CN208586115U - 一种用于河床水生态修复的生物酶载体 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种用于河床水生态修复的生物酶载体，包括承载有生物酶的生物酶载体。所述的生物酶载体包括高分子聚合物纤维树脂材料的网状骨架，绑缚在网状骨架上的用于承载生物酶的纳米丝状载体，所述的生物酶载体由敷设在河床上的第一碎石层支撑，在所述的生物酶载体上还分段敷设有第二碎石层。本实用新型生物酶载体装置具有安装简单，操作性强，可模块化实施等特点，碎石层的铺设方法增加了河床的粗糙程度，碎石空隙为底栖动物和微生物提供了生存空间，有利于维持生态系统的稳定性，适用于河床坡度大、水流速度快的雨源性河流。

Description

一种用于河床水生态修复的生物酶载体

技术领域

本实用新型涉及环境治理、水生态修复技术领域，特别涉及一种用于河床水生态修复的生物酶载体。

背景技术

河床生态修复主要包括底泥污染控制和生态系统环境的构建。底质污染与底泥再悬浮是城市黑臭河道形成的重要原因之一，底泥作为城市河道水体的重要内源污染物，在水力冲刷、人力扰动以及生物活动的影响下，引起沉积底泥再悬浮，进而在一系列物理-化学-生物综合作用下，吸附在底泥颗粒上的污染物与孔隙水发生交换，从而向水体释放污染物，大量悬浮颗粒漂浮在水中，导致水体发黑发臭。另外，大量底泥也能为水体的微生物提供良好的生长环境，其中放线菌和蓝藻通过代谢作用使底泥甲烷化、反硝化，导致底泥上浮及水体黑臭。黑臭河道的修复是环境治理的重要内容，生物处理方法较为常见，生物处理过程主要依赖于活性微生物的新陈代谢作用来实现，微生物对废水中污染物质的分解和转化过程，实质上都是在生物酶的催化下进行的一系列复杂的生化反应过程。

生物酶是一类生物量适中的蛋白质，由于其催化效率高，选择性好，且可反复利用，在环保、食品、医药领域被广泛应用。为了高效应用生物酶，将其进行固定化处理到载体上是应用于污水高效处理的前提。固定化生物酶的性能主要取决于固定化方法和所使用的载体材料，其中， 载体材料的性能直接影响其固定化酶的催化活性。酶的固定化对载体材料有很高的要求，理想的载体材料应具备良好的机械强度、热稳定性和化学稳定性、耐生物降解性及对酶的高度亲和性、并能保持较高的酶活性等。目前市场上常用的生物酶载体有刚性的、柔性的，按载体材质有纤维素、壳聚糖、水凝胶、以及动物毛发等。然而，这些载体在固定生物酶时，要么机械强度不够而导致生物酶分离或载体破碎，造成效率低，甚至因为载体破碎流失而造成二次污染；要么对酶的亲和力和化学性不够稳定，影响生物酶的活性和使用效果。因此，设计、实用新型和制备性能更加优异的载体材料已成为固定化生物酶研究的重点之一。

另一方面，生物酶载体在河道修复应用过程中，存在受河道冲刷影响流失严重、淤泥覆盖后生态系统难以建立、河床生境缺失微生物难以附着生长等问题，从而制约了生物酶载体在河道生态修复中的应用。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，针对黑臭水体河床生态修复的特点，本实用新型提供一种用于河床水生态修复的生物酶载体。

本实用新型的技术方案是：一种用于河床水生态修复的生物酶载体，包括承载有生物酶的生物酶载体。所述的生物酶载体包括高分子聚合物纤维树脂材料的网状骨架，绑缚在网状骨架上的用于承载生物酶的纳米丝状载体，所述的生物酶载体由敷设在河床上的第一碎石层支撑，在所述的生物酶载体上还分段敷设有第二碎石层。

进一步的，上述的用于河床水生态修复的生物酶载体中：所述的网状骨架的网格尺寸为： m×n，所述的纳米丝状载体绑缚在所述的网状骨架的网丝交接处,m和n的范围在5-20cm之间。

进一步的，上述的用于河床水生态修复的生物酶载体中：所述的纳米丝状载体为以纳米纤维编绞而成的丝状材料，纳米纤维的长度为10-20cm。

进一步的，上述的用于河床水生态修复的生物酶载体中：所述的纳米丝状载体为以高分子聚合物为原料加入碳纳米纤维，采用静电纺丝技术编绞而成的丝状物。

进一步的，上述的用于河床水生态修复的生物酶载体中：所述的第一碎石层厚度为10~20cm，碎石粒径为3~5cm；所述的第二碎石层分段间隔为3~5m，层厚为5~10cm，碎石粒径为5~10cm。

本实用新型与其他现有技术相比有以下突出特点和显著优势：

（1）本实用新型中的生物酶载体装置具有安装简单，操作性强，可模块化实施等特点，碎石层的铺设方法增加了河床的粗糙程度，碎石空隙为底栖动物和微生物提供了生存空间，有利于维持生态系统的稳定性，适用于河床坡度大、水流速度快的雨源性河流。

（2）本实用新型中的生物酶载体装置具有较强的抗水利冲刷的能力，能够减少生物酶及其载体的流失，提高系统运行的稳定性。

（3）本实用新型中的生物酶载体装置底部与淤泥接触，可有效控制淤泥再悬浮，并有利于改善底泥生态环境；上部与水体接触，负载了生物酶的载体在水体好氧条件下为好氧微生物和底栖动物等提供附着空间和生存条件，可大大提高河床生物多样性。

（4）本实用新型中生物酶载体纤维直径为纳米级别，长度控制在一定范围，避免了纤维在水体中互相纠缠、打结，降低复合污染物的传质效率的问题。

（5）本实用新型中生物酶载体纤维机械强度高。在复杂的复合污染水体环境中，纳米纤维吸附材料具有非常强的机械强度，材料不容易破碎、流失，造成二次污染。

（6）材料生物亲和性高：纤维本身具有丰富的功能基团，功能基团之间的相互作用在吸附复合污染物质过程中能够起到重要作用，丰富的活性基团含量可以促进污染物的去除，同时由于材料的生物亲和性，不会影响附着的生物酶的活性。

（7）具有较高的比表面积。丝状聚烯烃类纤维吸附材料具有较高的比表面积，同时具有丰富的孔结构和孔容量可提高物理吸附的分子间作用力。

（8）生物膜不易脱落：由于丝状树脂载体和网状树脂骨架表面粗糙，吸附生长在污染物降解酶上的微生物不断增殖挂膜的过程中不易脱落，水质净化效果更长久。

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细地说明。

附图说明

图1为本实用新型实施例1绑缚有纳米丝状载体的网状树脂骨架示意图。

图2为本实用新型实施例1用于河床水生态修复的生物酶载体结构图。

图3是本实用新型实施例中工程实施后氨氮浓度动态变化示意图。

图4是本实用新型实施例中工程实施后COD和TP浓度动态变化示意图。

图5是本实用新型实施例中工程实施前后河床微生物数量的变化图。

图6是本实用新型实施例中工程实施前后河床微生物种类的变化图。

具体实施方式

本实施例是一种用于河床水生态修复的生物酶载体，如图1所示，生物酶载体3的结构以高分子聚合物纤维树脂材料为网状骨架1，为增加生物载体的比表面积，在网状骨架1上绑缚纳米丝状载体2。将从生物体内提取出的生物酶，用人工方法固定在纳米丝状载体2上，将游离生物酶封锁在纳米丝状载体2上或限制在纳米丝状载体2上的一定区域内，生物酶是活跃的、特有的催化剂，并可长时间使用的一种技术。经固定化的酶与游离酶相比具有稳定性高、易于控制、可反复使用、成本低廉等优点。本实施例选择的高分子聚合物树脂材料作为生物酶载体，具有无毒、无臭、无味，耐热、耐腐蚀、强度高等特点，能够在水处理领域广泛作为生物挂膜填料。

本实施例中，网状骨架1和绑缚在1上的纳米丝状载体2共同组成了生物酶载体3，生物酶载体3铺设于第一碎石层4上，在生物酶载体3分段压有第二碎石层5，第二碎石层5的铺设方法为碎石分段压埋铺设法。

如图2所示，本实施例的用于河床生态修复的生物酶载体包括三部分部分：生物酶载体3、第一碎石层4和第二碎石层5。

其中：生物酶载体3包括：高分子聚合树脂网状骨架1为支撑材料，采用强度较高的聚乙烯材料制成的丝状材料。高分子聚合树脂网状骨架1为网状形态，网格尺寸为：10cm×10cm，纳米丝状载体2绑定到网状骨架1网丝交接处，纳米丝状载体2绑定生物酶。纳米丝状载体2为以纳米纤维编绞而成的丝状材料，为生物酶吸附载体，有强度高、直径小、比表面积大、孔隙率高的特点，酶吸附能力强，纤维丝长度为15cm。纳米丝状载体2以高分子聚合物为原料，采用静电纺丝技术加工而成，同时在纳米纤维后期编绞过程中加入碳纳米纤维。另外，纳米丝状载体2是采用物理吸附作用固定生物酶，生物酶由微生物发酵而成的液态发酵液，该发酵液是由淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶、磷酸酶、硝酸还原酶、脲酶、纤维素酶、漆酶等多种酶组成的复合酶产品。

碎石层分为第一碎石层4和第二碎石层5，其中第二碎石层5采用碎石分段压埋铺设方法，第一碎石层4是网状骨架1下层铺设的10~20cm厚碎石，第一碎石层4中的碎石粒径为：3~5cm，作用是第一方面是阻隔河床底部淤泥的再悬浮，另一方面，第一碎石层4中碎石空隙为微生物和底栖生物的生长提供生境，通过底栖生物的作用不断降解底泥中污染物。在网状骨架1上是第二碎石层5，第二碎石层5分段敷设在网状骨架1上，第二碎石层5有 5~10cm厚碎石，它的碎石粒径为5~10cm，分段间隔为3~5m，敷设间距也可以是3~5m。第二碎石层5实现生物酶与河道水体的充分接触，降低河道水体中的污染物。

本实施例的用于河床水生态修复的生物酶载体敷设方法如下：

首先采用强度较高的聚乙烯材料构建网状骨架1，构建方式为网格状，网格尺寸为10cm×10cm。待网状骨架1构建好后，将纳米纤维编绞而成的纳米丝状载体2绑缚在网状骨架1上形成生物酶载体3，以增加生物载体的比表面积，进而提高微生物的附着效率，绑缚的位置为网状骨架1网丝的交接处，纳米丝状载体2的长度为15cm。载体绑缚好后，其结构见附图1，将其浸泡在生物酶试剂中固定所需要的生物酶，24h吸附饱和后即能应用于河床铺设进行生态修复。

河床铺设方法见附图2。首先在河床底部铺设一层10~20cm厚第一碎石层4，第一碎石层4中的碎石粒径为3~5cm，第一碎石层4上铺设网状骨架1和纳米丝状载体2组成生物酶载体3，生物酶载体3上分段铺设第二碎石层5，第二碎石层5的碎石粒径为5~10cm，铺设厚度为5~10cm，分段间隔为3~5m，碎石层5铺设长度为3~5m。

应用本实施例河床生态修复的生物酶载体于某城市黑臭河道进行生态修复，在生态修复工程结束后，对黑臭河道水质进行了监测，工程实施效果见附图3-6。按照如图2所示的结构敷设好用于河床水生态修复的生物酶载体后，10天左右河床底部形成较稳定生物膜，微生物数量显著增加，氨氮浓度开始降低，如图3所示，仅仅一个月氨氮浓度就降低达到了水质目标，COD和TP浓度显著下降，如图4所示，COD浓度在三天以后就从高于80mg/L降低到低于40mg/L，TP浓度在七天后也从接近1.5mg/L下降到只有0.6mg/L了，都具有较好的效果，而微生物量也在工程实施后得到了明显的恢复，如图5所示。总之河道水质约1个月左右有了明显的改善，河床生物膜不断变厚，生态系统趋于稳定，河床藻类繁殖，水质清澈见底，工程实施2个月后底河道黑臭基本消除。

生态修复工程结束后，对河道水质及微生物菌落进行了监测，河床微生物群落变化明显：实施段中游和下游微生物多样性和丰度显著高于上游；工程实施前河道微生物以致病菌为优势菌，而工程实施后中游和下游与水质改善相关的细菌如降解有机物，氨氧化相关的细菌种属比例增加明显，有害的致病菌显著减少，如图6所示。

Claims (5)

1.一种用于河床水生态修复的生物酶载体，包括承载生物酶的生物酶载体(3)；其特征在于：所述的生物酶载体(3)包括高分子聚合物纤维树脂材料的网状骨架(1)，绑缚在网状骨架(1)上的用于承载生物酶的纳米丝状载体(2)，所述的生物酶载体(3)由敷设在河床上的第一碎石层(4)支撑，在所述的生物酶载体（3）上还分段敷设有第二碎石层(5)。

2.根据权利要求1所述的用于河床水生态修复的生物酶载体，其特征在于：所述的网状骨架(1)的网格尺寸为： m×n，所述的纳米丝状载体(2) 绑缚在所述的网状骨架(1)的网丝交接处,m和n的范围在5-20cm之间。

3.根据权利要求2所述的用于河床水生态修复的生物酶载体，其特征在于：所述的纳米丝状载体(2)为以纳米纤维编绞而成的丝状材料，纳米纤维的长度为10-20cm。

4.根据权利要求2所述的用于河床水生态修复的生物酶载体，其特征在于：所述的纳米丝状载体(2)为以高分子聚合物为原料加入碳纳米纤维，采用静电纺丝技术编绞而成的丝状物。

5.根据权利要求1所述的用于河床水生态修复的生物酶载体，其特征在于：所述的第一碎石层(4) 厚度为10~20cm，碎石粒径为3~5cm；所述的第二碎石层(5) 分段间隔为3~5m，层厚为5~10cm，碎石粒径为5~10cm。