一種利用固定化微生物包埋微球修復河床底泥生態系統的方法
2023-05-02 12:05:41 2
一種利用固定化微生物包埋微球修復河床底泥生態系統的方法
【專利摘要】本發明公開了一種利用固定化微生物包埋微球修復河床底泥生態系統的方法，其特徵在於，步驟如下：步驟一、測量水體的pH值，選擇pH值在6～8.5之間為包埋微球投放時機；步驟二、測量河道底部和上覆水體中溶解氧的DO濃度，並使河道底部DO濃度維持在2～3mg/L之間，使上覆水體中DO濃度維持在4～6mg/L之間；步驟三、在水體中投放微生物包埋微球，溫度在25℃到30℃之間，投放量在1.75～1.90kg/m2之間；溫度低於25℃，投放量在2.00～2.25?kg/m2之間；溫度高於30℃，投放量在1.95～2.15kg/m2之間。本發明通過在不同水體水溫和pH值下合理控制河道底部和上覆水體的溶解氧濃度，有效提升固定化微生物包埋微球的處理效果，達到對河道上覆水體氨氮、總氮和COD處理效果的影響，且去除效果非常明顯且具有較長的持續性。
【專利說明】—種利用固定化微生物包埋微球修復河床底泥生態系統的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於河床底泥生態系統恢復的固定化微生物修複方法，具體是微生物包埋微球的使用方法。
【背景技術】
[0002]河流汙染是目前全球範圍內普遍存在的突出環境問題之一，作為河流生態系統的重要組成部分，底泥不僅是河流各類物質循環的中心環節，而且也是這些物質的主要聚集庫——底泥是水體中汙染物質的「庫」和「源」。在點源汙染得到有效控制以後，底泥就成為河流水體汙染的重要內源，底泥中累積的大量有毒有害汙染物，通過一定的交換作用重新釋放，是影響和制約上覆水質的主要二次汙染源。如何有效的控制河床底泥汙染，改善河流水質，已成為我國水環境中最重要的環境問題。
[0003]河道底泥修復主要有物理修復、化學修復和生物修復三大類修復技術。物理修復包括疏浚和覆蓋等，環保疏浚耗資耗力，並且容易對原有生態環境造成損害，水質改善效果也不甚明顯；覆蓋技術無法從根本上去除汙染物，大量使用覆蓋材料會減小湖泊庫容，並且尋找覆蓋材料源也成為問題。化學修復需要向水中投加化學藥劑，投資大，破壞河流生態系統，而且容易產生二次汙染。汙染水體中底泥的特殊性質更是增加了物理修復和化學修復的困難性。向汙染底泥生態系統中投加微生物菌液或者固定化菌劑是一種常用的生物修複方法，但是其實際修復效果並不理想，主要存在以下問題:
1、底泥生態系統通常包括流動水體如河流、灘涂等，直接投放液體或粉狀微生物很快就流失而無法起作用。
[0004]2、微生物固定化的推廣使用面臨著很多現實問題。包埋介質、包埋微生物與包埋工藝的選擇決定了固定化微生物的穩定性、生物活性及修復效果，而實際汙染底泥生態系統的水溫、PH值、溶解氧濃度、固定化微生物投加量及投加方式等也是影響其修復效果的關鍵因素。影響微生物固定化的因素多且複雜，制約著其在汙染底泥生態系統修復中的廣泛使用。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，而提供一種修復水體具有高有效性和長持續性的利用固定化微生物包埋微球修復河床底泥生態系統的方法。
[0006]為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是:
一種利用固定化微生物包埋微球修復河床底泥生態系統的方法，其特徵在於，步驟如下:
步驟一、測量水體的PH值，選擇PH值在6~8.5之間為包埋微球投放時機；
步驟二、測量河道底部和上覆水體中溶解氧的DO濃度，並使河道底部DO濃度維持在2~3mg/L之間，使上覆水體中DO濃度維持在4~6mg/L之間；步驟三、在水體中投放微生物包埋微球，溫度在25°C到30°C之間，投放量在1.75~1.90 kg/m2之間；溫度低於250C，投放量在2.00~2.25 kg/m2之間；溫度高於30°C，投放量在1.95~2.15 kg/m2之間。
[0007]還包括步驟四、檢測不同水體中底泥不同汙染物對象的含量，河道汙染COD大於100mg/L，底泥TOC大於3000mg/L,投加微球S~I和N~I體積比在3:1~5:1之間；當河道汙染氨氮大於7mg/L,總氮大於8mg/L,底泥全氮大於1400mg/L,投加微球S~I和N~I體積比在1:3~1:6之間。
[0008]所述投放時機的PH值為6.5~7.5，所述河道底部DO濃度在2.3~2.6mg/L,上覆水體中DO濃度為3.2~4.8mg/L0
[0009]所述投放時機的PH值為7;所述河道底部DO濃度在2.5mg/L,上覆水體中DO濃度為 4.2mg/Lo
[0010]與現有技術相比，本發明具有如下優點:
1、本發明通過不斷研究和反覆試驗，發現河道水體水溫、PH值和溶解氧濃度是影響固定化微生物包埋小球修復河床底泥生態的重要因素。並通過在不同水體水溫和PH值下合理控制河道底部和上覆水體的溶解氧濃度，有效提升固定化微生物包埋微球的處理效果，達到對河道上覆水體氨氮、總氮和COD處理效果的影響，且去除效果非常明顯且具有較長的持續性。
[0011]2、本發明還能根據水體特性的不同，即只要汙染物的不同，而採用了不同比例的微球，針對性更強，去除效果就更明顯，微球利用率也大為提升。
[0012]3、本發明修複方法的DO濃度控制和PH值選擇是本發明的非常重要的兩個點，對於PH值的選擇，當PH在6.5~7.5之間，尤其是為7時，微球對汙泥覆水體NH4+~N、TN和COD的去除效果均達到了最好的效果其中對COD的去除在PH為7時，達到了最優，而當位於7兩側時，去除效果則開始明顯降低，是具有突變效果的；而氨氮和總氮的去除基本上同步，最有效的去除率在6~8.5之間，所以綜合後，將PH值得範圍定在了 6.5~7.5。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1不同溫度對氨氮、總氮和COD的去除效果圖；
圖2不同pH值對氨氮、總氮和COD的去除效果圖；
圖3河道底部不同溶解氧濃度對氨氮、總氮和COD的去除效果圖；
圖4不同投加量對底泥T0C、全氮、異養細菌和反硫化細菌的去除效果圖；
圖5微生物產生氣體體積隨時間變化圖；
圖6底泥TOC濃度和上覆水體COD濃度隨時間變化圖。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖，對本發明作詳細說明:
以聚乙烯醇為包埋劑，以海藻酸鈉、二氧化矽、碳酸鈣、凹凸棒土為膠凝劑，包埋微生物菌液(微生物菌液包含S~I和N~I兩種，S~1:枯草桿菌、解澱粉芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌、纖維單胞桿菌、脫氮假單胞菌、沼澤紅假單胞菌、雙氮纖維菌、施氏假單胞菌等，主要用於降低湖泊河道的COD和底泥TOC濃度，恢復水體的生態平衡；N~1:亞硝化單胞菌、亞硝化螺菌、亞硝化葉菌、硝化刺菌、維氏硝化桿菌、硝化球菌等，能將氨氮、總氮和底泥全氮等轉化成N2釋放出水體，解決水體富營養化的難題。S~I和N~I體積比由汙染對象決定。)，製備出固定化微生物包埋微球，已申請發明專利，申請號為201310264883.2。本發明針對北京及時的主要問題，主要提供固定化微生物包埋微球用於修復底泥的方法，通過正確合理地使用包埋微球，可以有效去除河床底泥中的總有機碳和總氮，改善底泥上覆水體COD、氨氮和總氮汙染狀況，是一種高效低耗、操作簡單、有發展前景的河道生態治理方案。
[0015]溫度高低影響微生物體內酶的活性和細胞膜的流動性，是影響微生物生命活動最重要的因素之一。在不同溫度條件下，投加固定化微生物包埋微球進行河道底泥修復實驗，持續45天。投加前上覆水體C0D184mg/L、NH4+~N6.67 mg/L、TN7.5 mg/L。不同溫度對上覆水體NH4+~N、TN和COD的去除效果詳見圖1。由圖可知，在15°C情況下，修復後NH4+~N、TN和COD濃度分別為2mg/L、2.7 mg/L和70 mg/L,去除率分別達到70%、64%和62%，此種情形下NH4+~N、TN和COD的去除率皆為最低。溫度升高(從15°C到30°C )對微生物活性有所恢復，各項去除率均有所提高。在25°C到30°C之間，包埋微球脫氮和去除COD的能力最強，NH4+~N、TN和COD濃度分別為0.8 mg/L、1.2 mg/L和33 mg/L,去除率分別達到88%、84%和82%。當溫度繼續上升至35°C，包埋微球脫氮和去除COD的能力分別下降了 14%、15%和13%。由此可見，包埋微球脫氮和去除COD的最佳溫度在25°C到30°C之間，溫度過高或過低都會降低其修復能力，因此投加固定化微生物包埋微球修復河床底泥生態系統的最佳時節為夏季。
[0016]硝化菌對pH的變化十分敏感，其生長的最適宜pH值為8.0~8.4，反硝化菌適宜的PH值是6.5~7.5。在不同pH條件下，投加固定化微生物包埋微球進行河道底泥修復實驗，持續45天。投加前上覆水體C0D184mg/L、NH4+~N6.67 mg/L、TN7.5 mg/L。不同pH值對上覆水體NH4+~N、TN和COD的去除效果詳見圖2。由圖可知，包埋微球脫氮和去除COD的能力先上升再下降，當pH值在7~8之間時，NH4+~N、TN和COD濃度最低，分別在I~
1.07mg/L、l.13~1.28mg/L和35~50mg/L之間，去除率分別可達到85%、85%、81%左右。當PH值為4時，NH4+~N和TN濃度最高，去除率較最佳狀態時分別下降了 15%和21%，當pH值為9時，COD濃度最高，去除率較最佳`狀態時下降了 23%。由此可見，包埋微球脫氮和去除COD的最佳pH值在6.5~8之間。pH值過高或過低，均會影響硝化細菌和反硝化細菌的活性。考慮到硝化和反硝化過程中鹼度的消耗和互補性，最適宜pH值應在7~8左右。
[0017]亞硝酸菌和硝酸菌均為絕對好氧菌，較低的DO濃度不利於硝化反應，DO濃度過高，縮小了載體內部的缺氧區，削弱了反硝化過程，脫氮速率下降，總氮去除率降低。在不同河道底部DO條件下，投加固定化微生物包埋微球進行河道底泥修復實驗，持續45天。投加前上覆水體C0D184mg/L、NH4+~N6.67 mg/L、TN7.5 mg/L。不同河道底部DO濃度對上覆水體NH4+~N、TN和COD的去除效果詳見圖3。由圖3可知，當河道底部DO濃度在2~3mg/L之間時，NH4+~N、TN和COD濃度最低，分別在0.85~0.91mg/L、l.07~1.llmg/L和38~44mg/L之間，去除率分別可達87%、85%、79%左右。當曝氣強度進一步增加，NH4+~N、TN和COD的去除率都有不同程度的下降。當河道底部DO濃度為6mg/L時，NH4+~N、TN和COD的濃度最高，包埋微球脫氮和去除COD的能力分別下降了 40%、51%和28%。由此可見，包埋微球脫氮和去除COD的河道底部最佳DO濃度在2~3mg/L之間，此時上覆水體DO濃度一般在4~6mg/L之間。溶解氧濃度不足時,應適當曝氣。DO濃度過高或過低,均會影響硝化和反硝化反應的進程。[0018]固定化微生物投加量及投加方式等也是影響其修復效果的關鍵因素。合理控制固定化微生物包埋微球投放量，根據汙染底泥特性確定最佳微生物菌液體積比，均勻投加包埋微球，做到不多投、不漏撒，可以有效提升固定化微生物包埋微球的處理效果。
[0019]如果包埋微球投加量少，由於汙染底泥生態系統中腐敗菌往往是優勢菌群，包埋微球的作用很難發揮。如果包埋微球投加量多，則成本過高，並且包埋微球含有大量有機物和營養物質，造成水體二次汙染，加重汙染程度。在不同包埋微球投加量條件下，進行河道底泥修復圍隔實驗(為半徑1.5m的圓柱形圍隔板，由聚乙烯板焊接而成。圍隔板高2.0m，埋入底泥0.2~0.3m,圍隔內水深1.5m,圍隔面積4m2。圍隔板上開兩個半徑3cm的小孔,使圍隔內水體與外界水體相通。)，持續45天。投加前底泥TOC和全氮初始濃度分別為2400mg/L和1254mg/L，異養細菌和反硫化細菌初始濃度分別為1.3*105cell/g和28*103cell/g。實驗期間溫度、溶解氧和pH分別在在20~30°C、2~4mg/L和6~8之間。不同包埋微球投加量對底泥TOC、全氮、異養細菌和反硫化細菌(異養細菌和反硫化細菌濃度分別除以IO5和IO4計)的去除效果詳見圖4。由圖可知，當投加量為3kg時，修復後TOC和全氮濃度分別為1891mg/L和874 mg/L,去除率分別為21.2%和30.3%，此種情形下TOC和全氮去除率皆為最低，這是由於投加包埋微球微生物含量不夠導致的。隨著投加量增加，TOC和全氮去除率均有所提高。當投加量為7kg時，包埋微球去除TOC和全氮能力最強，TOC和全氮去除率分別達到53.2%和49.1%。當投加量繼續增加，TOC和全氮去除率並沒有明顯增加，反而有所下降，這是由於包埋劑聚乙烯醇含有大量有機物，微生物菌液含有大量營養物質，過量投加會造成水體二次汙染。底泥異養細菌和反硫化細菌均有明顯的下降趨勢，當投加量為7kg時，異養細菌濃度最低，從1.3*105cell/g下降到0.72*105cell/g，下降45% ;反硫化細菌濃度也為最低，從28*103cell/g下降到2.87*103cell/g，下降90%。當投加量繼續增加，異養細菌反硫化細菌濃度均有所上升。異養細菌逐漸減少，表明其賴以生存的營養物質缺乏，有機物質不斷被降解；反硫化細菌含量與有機負荷量、化學好氧量呈正相關，是底泥腐敗形成水體黑臭的重要指標之一。反硫化細菌數量減少，表明底泥生態環境得到改善，有機物質不斷被降解，底泥的黑臭情況得到明顯改觀。由此可見，包埋微球修復河床底泥生態系統的最佳投加量為1.75~2.25kg/m2，投加量過大不僅成本過高，而且包埋微球作用也會減弱。
[0020]包埋微生物菌液S~I和N~I分別用於降低湖泊河道的COD、底泥TOC濃度和去除氨氮、總氮和底泥全氮等汙染對象，因此針對不同汙染底泥特性確定最佳微生物菌液體積比，可以有效提升包埋微球修復汙染底泥生態系統效率。在汙染河道進行對比實驗，河道汙染以COD和底泥TOC為主(即COD大於100mg/L或底泥TOC大於3000mg/L)，投加微球S~I和N~I體積比分別為3:1和1:1。投加固定化微生物包埋微球前河道上覆水體C0D176mg/L、NH4+ ~N4.21 mg/L、TN6.5 mg/L，底泥 TOC 和全氮初始濃度分別為 3156mg/L和1014mg/L。經過45天，兩種微球修復後上覆水體COD、NH4+~N和TN濃度分別為28mg/L 和 68mg/L、l.14 mg/L 和 1.02 mg/L、1.34 mg/L 和 1.10 mg/L,底泥 TOC 和全氮濃度分別為1048mg/L和1700mg/L、522mg/L和468mg/L。由此可見，S~I和N~I體積比為3:1的微球修復效果明顯，優於體積比為1:1的微球。因此，對於以COD和底泥TOC汙染為主的底泥生態系統，可以適當提升S~I和N~I體積比，一般以3:1~5:1為宜。同樣，對於以氨氮、總氮和底泥全氮汙染為主的底泥生態系統(即氨氮大於7mg/L，總氮大於8mg/L，底泥全氮大於1400mg/L),可以適當降低S~I和N~I體積比,通過現場實驗進行確定,一般以1:3~1:6為宜。
[0021]均勻投加可以保證包埋微球分布合理，避免包埋微球濃度過高或過低，造成局部區域產生二次汙染或者去除效果降低。可以採用人工船行播撒，也可以使用機械設備定量輸送，也可以兩者結合進行投加，結合汙染河道具體現狀合理選擇投加方式。
[0022]投加包埋微球以後，定期對河床底泥生態系統進行跟蹤監測，確定曝氣時間，檢查包埋微球修復效果，是包埋微球有效修復河床底泥生態系統的重要保障。河道底泥TOC濃度為2430 mg/L,上覆水體COD濃度為156mg/L，按照最佳投加量投加包埋微球，對TOC和COD濃度變化進行跟蹤監測，持續時間45天。底泥TOC濃度和上覆水體COD濃度隨時間變化情況詳見圖6。由圖可知，在投加後5~10天和20~30天，TOC和COD濃度下降迅速，此階段大量消耗氧氣，容易造成水體溶解氧濃度不足。在此階段宜對水體適量曝氣，維持河道底部DO濃度在2~3mg/L之間，上覆水體DO濃度在4~6mg/L之間，充分發揮包埋微球作用。與此同時，COD濃度在O~5天和15~25天有所上升，這是由於包埋微球聚乙烯醇部分溶解析出到水體造成的，並不是修復效果不佳的表現。在5~10天和25天以後，如果監測發現汙染物濃度異常等現象，可以通過增加投放量，適當曝氣增加溶解氧等措施改善修復效果。
[0023]為了從理論上證明固定化微球具有微生物活性，進行以下測定實驗:分別向4個250ml錐形瓶中加入220ml微生物培養基(瓊脂10.0g，酵母提取物10.0g，葡萄糖10.0g，蒸懼水100mL。用0.2um濾膜過濾,立即使用或在4°C儲存,一天之內使用),編號I~4,置於20°C~30°C陰暗環境中。I號錐形瓶為對照組，2~4號錐形瓶為實驗組，用橡膠塞塞緊。將針筒針頭扎入橡膠塞中，沉降片體積變化即為反應產生氣體。產生氣體則說明固定化微球通過反硝化作用產生氮氣等氣體，證明固定化微球具有降解汙染物作用。
[0024]I號錐形瓶不做任何調整，作為空白對照組，2~4號錐形瓶中分別加入非最佳包埋條件固定化微球50g、最佳包埋條件固定化微球50g和游離態微生物菌液10ml(S~I和N~I分別為5ml)。微生物活性測定實驗持續7天，產生氣體體積隨時間變化情況見圖5。可以看出，實驗前3天產生氣體速度較慢，從第4天開始，微生物菌液中修復菌種適應了環境，硝化反硝化速度加快，產生氣體速度大為上升。實驗第7天，2~4號錐形瓶中產生氣體體積分別為78ml、96ml和82ml。這是由於固定化微球可同時形成厭氧好氧環境，進行同步硝化反硝化反應，產生氣體速度快於游離態菌種，同時最佳包埋條件固定化微球修復效果優於非最佳包埋條件固定化微球。由此可見，包埋微生物確實具有微生物活性，並且由於固定化微生物微球由內至外依次形成厭氧區、缺氧區、好氧區，可同時形成厭氧好氧環境，進行同步硝化反硝化反應，生物活性強於游離態微生物菌液。
【權利要求】
1.一種利用固定化微生物包埋微球修復河床底泥生態系統的方法，其特徵在於，步驟如下: 步驟一、測量水體的PH值，選擇PH值在6~8.5之間為包埋微球投放時機； 步驟二、測量河道底部和上覆水體中溶解氧的DO濃度，並使河道底部DO濃度維持在2~3mg/L之間，使上覆水體中DO濃度維持在4~6mg/L之間； 步驟三、在水體中投放微生物包埋微球，溫度在25°C到30°C之間，投放量在1.75~1.90 kg/m2之間；溫度低於250C，投放量在2.00~2.25 kg/m2之間；溫度高於30°C，投放量在1.95~2.15 kg/m2之間。
2.根據權利要求1所述的利用固定化微生物包埋微球修復河床底泥生態系統的方法，其特徵在於，還包括: 步驟四、檢測不同水體中底泥不同汙染物對象的含量，河道汙染COD大於100mg/L，底泥TOC大於3000mg/L，投加微球S~I和N~I體積比在3:1~5:1之間；當河道汙染氨氮大於7mg/L,總氮大於8mg/L,底泥全氮大於1400mg/L,投加微球S~I和N~I體積比在1:3~1:6之間。
3.根據權利要求1或2所述的利用固定化微生物包埋微球修復河床底泥生態系統的方法，其特徵在於:所述投放時機的PH值為6.5~7.5，所述河道底部DO濃度在2.3~2.6mg/L，上覆水體中DO濃度為3.2~4.8mg/L。
4.根據權利要求3所述的利用固定化微生物包埋微球修復河床底泥生態系統的方法，其特徵在於:所述投放時機的PH值為7;所述河道底部DO濃度在2.5mg/L，上覆水體中DO濃度為4.2mg/L。
【文檔編號】C02F11/02GK103523931SQ201310508849
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月25日 優先權日:2013年10月25日
【發明者】傅大放, 楊新德 申請人:東南大學