基于固定化细胞技术的污染地表水体综合修复装置及方法与流程

本发明属于水质净化领域，涉及污染地表水体修复净化装备及方法，具体涉及一种基于固定化细胞技术的污染地表水体综合修复装置及方法。

背景技术：

由于工农业的快速发展，有限的地表水资源遭受着不同程度的污染，水体生态环境日趋恶化，生物多样性遭到严重破坏，影响人类生活也制约着经济发展。因此，污染地表水的修复成为现实和迫切的环保问题。污染地表水体具有受污染途径广、流动性大、季节性强、污染浓度低等特征，常用生物修复法。传统的生物修复法利用微生物对水中污染物的降解作用来净化水体，但微生物缺少载体，导致其游离分散，难以形成优势菌群，不能对水体进行高效处理，也存在溶解氧不足的问题。国内目前较多采用人工湿地及生态浮岛法，但该类技术受植物和气候的影响较大。曝气充氧在污染地表水处理中较常用，通过曝气来增加水中溶解氧以改善水质，但曝气设备耗能巨大，投资费用高。

地表水污染问题是现代工农业高速发展的产物，尤其是化肥的普遍使用导致大量含氮化合物在自然环境中积累，造成地表水体严重富营养化。藻类和其他浮游生物的大量繁殖导致溶解氧量迅速下降，使其他水生生物因缺氧窒息而亡，直接破坏了水生生态系统，影响经济效益，并且由于污染导致的水质型缺水现象逐渐加剧。因此，污染地表水的治理和修复已经成为现实及迫切的环保问题。

在大多数富营养化水体中，由于碳/氮比偏低，导致水中的氮、磷元素很难有效地去除。目前，很多国家都在广泛应用生物处理措施处理污水，而污染地表水具有受污染途径广、流动性大、季节性强、污染浓度低等特征，成分更趋复杂，传统生物修复技术显现出很多的缺陷，例如微生物量不足及充氧不充分等问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种污染地表水体综合修复装置，解决传统生物修复法的不足及单一技术的缺陷。

本发明的另一目的在于，提供一种基于固定化细胞技术的污染地表水体综合修复方法，配合上述污染地表水体综合修复装置，更好地解决污染水体的生物修复问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种污染地表水体综合修复装置，包括固定架，所述的固定架中部安装有控制箱，控制箱四周的固定架内对称安装有浮筒组，每个浮筒组顶部的固定架上安装有太阳能电池板，每个浮筒组底部的固定架上安装有生物箱，生物箱上均匀加工有多个边壁小孔；

所述的控制箱内安装有光伏控制器，光伏控制器将太阳能电池板与蓄电池连接在一起，蓄电池为曝气机构供电。

本发明还具有如下区别技术特征：

进一步地，所述的生物箱底部设置有悬挂架，悬挂架上悬挂有人工水草。

具体的，所述的曝气机构包括加工在控制箱侧壁上的空气入口，还包括安装在控制箱内与蓄电池相连的电机，电机与中空搅拌轴的一端相连带动中空搅拌轴转动，控制箱内的中空搅拌轴上加工有通气孔，通气孔与中空搅拌轴的中空腔连通，中空搅拌轴的另一端伸出控制箱底部并且在端部连通有负压腔，中空搅拌轴上还安装有能够使得负压腔产生负压的搅拌桨。

优选的，所述的中空搅拌轴为分段式结构，各段之间通过联轴器相连。

优选的，所述的负压腔为喇叭状，负压腔边壁开有小孔。

优选的，所述的浮筒组为矩阵式对称排列的四组。

本发明还提供一种基于固定化细胞技术的污染地表水体综合修复方法，该方法采用了如上所述的污染地表水体综合修复装置对污染地表水体进行修复。

具体的，该方法具体包括以下步骤：

步骤一，基质溶液的制备：

配置基质溶液，所述的基质溶液中COD为500mg/L，氨氮浓度为20mg/L，磷酸盐浓度为10mg/L；

步骤二，菌悬液的制备：

取待处理污染地表水当地污水厂的污泥混合液，本实例中所取混合液悬浮固体浓度为3000mg/L，将污泥混合液按30％的体积比例接种于含有步骤一制得的基质溶液的发酵罐中，加入营养物质，使得发酵罐中的酵母膏的浓度为50mg/L，发酵罐中的微量无机盐为(NH₄)₂SO₄、KH₂PO₄、MgSO₄、FeSO₄和CaCl₂；

在30℃下恒温曝气驯化，每2～3天换一次水，检测COD、氨氮和总磷含量，当驯化出的菌种对COD、氨氮和总磷的降解能力均达到90％以上后，进行扩大培养，将菌种接入LB培养基(酵母膏5g/L，NaCl 10g/L，蛋白胨10g/L)，在发酵罐中30℃恒温曝气培养2d，将培养后的菌液静置沉淀24h，弃去上清液，用磷酸盐缓冲液洗涤，同样静置沉淀后弃去上清液，使菌体悬浮于磷酸盐缓冲液中，形成菌悬液，菌悬液中的微生物含量为20×10¹¹～30×10¹¹个.mL^-1；

步骤三，微生物的包埋和固定：

配制浓度为4％的海藻酸钠溶液，作为包埋材料，待其彻底溶解后与步骤二制得的菌悬液等体积均匀混合。将混合液灌进长度约为30cm的丝瓜瓤内部，然后将其放入浓度为4％的CaCl₂溶液中交联18h。交联结束后，用无菌水冲洗丝瓜瓤，得到吸附有固定化微生物的丝瓜瓤；

步骤四，修复：

将步骤三得到的吸附有固定化微生物的丝瓜瓤装满生物箱，然后将污染地表水体综合修复装置放入污染地表水体中悬浮，开启曝气机构，进行修复。

优选的，每个生物箱的下方挂4根人工水草，所述的人工水草的直径为5cm，长度为1.5m。

优选的，所述的曝气机构使得装置周围水体中溶解氧含量维持在4mg/L以上。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(Ⅰ)本发明的装置安装操作简单，能够对水体进行原位生物修复，本装置能够辅助固定化细胞技术，使得微生物不会游离分散，体现和发挥优势菌群的作用。此外，利用曝气设备来提供足够氧气，更优化了水下处理环境。太阳能电池板的应用突显了本装置零能耗、绿色环保的特征。对于低碳/氮比，富营养化较严重的地表水体，该装置综合性高，修复效果显著。

(Ⅱ)人工水草是一种生物膜载体技术，正在日益兴起且发展前景良好，在本装置中将其固定在水下，与固定化微生物一起在水下不同深度发挥作用。在改善水体生态环境的同时，还可提高微生物活力，富集优势菌群生长。由生物箱边壁小孔流出的优势菌群可在人工水草上富集，更能加强对水体的修复效果。人工水草适用范围广、净化效果好、投资低、运行管理简单且见效快。并且，该技术不受生长时间和气候的影响，无需专门打理，操作管理方便。

(Ⅲ)利用凝胶包埋固定方法，将微生物进行固定化处理。该方法操作简单、对细胞活性影响小，且制作的固定化细胞球的强度较高。利用氧扩散的限制，在固定化细胞颗粒中存在着好氧区和缺氧区，满足硝化和反硝化反应对环境条件的不同要求。污染物在原地被降解消除，不会形成二次污染或导致污染物的转移。此外，修复费用较少，仅为化学修复、物理修复的30％～50％。

(Ⅳ)选择丝瓜瓤作为吸附载体，将培养好的微生物经过包埋剂包埋后固定于丝瓜瓤中，丝瓜瓤内部有许多微囊孔，微生物可吸附生长于这些微囊中，避免了因吸附力小而导致固定化菌大量流失的现象。此外，这种微囊结构使得载体本身具有较大的比表面积，更增强了细菌对污染物的吸附能力。丝瓜瓤子经济、环保易获取，是优良的吸附载体。

(Ⅴ)本发明能使微生物在丝瓜瓤载体上大量附着生长，并易形成优势菌群；人工水草利用自身大比表面积作为生物膜载体；水下曝气增加水中氧气含量，促进好氧微生物生长繁殖，增强人工水草挂膜效果。三者结合在水下不同深度处对水中有机物、氮、磷等元素进行有效的去除，处理效果更好、更快。

(Ⅵ)单一的污水处理技术已经不能满足人们对水质的要求，为克服单一技术的缺点，本发明将固定化细胞技术、人工水草和曝气充氧这三种工艺技术组合，充分发挥各工艺的特点，在达到良好处理效果的同时，还能减少投资。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是图1的A-A剖视结构示意图。

图3是图1的B-B剖视结构示意图。

图4是图1的左视结构示意图。

图中各个标号的含义为：1-固定架，2-控制箱，3-浮筒组，4-太阳能电池板，5-生物箱，6-边壁小孔，7-光伏控制器，8-蓄电池，9-曝气机构，10-悬挂架，11-人工水草，12-固定化微生物，13-气体；

(9-1)-空气入口，(9-2)-电机，(9-3)-中空搅拌轴，(9-4)-通气孔，(9-5)-负压腔，(9-6)-搅拌桨，(9-7)-联轴器。

以下结合实施例对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

固定化细胞技术是指利用物理或化学手段将完整细胞定位于限定的空间区域并使其保持活性和能够反复使用的一种基础技术。固定化细胞技术创造的固定化环境对微生物细胞起保护作用，避免其他细菌和有毒物质等对细胞的侵害，以及人为对生物酶活性的破坏，加强了生化反应的稳定型，修复效果明显优于游离菌。其关键是筛选适宜的载体材料和确定优化的固定化工艺条件。

人工水草是一种新型人工合成材料接触氧化技术，用具有耐污、耐腐蚀、弹性、韧性和柔性都很强的材料仿照自然水草设计而成的仿生水草材料，是具有较大比表面积的载体。通过微生物自身的演替，在载体表面形成立体微生物生态系统，其表面大量的微生物物种和完善的食物网，使得微生物群落对有机污染物的代谢效率较高，脱氮除磷效果明显。

曝气充氧通过曝气设备向水体充氧以加速土著好氧微生物生物繁殖而加强水体自净能力。但在流动水体中微生物缺少载体，流失严重，使得曝气充氧修复效果差。

本发明通过设计综合装置，将三种技术结合，在克服传统修复方法缺陷的同时，充分发挥各工艺的性能，突出和优化了结合的效果，处理方式更具有综合性。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

遵从上述技术方案，如图1至图4所示，本实施例给出一种污染地表水体综合修复装置，包括固定架1，所述的固定架1中部安装有控制箱2，控制箱2四周的固定架1内对称安装有浮筒组3，每个浮筒组3顶部的固定架1上安装有太阳能电池板4，每个浮筒组3底部的固定架1上安装有生物箱5，生物箱5上均匀加工有多个边壁小孔6；

所述的控制箱2内安装有光伏控制器7，光伏控制器7将太阳能电池板4与蓄电池8连接在一起，蓄电池8为曝气机构9供电。

太阳能电池板4的尺寸为1200×1000×50mm，安装倾角为34.30度。

光伏控制器7是用于太阳能发电系统中，控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。光伏控制器7采用本领域常用的光伏控制器即可。

浮筒组3采用浮筒组成，浮筒为高密度实芯圆柱形泡沫浮筒，每个浮筒浮力能达120kg，每块太阳能电池板4下面安装三个浮筒。整个装置重量约为240kg，总重远小于浮筒的浮力。

本实施例中，作为一种优选情况，浮筒组3为矩阵式对称排列的四组，对应的太阳能电池板4共安装四块，太阳能电池板4在整个装置的最上面，通过吸收太阳光，将太阳辐射能转化为电能，由此带动曝气机构9运转，以增加水中的溶解氧。

固定化微生物12放置在生物箱5内，生物箱5的箱体由轻质材料制作，生物箱5侧方盖可打开，便于放置固定化微生物12。通过边壁小孔6，水体可以自由进出生物箱5，固定化微生物12载体无法通过，从而高效发挥微生物降解污染物的作用，对水体进行修复。

生物箱5的尺寸为600×600×300mm，作为一种优选，每个生物箱5上的边壁小孔6的个数为36。

固定化微生物12通过细胞包埋的方法固定，并使其在特定生物载体上生存。

生物箱5底部设置有悬挂架10，悬挂架10上悬挂有人工水草11。人工水草11为辫带式人工水草，充氧时管状直径可变，无堵塞。绑好之后可利用三年以上，无需专门打理。人工水草可根据具体的情况选择悬挂的条数和长度。生物箱5内逸出的微生物可被人工水草11富集，从而加强优势菌群的作用。

由于曝气的作用，使人工水草11能在充氧的环境中更好的挂膜，形成仿生系统，对水体进行净化。作为本实施例的优选，人工水草11的比表面积在2000m²/m³以上，每个生物箱下方悬挂四根人工水草11。

曝气机构9包括加工在控制箱2侧壁上的空气入口9-1，还包括安装在控制箱2内与蓄电池8相连的电机9-2，电机9-2与中空搅拌轴9-3的一端相连带动中空搅拌轴9-3转动，控制箱2内的中空搅拌轴9-3上加工有通气孔9-4，通气孔9-4与中空搅拌轴9-3的中空腔连通，中空搅拌轴9-3的另一端伸出控制箱2底部并且在端部连通有底端开放的负压腔9-5，中空搅拌轴9-3上还安装有能够使得负压腔9-5产生负压的搅拌桨9-6。

中空搅拌轴9-3为分段式结构，各段之间通过联轴器9-7相连。

负压腔9-5为喇叭状，便于形成负压环境和空气的排出。

本发明的装置使用时，将固定化微生物12装入生物箱5中，将整个装置漂浮在水中，太阳能电池板4将太阳能转换为电能存储在蓄电池8中，蓄电池8带动中空搅拌轴9-3转动，搅拌桨9-6的随之转动使得搅拌桨9-6的下方水体形成负压，进而使得负压腔9-5中形成负压，空气在负压的作用下从空气入口9-1中吸入至中空搅拌轴9-3的中空腔中，并从负压腔9-5中溢出，以增加水中的含氧量。固定化微生物12在生物箱5中生长繁殖，随着繁殖量的增加，有一部分微生物会从边壁小孔6中逸出，在人工水草11上富集，从而加强优势菌群的作用，提高微生物对污染水体的修复效果。

本发明针对污染地表水的特征和传统生物修复法的不足，将曝气技术、固定化细胞技术及人工水草技术结合，利用太阳能电池板供电进行曝气，设计了一种污染地表水体综合修复装置，有效的解决了微生物量不足，水生植物不易存活和难管理的问题，克服了单一生物修复的缺陷，适应性强，并且环保无能耗，修复效果显著。

下述实施例和对比例中的试验均在西安某一受污染的湖泊水中同时进行，湖水pH＝7.4，初始溶解氧浓度为0.7mg/L，总氮浓度为2.4mg/L，处于地表劣Ⅴ类水平，COD为35mg/L，总磷浓度为0.13mg/L，处于地表类Ⅴ类水平。

实施例2：

本实施例给出一种基于固定化细胞技术的污染地表水体综合修复方法，该方法采用如权利要求1所述的污染地表水体综合修复装置对污染地表水体进行修复，该方法具体包括以下步骤：

步骤一，基质溶液的制备：

配置基质溶液，所述的基质溶液中COD(化学需氧量)为500mg/L，氨氮浓度为20mg/L，磷酸盐浓度为10mg/L；基质溶液中COD的调配是通过常规的有机物进行调配的，只需要基质溶液中COD满足要求浓度即可。

步骤二，菌悬液的制备：

取待处理污染地表水当地污水厂的污泥混合液，本实例中所取混合液悬浮固体浓度为3000mg/L，将污泥混合液按30％的体积比例接种于含有步骤一制得的基质溶液的发酵罐中，加入营养物质，使得发酵罐中的酵母膏的浓度为50mg/L，发酵罐中的微量无机盐为(NH₄)₂SO4、KH₂PO4、MgSO4、FeSO₄和CaCl₂；

在30℃下恒温曝气驯化，每2～3天换一次水，检测COD、氨氮和总磷含量，当驯化出的菌种对COD、氨氮和总磷的降解能力均达到90％以上后，进行扩大培养，将菌种接入LB培养基(酵母膏5g/L，NaCl 10g/L，蛋白胨10g/L)，在发酵罐中30℃恒温曝气培养2d，将培养后的菌液静置沉淀24h，弃去上清液，用0.1mol/L磷酸盐缓冲液洗涤，同样静置沉淀后弃去上清液，使菌体悬浮于磷酸盐缓冲液中，形成菌悬液，菌悬液中的微生物含量为20×10¹¹～30×10¹¹个.mL^-1；

步骤三，微生物的包埋和固定：

配制浓度为4％的海藻酸钠溶液，作为包埋材料，待其彻底溶解后与步骤二制得的菌悬液等体积均匀混合。将混合液灌进长度约为30cm的丝瓜瓤内部，然后将其放入浓度为4％的CaCl₂溶液中交联18h。交联结束后，用无菌水冲洗丝瓜瓤，得到吸附有固定化微生物的丝瓜瓤；

步骤四，修复：

将步骤三得到的吸附有固定化微生物的丝瓜瓤装满生物箱，每个生物箱的下方挂4根人工水草，所述的人工水草的直径为5cm，长度为1.5m，然后将污染地表水体综合修复装置放入污染地表水体中悬浮，开启曝气机构，所述的曝气机构使得装置周围水体中溶解氧含量维持在4mg/L以上，转速一般控制在1500rpm，进行修复。

经过1个月的修复，对生物箱下方6m处水质进行检测，溶解氧浓度上升到4mg/L，总氮浓度为1.5mg/L，达到地表Ⅳ类标准，COD为20mg/L，总磷浓度为0.05mg/L，达到地表Ⅲ类标准。

实施例3：

本实施例给出一种基于固定化细胞技术的污染地表水体综合修复方法，该方法的过程步骤与实施例1相同，区别仅仅在于，在生物箱底部不悬挂人工水草。

经过1个月的修复，对生物箱下方6m处水质进行检测，溶解氧浓度为4.1mg/L，总氮浓度为1.3mg/L，COD为28mg/L，总磷浓度为0.07mg/L，与原水质相比有了较大改善，但改善效果不及实施例2，说明人工水草也促进了水质修复效果。

对比例1：

本对比例给出一种污染地表水体的修复方法，该方法其他步骤与实施例2相同，区别在于，本对比例中没有实施例2中的步骤一至步骤三的内容，仅将同等数量丝瓜瓤放入生物箱内，每个生物箱的下方挂4根人工水草，所述的人工水草的直径为5cm，长度为1.5m，然后将污染地表水体综合修复装置放入污染地表水体中悬浮，进行修复。

经过1个月的修复，对生物箱下方6m处水质进行检测，溶解氧浓度上升到3.7mg/L，总氮浓度为1.8mg/L，COD为25mg/L，总磷浓度为0.08mg/L，与原水质相比有了较大改善，但改善效果不及实施例，说明固定化微生物对水质修复有很强的促进作用。

对比例2：

本对比例给出一种污染地表水体的修复方法，该方法其他步骤与实施例2相同，区别在于，本对比例中没有实施例2中的步骤一至步骤三的内容，也不向生物箱中放入丝瓜瓤，生物箱的下方也不悬挂人工水草，然后将污染地表水体综合修复装置放入污染地表水体中悬浮，进行修复。

经过1个月的修复，对生物箱下方6m处水质进行检测，溶解氧浓度为3.8mg/L，总氮浓度为1.3mg/L，COD为30mg/L，总磷浓度为0.11mg/L，与原水质相比水质有所改善，但改善不及实施例2和3，说明曝气能一定程度修复水质，而固定化微生物和人工水草结合对水质改善效果明显。

对比例3：

本对比例给出一种污染地表水体的修复方法，该方法其他步骤与实施例2相同，区别在于，本对比例中没有实施例2中的步骤一至步骤三的内容，仅将同等数量丝瓜瓤放入生物箱内，生物箱的下方也不悬挂人工水草，然后将污染地表水体综合修复装置放入污染地表水体中悬浮，进行修复。

经过1个月的修复，对生物箱下方6m处水质进行检测，溶解氧浓度上升到4mg/L，总氮浓度为1.2mg/L，COD为28mg/L，总磷浓度为0.09mg/L，和对比例2相比，水质有所提高，说明丝瓜瓤的吸附特性对水质有改善作用，但改善较小。

对比例4：

本对比例给出一种污染地表水体的修复方法，该方法其他步骤与实施例2相同，区别在于，本对比例中没有实施例2中的步骤一至步骤三的内容，也不向生物箱中放入丝瓜瓤，仅仅在生物箱的下方悬挂人工水草，所述的人工水草的直径为5cm，长度为1.5m，然后将污染地表水体综合修复装置放入污染地表水体中悬浮，进行修复。

经过1个月的修复，对生物箱下方6m处水质进行检测，溶解氧浓度上升到4.1mg/L，总氮浓度为1.1mg/L，COD为24mg/L，总磷浓度为0.08mg/L。和对比例2相比，水质有所提高，但不及实施例2，说明了人工水草对水质修复有促进作用，也体现了固定化微生物对水的净化效果明显。

对比例5：

本对比例给出一种污染地表水体的修复方法，该方法其他步骤与实施例2相同，区别在于，本对比例中关掉搅拌桨，不向水体中进行曝气，不额外提高水中的氧含量。

经过1个月的修复发现，生物箱内的载体已经彻底解体，对装置6m处水质进行检测，溶解氧浓度为1.3mg/L，总氮浓度为1.2mg/L，COD为31mg/L，总磷浓度为0.08mg/L，和原水质相比有所改善，说明固定化微生物和人工水草能改善水质，但曝气起到很强的促进作用。