因此，为使得生态系统向自然状态的水生生态系统不断靠近，必须操控物种群落演替、保持系统的多样性复杂性，通过人为构建水层一底栖平衡、刮食功能群一沉水植物、鱼类一沉水植被、滤食功能群一浮游植物等良性的动态平衡，使得整体生态向自然状态的平衡态不断靠近，最终达到水体生态系统的良性循环，恢复水体自净能力，并实现对污染物的定向去除的生态修复。水体中的微生物是水生态平衡的关键环节。污染物通过微生物分解，转化成CO2、N2和自身生物量，进一步被下一级生物所利用。水体中微生物与区域环境有着密切的联系，还在能量流动方面起着非常重要的作用，强化微生态系统是一个重要的环节。
河道清淤后原有的河床熟泥被清理掉，含水生动植物、微生物的底泥微生态遭到破坏，清淤后暴露的生土不利于底层微生态系统的搭建，河水虽然清澈，但不具有自净能力，一旦有少量外源污染物侵入，水生态系统便会崩溃，造成水体二次污染。因此，如何处理河道疏浚底泥后原有生态系统被破坏成为了亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种河道底泥生境恢复材料及其制备方法，帮助清淤后的河道快速修复底部微生态环境。
本发明是通过以下技术方案予以实现：
一种河道底泥生境恢复材料，其特征在于，包括如下重量比的成分：河道底泥20-100份、改性钙镁矿物材料10-50份、土著微生物菌剂1-30份，所述改性钙镁矿物材料包括至少一种矿物原料，所述矿物原料中钙元素的质量分数大于等于25％或者镁元素的质量分数大于等于20％。
根据上述技术方案，优选地，所述河道底泥的含水率低于40％，所述河道底泥粒度为50-500目。
根据上述技术方案，优选地，所述矿物原料选自白云石、石灰石、方解石、菱镁矿、橄榄石、蛇纹石或水镁石。
根据上述技术方案，优选地，包括固定化营养土颗粒A和固定化营养土颗粒B，所述固定化营养土颗粒A包括河道底泥20-100份和土著微生物菌剂1-30份，所述固定化营养土颗粒B包括改性钙镁矿物材料10-50份。
本专利还公开了一种河道底泥生境恢复材料的制备方法，用于制备上述一种河道底泥生境恢复材料，其特征在于，包括如下步骤：a.按照重量比准备原料；b.取所述河道底泥20-100份和土著微生物菌剂1-30份充分混合，造粒、干燥硬化后得到固定化营养土颗粒A；c.对所述矿物原料进行改性处理，得到所述改性钙镁矿物材料；d.取所述改性钙镁矿物材料10-50份，造粒、干燥硬化后得到固定化营养土颗粒B。
根据上述技术方案，优选地，所述土著微生物菌剂通过驯化处理获得。
根据上述技术方案，优选地，所述驯化处理包括如下步骤：取待治理河道底泥1-10g；无菌水稀释，稀释后水样取0.1ml涂布，菌株分离、扩培，混合获得底泥的复合菌；将所述复合菌通过浓缩获得浓度为107-1011cells/mL的土著微生物菌剂。
根据上述技术方案，优选地，步骤c包括：获得至少一种含钙元素的质量分数大于等于25％或者镁元素的质量分数大于等于20％的矿物原料；将所述矿物原料粉碎、研磨、过筛获得粒度为50-500目的钙镁矿物材料；将所述钙镁矿物材料浸渍于酸溶液中；将在酸溶液中浸渍过的钙镁矿物材料洗涤至中性，制成改性钙镁矿物材料。
根据上述技术方案，优选地，浸渍温度为20-100℃，浸渍时间为2-20小时。
根据上述技术方案，优选地，步骤b中的所述造粒包括如下步骤：将所述土著微生物菌剂喷洒于河道底泥上；通过滚球造粒的方式获得固定化营养土颗粒A。
本发明的有益效果是：
本发明采用天然的矿物和原有的河床微生物群体帮助清淤后的河道快速修复底部微生态环境，提高河道水环境的自修复能力；同时可将底泥中含有的丰富的微量元素以及有机物重新回到自然环境循环中，帮助水环境快速搭建新的微生态，实现新的生态平衡。
附图说明
图1是本发明河道底泥生境恢复材料的成分配比图。
图2是本发明的制备流程示意图。
图3是本发明驯化处理时稀释过程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
如图所示，本发明包括如下重量比的成分：河道底泥20-100份、改性钙镁矿物材料10-50份、土著微生物菌剂1-30份，其中将河道底泥20-100份和土著微生物菌剂1-30份经混合、造粒、干燥硬化，得到固定化营养土颗粒A，将改性钙镁矿物材料10-50份经造粒、干燥硬化，得到固定化营养土颗粒B。
根据上述实施例，优选地，所述河道底泥的含水率低于40％，所述河道底泥粒度为50-500目。改性钙镁矿物材料包括至少一种矿物原料，所述矿物原料中钙元素的质量分数大于等于25％或者镁元素的质量分数大于等于20％。本例中矿物原料选自白云石、石灰石、方解石、菱镁矿、橄榄石、蛇纹石或水镁石。
本发明可通过如下两种实施方式快速修复底部微生态环境：
实施方式1：固定化营养土颗粒A和固定化营养土颗粒B充分混合，铺撒在河床底泥表面，厚度为2-15cm，然后在固定化营养土颗粒间隙种植水生植物。
实施方式2：将固定化营养土颗粒B铺于河床底泥表面，晾晒一周后，再将固定化营养土颗粒A均匀铺撒在河床底泥表面，然后在固定化营养土颗粒间隙种植水生植物。本例中固定化营养土颗粒B对底泥有对剩余水体及底质进行消毒及酸碱性改良措施，有效分解水底有机物，从而降低氨氮和亚硝基氮等含量，消除现有环境对水生生物的不利影响，减少对水环境毒害作用，使其能够适用于水生生物的生长需要。
本专利还公开了一种河道底泥生境恢复材料的制备方法，用于制备上述一种河道底泥生境恢复材料，其特征在于，包括如下步骤：
a.按照重量比准备原料；
b.取所述河道底泥20-100份和土著微生物菌剂1-30份充分混合，造粒、干燥硬化后得到固定化营养土颗粒A；
c.对所述矿物原料进行改性处理，得到所述改性钙镁矿物材料；
d.取所述改性钙镁矿物材料10-50份，造粒、干燥硬化后得到固定化营养土颗粒B。
其中造粒过程为挤压造粒或者滚球造粒，干燥硬化过程为常温常压下干燥至含水率10-40％。本例中步骤b中的的造粒过程优选滚球造粒，包括如下步骤：将所述土著微生物菌剂喷洒于河道底泥上；通过滚球造粒的方式获得固定化营养土颗粒A。
根据上述实施例，优选地，所述土著微生物菌剂通过驯化处理获得。其中驯化处理包括如下步骤：取待治理河道底泥1-10g；无菌水稀释，稀释后水样取0.1ml涂布，菌株分离、扩培，混合获得底泥的复合菌；驯化过程中水样的温度保持在30-40℃，将所述复合菌通过浓缩获得浓度为107-1011cells/mL的土著微生物菌剂。通过该方式获得的微生物为河道环境内的土著微生物，只是将其中效果好一些的菌剂拿出来，通过驯化使其对目标降解物的降解效果更明显，可以避免外来物种的入侵，破坏原有的河道生态系统。
其中，对土著微生物菌剂的驯化处理包括底泥样品取样及处理、水质样品取样及处理。
(1)底泥样品取样及处理
底泥样品采用彼得逊采泥器的采集水库底部表层底泥(5-10cm)，每个采样点上重复采样3次，然后均匀混合后装入密闭灭菌的样品袋中，带回实验室测定，或放在4℃冰箱暂存。
无菌条件下制备泥样悬液：取底泥样0.5g，迅速倒入带玻璃珠的4.5ml无菌水瓶中(玻璃珠用量以充满瓶底为最好)，振荡5-10min，使泥样充分打散，即成10-2的底泥悬液。再用无菌移液管吸10-2的泥悬液0.5mL，放入4.5ml无菌水中,即为10-3稀释液，如此重复，可依次制成10-3-10-7的稀释液。如图3所示，图中左侧梯形为三角瓶，其中加入49.5ml无菌水与0.5g泥样，泥样溶液稀释度为10-2。依此类推，右侧五个试管中底泥稀释度分别为：10-3、10-4、10-5、10-6、10-7)。样品通过处理后，取稀释后的泥样溶液0.1ml在基础固体培养基分离和纯化，在通过利用微生物间生命活动特点的不同，制定特定的环境条件，使仅适应于该条件的微生物旺盛生长，从而使其群落中的数量大大增加，对分离纯化的微生物得到富集培养。将分离纯化的菌落在基础液体培养基中富集培养，培养到104-105cells/mL后，通过膜过滤浓缩菌液，得到107-1011cells/mL浓度的菌剂，本实验中使用的菌剂浓度为107cells/mL和1010cells/mL。
(2)水质样品取样及处理
水质样品用采样器采集各样线水下0.5m处水样，每个样点上重复取样3次，混均后装入水样瓶中，带回实验室测定，或放在4℃冰箱暂存。
无菌条件下制备水样悬液：取水样0.5ml，迅速倒入带玻璃珠的4.5ml的无菌水瓶中(玻璃珠用量以充满瓶底为最好)，振荡5-10min，使水样混合均匀，即成10-2的菌悬液。再用无菌移液管吸10-2的菌悬液0.5mL，放入4.5ml无菌水中,即为10-3稀释液，如此重复，可依次制成10-3-10-7的稀释液。水样稀释和泥样稀释原理一样，三角瓶中加入49.5ml无菌水与0.5ml水样，水样溶液稀释度为10-2，依此类推，依次稀释浓度分别为：10-3、10-4、10-5、10-6、10-7)。样品通过处理后，取稀释后的水样菌溶液0.1ml在基础固体培养基分离和纯化，从而使其群落中的数量大大增加，对分离纯化的微生物得到富集培养。将分离纯化的菌落再在基础液体培养基中富集培养，培养到104-105cells/mL后，通过膜过滤浓缩菌液，得到107-1011cells/mL浓度的菌剂，本实验中使用的菌剂浓度为108cells/mL和1011cells/mL。
根据上述实施例，优选地，步骤c包括：获得至少一种含钙元素的质量分数大于等于25％或者镁元素的质量分数大于等于20％的矿物原料；将所述矿物原料粉碎、研磨、过筛获得粒度为50-500目的钙镁矿物材料；将所述钙镁矿物材料浸渍于酸溶液中，其中浸渍温度为20-100℃，浸渍时间为2-20小时；将在酸溶液中浸渍过的钙镁矿物材料洗涤至中性，制成改性钙镁矿物材料。其中酸溶液为在水溶液中电离生成的阳离子为氢离子的化合物，可以是盐酸水溶液、硫酸水溶液、硝酸水溶液、磷酸水溶液、碳酸水溶液、醋酸水溶液中的一种或其组合。本例中钙镁矿物材料经在酸溶液中浸渍而进行改性后，改变了其骨架结构，增加了固体催化剂的多孔性，增大了钙镁矿物材料的表面积，增加了材料内的多孔结构和电子位点，为微生物与材料的结合提供更多的酸性活性位点，便于电子的传递，进而便于微生物与材料的结合及对材料的利用，有利于微生物有效分解水底有机物，从而降低氨氮和亚硝基氮等含量，恢复水生态。
本发明专利中的河道底泥生境恢复材料通过如下两种实施方式进行修复效果模拟：
实施方式1：
取10m3亚克力试验装置做为模拟试验器材，至于室外自然环境条件下，试验器材底铺洒5cm厚的底泥。将固定化营养土颗粒B铺于底泥表面，晾晒一周后，再将固定化营养土颗粒A均匀铺撒在底泥表面，然后灌溉水，使水深在20-30cm，在固定化营养土颗粒间隙种植水生植物，种类为低矮苦草和狐尾藻，浓度为5株/平方米。投撒蚤15ml、绿藻17ml、螺5个、贝7个、小鲢鱼2尾、小鳙鱼3尾，一周后灌水深至一米。
一月后水质、水生态基本稳定，浮游动物、浮游植物、底栖动物和鱼类长势较好，螺总量为25个，贝11个，鱼长大许多，菌种类增加30余种，蚤和藻浓度持平。河道具有很好的纳污、自净能力，加入10L自然河道黑臭水体，一周后水质恢复原有水平，各系统达到平衡稳定。
实施方式2：
将固定化营养土颗粒B铺于河床底泥表面，晾晒一周后，再将固定化营养土颗粒A均匀铺撒在河床底泥表面，然后灌溉水，使水深在20-30cm，在固定化营养土颗粒间隙种植水生植物，种类为低矮苦草和狐尾藻，浓度为5株/平方米。投撒浮游动物、浮游植物、底栖动物和鱼类，具体的种类为蚤、绿藻、螺、贝和鲢鱼、鳙鱼。投加量分别为10ml/m2、5ml/m2、2个/m2、5个/m2和20尾/亩、20尾/亩，一周后灌水深至一米。
一两月后水质、水生态基本稳定，浮游动物、浮游植物、底栖动物和鱼类长势较好，河道具有很好的纳污、自净能力，各系统达到平衡稳定。
本发明采用天然的矿物和原有的河床微生物群体帮助清淤后的河道快速修复底部微生态环境，提高河道水环境的自修复能力；同时可将底泥中含有的丰富的微量元素(如Ca，Mg，Zn，Cu，Fe等)以及有机物重新回到自然环境循环中，帮助水环境快速搭建新的微生态，实现新的生态平衡。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种河道底泥生境恢复材料，其特征在于，包括固定化营养土颗粒A和固定化营养土颗粒B，所述固定化营养土颗粒A包括河道底泥20-100份和土著微生物菌剂1-30份，所述固定化营养土颗粒B包括改性钙镁矿物材料10-50份；所述河道底泥生境恢复材料的制备方法包括以下步骤：
a.按照重量比准备原料，河道底泥20-100份、所述改性钙镁矿物材料10-50份、土著微生物菌剂1-30份；
所述改性钙镁矿物材料包括至少一种矿物原料，所述矿物原料中钙元素的质量分数大于等于25%或者镁元素的质量分数大于等于20%，
b.取所述河道底泥20-100份和土著微生物菌剂1-30份充分混合，造粒、干燥硬化后得到固定化营养土颗粒A；所述土著微生物菌剂通过驯化处理获得，所述驯化处理包括如下步骤：取代治理河道底泥1-10g；无菌水稀释，稀释后水样取0.1mL涂布，菌株分离、扩培，混合获得底泥的复合菌；将所述复合菌通过浓缩获得浓度为107-1011cells/mL的土著微生物菌剂；
c.对所述矿物原料进行改性处理，得到所述改性钙镁矿物材料；将所述矿物原料粉碎、研磨、过筛获得粒度为50-500目的钙镁矿物材料；将所述钙镁矿物材料浸渍于酸溶液中；将在酸溶液中浸渍过的钙镁矿物材料洗涤至中性，制成所述改性钙镁矿物材料；
d.取所述改性钙镁矿物材料10-50份，造粒、干燥硬化后得到固定化营养土颗粒B。
2.根据权利要求1所述一种河道底泥生境恢复材料，其特征在于，所述河道底泥的含水率低于40%，所述河道底泥粒度为50-500目。
3.根据权利要求2所述一种河道底泥生境恢复材料，其特征在于，所述矿物原料选自白云石、石灰石、方解石、菱镁矿、橄榄石、蛇纹石或水镁石。
4.根据权利要求1所述一种河道底泥生境恢复材料，其特征在于，浸渍温度为20-100℃，浸渍时间为2-20小时。
5.根据权利要求4所述一种河道底泥生境恢复材料，其特征在于，步骤b中的所述造粒包括如下步骤：将所述土著微生物菌剂喷洒于河道底泥上；通过滚球造粒的方式获得固定化营养土颗粒A。
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