用于黑臭河道底泥矿化的微生物固定化载体的制作方法

本实用新型涉及城市河道治理技术领域，具体涉及一种用于黑臭河道底泥矿化的微生物固定化载体。

背景技术：

底泥是河湖的沉积物，是自然水域的重要组成部分。当水域受到污染后，水中部分污染物可通过沉淀或颗粒物吸附而蓄存在底泥中，适当条件下重新释放，成为二次污染源,这种污染称为底泥污染。

目前，底泥污染的控制技术主要为底泥氧化、底泥疏浚和底泥封闭三大类，但投入费用较高，对水体的生态环境容易造成破坏。随着环境生物修复技术的发展，采用生物强化手段修复城市河道，已逐渐得到应用。该技术通过物理、化学或生物方法，提高水体中土著微生物的新陈代谢能力，从而有效地降解污染物，使河道重新恢复到良性的生态体系，对环境不会形成二次污染，费用较低，更加适用于大面积水体的修复治理。

对于城市河道较浅的水体，往往在底泥表层形成一层生物膜，表层2cm左右的底泥一般呈好氧状态，以下呈厌氧状态。进入河道的有机污染物，易降解部分能够在上覆水中较快地被降解和转化，而难降解的有机物则沉积在底泥表层。在表层底泥的好氧环境中含氮、磷有机物可以被微生物矿化，进一步氨氮被转化为硝酸盐和亚硝酸盐，同时微生物利用磷合成新的细胞。在深层底泥的厌氧环境中，有机物将被厌氧分解产生有机酸、甲烷、二氧化碳和氨等，有机酸逐渐扩散到上层，甲烷、氨等还原性气体及二氧化碳也向上迁移或释放到水体中，被表层底泥或水体中的溶解氧氧化。因此，底泥表层的微生物在河道污染物降解和转化过程中发挥了重要作用，也是河道水体自净的不容忽视的组成部分，提高河道底泥中微生物的新陈代谢能力将有助于水体的生物修复效率。

技术实现要素：

基于本领域存在的上述问题及河道底泥污染治理的需求，本实用新型提供了一种稳定、可靠、适用性强的用于河道底泥矿化的微生物固定化载体。

本实用新型的技术方案如下：

用于黑臭河道底泥矿化的微生物固定化载体，包括吸附载体球；所述吸附载体球包括：空心多孔容器和可使微生物附着生长的吸附载体；所述吸附载体置于所述空心多孔容器内，且吸附载体大于所述空心多孔容器的孔径。

用于黑臭河道底泥矿化的微生物固定化载体，还包括功能微生物；所述功能微生物附着在所述吸附载体球上；所述功能微生物指筛选自河道底泥的土著微生物；具体指：从原位筛选得到的高效降解有机物的有益微生物，如枯草芽孢杆菌，短小芽孢杆菌，巨大芽孢杆菌，地衣芽孢杆菌等降解菌。

所述吸附载体球的吸附载体选自：由火山岩、沸石、麦饭石、陶粒组成的组；

优选地，吸附载体a，吸附载体b和吸附载体c分别位于空心多孔容器内的底层、中层和顶层；所述吸附载体a为麦饭石，其所在底层的高度为空心多孔容器高度的三分之一、吸附载体b为沸石和陶粒按重量比例1:1的混合物，其所在中层的高度为空心多孔容器高度的三分之一、吸附载体c为火山岩，其所在顶层的高度为空心多孔容器高度的三分之一。

优选地，所述吸附载体包括吸附载体a，和/或，吸附载体b，和/或，吸附载体c，吸附载体a为平均粒径在2cm-5cm、密度在2.0g/cm³-2.4g/cm³的吸附载体；吸附载体b为平均粒径在1cm-2cm、密度在1.1g/cm³-2.3g/cm³的吸附载体；吸附载体c为平均粒径在2cm-5cm、密度在1.1g/cm³-2.7g/cm³的吸附载体；吸附载体a占空心多孔容器体积的20％-100％，吸附载体b占空心多孔容器体积的30％-40％，吸附载体c占空心多孔容器体积的30％-100％

所述吸附载体球的空心多孔容器为直径60-150mm的聚丙烯空心多孔容器。

用于河道底泥矿化的微生物固定化载体的制备方法，其特征在于，包括：吸附载体球的制备：将可使微生物附着的吸附载体置于空心多孔容器内，制成吸附载体球；所述吸附载体的大小大于所述空心多孔容器的孔径；所述吸附载体包括吸附载体a，和/或，吸附载体b，和/或，吸附载体c，吸附载体a为平均粒径在2cm-5cm、密度在2.0g/cm³-2.4g/cm³的吸附载体；吸附载体b为平均粒径在1cm-2cm、密度在1.1g/cm³-2.3g/cm³的吸附载体；吸附载体c为平均粒径在2cm-5cm、密度在1.1g/cm³-2.7g/cm³的吸附载体；吸附载体a占空心多孔容器体积的20％-100％，吸附载体b占空心多孔容器体积的30％-40％，吸附载体c占空心多孔容器体积的30％-100％。

所述的制备方法，还包括：将筛选自河道底泥的土著微生物发酵并制成液态菌剂，并将所述吸附载体球置于所述液体菌剂中培养。

所述液态菌剂中微生物的浓度为10⁷-10¹⁰cfu/ml；所述培养指：37℃继续培养18-24h。

所述吸附载体球的空心多孔容器的材质选自聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯；

优选地，所述空心多孔容器的材质为聚丙烯；

优选地，所述空心多孔容器的直径为60-150mm，所述空心多孔容器的孔径为0.1cm-2cm。

优选地，所述吸附载体球的吸附载体选自火山岩、沸石、麦饭石和陶粒中的一种或多种。

优选地，所述土著微生物为从原位筛选得到的高效降解有机物的有益微生物，如枯草芽孢杆菌，短小芽孢杆菌，巨大芽孢杆菌，地衣芽孢杆菌等降解菌。

一种矿化河道底泥的方法，包括：将述的微生物固定化载体，和/或，采用所述制备方法制备得到的微生物固定化载体置于河道内。

所述的方法，还包括：通过网袋将所述微生物固定化载体固定在河道底部。

河道底泥/水体黑臭的原因在于：随河道污染浓度的增加，导致大量微生物繁殖，微生物代谢过程中会大量消耗水中氧气。同时，由于有机污染破坏了水体原有的生态系统，水质透明度差，水生植物无法生长，最终导致水中的溶解氧下降，当溶解氧下降到一个过低水平时，为厌氧菌创造了生存条件，产生了硫化氢、胺、氨等有异味、易挥发物质，最终导致臭味。厌氧条件下，会形成硫化亚铁和硫化锰等黑色物质，加上底泥中产生的甲烷、氨气、硫化氢等气体的溶解度低，在上升过程中携带含有黑色物质的污泥漂浮于水面，使水体发黑。

本实用新型微生物固定化载体矿化河道底泥的作用原理在于：水体底泥主要由粘土、泥沙、有机物及微生物组成，经过长时间水体传输、物理、化学、生物等作用沉积于水体底部，导致水体黑臭的原因是有机污泥沉积+厌氧发酵。随污染浓度的增加，导致大量微生物繁殖，微生物代谢过程中会大量消耗水中氧气。同时，由于有机污染破坏了水体原有的生态系统，水质透明度差，水生植物无法生长，最终导致水中的溶解氧就溶解氧下降，当溶解氧下降到一个过低水平时，为厌氧菌创造了生存条件，产生了产生硫化氢、胺、氨等有异味、易挥发物质，最终导致臭味。厌氧条件下，会形成硫化亚铁和硫化锰等黑色物质，加上底泥中产生的甲烷、氮气、硫化氢等气体，溶解度低，在上升过程中携带含有黑色物质的污泥漂浮于水面，使水体发黑。底泥矿化就是底泥黑臭的逆反应，功能微生物在适当的条件下抑制厌氧菌的生长，快速代谢有机物，将有机物变为无机物，视为矿化。无机物成为水生植物生长的营养，从而协同减少底泥。同理抑制底泥增长，逐渐降解底泥。

为了防止河道有益微生物被流水冲走，稳定河道底泥有益微生物菌群结构，最大程度的消解底泥中的有机污染物，并使其降解为小分子的无机物，利于植物的吸收。针对河道流动性的特征，本实用新型的微生物固定化载体有效防止河道底泥变黑变臭，减缓底泥增长速度。

附图说明

图1为本实用新型微生物固定化载体的结构示意图；

图2为本实用新型微生物固定化载体的剖面图；

其中，1-功能微生物、2-空心多孔容器、3-吸附载体、21-盖子、22-卡扣、31-吸附载体a、32-吸附载体b、33-吸附载体c

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明，下述实施例只是说明性的，并不限制本实用新型保护范围。

生物材料的来源

本实用新型所用功能微生物筛：枯草芽孢杆菌，短小芽孢杆菌，巨大芽孢杆菌，地衣芽孢杆菌，均可商购获得。

第1组实施例、本实用新型的微生物固定化载体

本组实施例提供一种用于河道底泥矿化的微生物固定化载体，包括吸附载体球；所述吸附载体球包括：空心多孔容器和可使微生物附着生长的吸附载体；所述空心多孔容器为空心的容器状结构，所述容器壁上设有数个通孔；所述吸附载体置于所述空心多孔容器内，且吸附载体大于所述空心多孔容器的通孔孔径。

采用上述三种不同粒径、密度的吸附载体的组合可使吸附载体球内的比表面积最大化，从而为微生物提供最佳生长场所，微生物能以最佳状态生长繁殖并稳定发挥功能，同时又能保证吸附载体球的比重稳定，长期稳定处于河道底部与河道底泥稳定充分地接触，不易被水流冲走，从以上两个方面确保了本实用新型的微生物固定化载体对河道底泥发挥长期稳定有效的矿化作用，能使经处理的河道底泥的总氮、总磷含量整体下降40％以上。

在具体的实施例中，所述吸附载体球的吸附载体a、b、c选自：由火山岩、沸石、麦饭石、陶粒组成的组。优选地，如图2所示，吸附载体3包括三种类型：吸附载体a31，吸附载体b32和吸附载体c33分别位于空心多孔容器2内的底层、中层和顶层；所述吸附载体a为麦饭石，其所在底层的高度为空心多孔容器高度的三分之一；吸附载体b为沸石和陶粒按重量比例1:1的混合物，其所在中层的高度为空心多孔容器高度的三分之一；吸附载体c为火山岩，其所在顶层的高度为空心多孔容器高度的三分之一。这种优选的吸附载体类型的组合及其所在各层在空心多孔容器内的高度占比形成的吸附载体球内载体结构能提供最大的比表面积，为进行底泥矿化的功能微生物提供最适宜、大小最合适的生长场所，同时符合重量要求，保证长期稳定固定于河底底泥中，不受水流影响，使吸附载体球在河道底泥中长时间发挥矿化作用，在治理周期内(一般为90天)使河道底泥中的总氮和总磷含量分别降低45％和48％以上，以达到去除底泥黑、臭的目的。

本发明的吸附载体球即可构成本发明的微生物固定化载体，如果人为地额外在所述吸附载体球上添加微生物，可增大底泥矿化效率。事实上单靠自然微生物富集对河道底泥进行矿化处理也可以，但这种自然状态下的微生物富集不稳定，微生物易流失，底泥处理效率低，处理效果不理想。空心多孔容器内盛装的各类载体按不同的粒径、密度形成上中下层结构，并占据一定的空间比例，可使整个球体的比重稳定大于水的浮力，使球体常年稳定地沉于河底，与底泥接触，稳定地发挥作用。

在进一步的实施例中，所述的用于河道底泥矿化的微生物固定化载体还包括功能微生物；所述功能微生物附着在所述吸附载体球上；所述功能微生物指筛选自河道底泥的土著微生物；具体指：枯草芽孢杆菌，短小芽孢杆菌、巨大芽孢杆菌，地衣芽孢杆菌。

更具体地，所述吸附载体球的吸附载体还可仅由2种吸附载体构成，例如，沸石或麦饭石或陶粒(吸附载体a)：火山岩(吸附载体b)，二者的重量比例为0％-20％:100％-80％，这种吸附载体类型组合及其各自的重量比例同样能达到常年稳定沉于河底与底泥接触，不被水流冲走，稳定发挥作用的效果。

在另一些实施例中，所述吸附载体球的空心多孔容器可以是空心多孔球，所述空心多孔球为两个对称的空心半球体结构，合上后可形成完整的球体，两个半球体开口处设有卡扣，可使合上后的两个半球体卡合连接；如图2所示，空心多孔容器2也可以是顶部设有盖子21的空心球体结构，盖子处设有卡扣22，同时球体内部横向设有2层可拆卸的隔板，用于将球体内部分成底层、中层和上层，位置较低的隔板用于放置吸附载体b，其距离球体底部的高度为整个球体高度的三分之一，位置较高的隔板用于放置吸附载体c，其距离球体底部的高度为整个球体高度的三分之二；位置较低的隔板与球体底部之间的空间用于放置吸附载体a。空心多孔容器也可以是空心的立方体结构，顶部设有盖子，盖子处设有卡扣，或者由两个对称的半立方体结构，二者合上后形成完整的立方体，两个半立方体开口处设有卡扣，可使合上后的两个半立方体卡合连接。空心多孔球为直径60-150mm的聚丙烯多孔球；空心多孔容器上的孔径为0.1cm-2cm。

优选地，所述吸附载体包括吸附载体a，和/或，吸附载体b，和/或，吸附载体c，吸附载体a为平均粒径在2cm-5cm、密度在2.0g/cm³-2.4g/cm³的吸附载体；吸附载体b为平均粒径在1cm-2cm、密度在1.1g/cm³-2.3g/cm³的吸附载体；吸附载体c为平均粒径在2cm-5cm、密度在1.1g/cm³-2.7g/cm³的吸附载体；吸附载体a占空心多孔容器体积的20％-100％，吸附载体b占空心多孔容器体积的30％-40％，吸附载体c占空心多孔容器体积的30％-100％。

第2组实施例本实用新型用于河道底泥矿化的微生物固定化载体的制备方法

本组实施例提供一种用于河道底泥矿化的微生物固定化载体的制备方法，本组实施例都具备如下共同特征：

所述用于河道底泥矿化的微生物固定化载体的制备方法，包括：

吸附载体球的制备：将可使微生物附着的吸附载体置于空心多孔容器内，制成吸附载体球；所述吸附载体的大小大于所述空心多孔容器的孔径。空心多孔容器可以是空心多孔球，所述空心多孔球为两个对称的空心半球体结构，合上后可形成完整的球体，两个半球体开口处设有卡扣，可使合上后的两个半球体卡合连接。吸附载体具有较大的比表面积，为微生物提供栖息环境，吸附载体可为块状、颗粒状等形式。

在进一步的实施例中，所述制备方法还包括：将筛选自河道底泥的土著微生物发酵并制成液态菌剂，并将所述吸附载体球置于所述液体菌剂中培养。

在具体的实施例中，所述空心多孔容器的材质选自聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚氯乙烯(pvc)、聚四氟乙烯(ptfe)；或者其他便宜易购得的塑料材质。

优选地，所述空心多孔容器的材质为聚丙烯。

所述空心多孔容器的直径为60-150mm，采用这一直径的好处在于大小合适，既能装下足够的吸附载体，组装简单，又可使悬浮球的体积不至于过大从而导致成本太高。所述空心多孔容器的孔径为0.1cm-2cm。

所述吸附载体的粒径大于所述空心多孔容器的孔径，防止载体漏出。

所述吸附载体为火山岩、沸石、麦饭石或陶粒中的一种或多种组合物。

所述微生物为筛选得到的土著功能微生物，所述微生物为枯草芽孢杆菌，短小芽孢杆菌，地衣芽孢杆菌等降解菌。所述液态菌剂的浓度为10⁷-10¹⁰cfu/ml。此浓度为原始菌种发酵的普遍浓度，原则上越高越好，如果浓度太低，会导致菌剂对污染物的降解速度跟不上污染物日常积累的速度，菌的生物量不足以达到降解污染物的效果。

附着在载体上的功能微生物：枯草芽孢杆菌，短小芽孢杆菌，巨大芽孢杆菌，地衣芽孢杆菌均可商购获得。在制成液态菌剂的过程中，这几类菌之间的配比如下：每种菌单独培养，制成液态菌剂。将各菌剂以枯草芽孢杆菌剂10％-20％，短小芽孢杆菌剂20％-40％，巨大芽孢杆菌菌剂20％-30％，地衣芽孢杆菌菌剂20％-40％的比例制成混合菌液，将吸附载体球置于混合菌液中，37℃继续培养18-24h，制成本实用新型附着有微生物的微生物固定化载体。

所述培养指：30℃-40℃下培养15-38小时，上述培养温度和培养时间是常规的细菌培养条件，可根据不同微生物的特性决定，尤其是微生物的浓度，一般而言，使微生物处于对数生长期即可，不同微生物的培养条件是不一样的，本实用新型的微生物优选37℃培养18-24h。

第三组实施例本实用新型河道底泥矿化的方法

本组实施例提供本实用新型的河道底泥矿化方法，将第1组实施例所述的用于河道底泥矿化的微生物固定化载体、和/或，第2组实施例任一所述制备方法制备的微生物固定化载体置于河道内。微生物固定化载体由于重力作用，会沉在河道底部；

在具体的实施例中，必要时可通过网袋将所述微生物固定化载体固定在河道底部。

载体上吸附的功能微生物会逐渐释放，并在底泥周边进行繁殖，利用底泥及其周围的有机污染物进行生长繁殖。

在进一步的实施例中，还可结合必要的曝气和种植水生植物进行河道底泥矿化；即：用曝气机对河道底泥进行曝气，并在河道底泥中种植水生植物，使河道形成健康的生态系统，污染物质经过微生物降解成为无机物，被植物吸收从而转移。

本实用新型的微生物固定化载体可以使用3-5年，置于河道底部后，一般不需要更换。由于本实用新型的吸附载体球是塑料材质，比较难降解，但同时塑料又是一种稳定物质，不会对河道产生额外的污染，长期置于河底，可能会存在由于破损等原因个别漂浮在河面的情况，该情况可以通过日常河道维护将破损的吸附载体球作为垃圾去除。除了上述情况外，一般不需要将位于河道底部的吸附载体球清除，因为其内的微生物群落已经形成了稳定的生态系统，利于长期保持。

一般而言，每平方米的河道面积投放本实用新型的微生物固定化载体10-40个即可达到本实用新型的预期效果。

在最具体的实施例中，所述微生物固定化载体的结构如图1所示，包括：1功能微生物、2空心多孔容器(材质：聚丙烯，直径60-150mm)、3吸附载体(材质：火山岩或沸石或麦饭石或陶粒等一种或多种组合)。

其制备方法为：

1、首先将吸附载体3置于空心多孔容器2内，确保载体体积大于空心多孔容器的孔径，防止载体漏出。制成吸附载体球。

2、将筛选得到的功能性有益微生物经发酵后制成液态菌剂，浓度为10⁷-10¹⁰cfu/ml。

3、将吸附载体球置于液态菌剂中，37℃继续培养18-24h，制成微生物固定化载体。

使用时将微生物固定化载体直接置于河道内，微生物固定化载体由于重力作用，会沉在河道底部，必要时可通过网袋固定在河道底部并配有曝气装置。载体上吸附的功能微生物会逐渐释放，并在底泥周边进行繁殖，利用底泥及其周围的有机污染物进行生长繁殖。

通过效果验证，采用本实用新型治理的河道区域，2个月后，河道底泥由原来的黑色粘稠状变为棕黄色颗粒状，臭味已完全消失。

本实用新型可有效抑制当前城市河道面临的底泥增长快，黑臭恶化速度快的问题。

实验例本实用新型微生物固定化载体的效果验证

河南省新乡市延津县袁庄月牙河，河道底泥为黑色粘稠状，具有臭味。

将本实用新型的微生物固定化载体用于河道区域的治理，2个月后河道底泥由原来的黑色粘稠状变为棕黄色颗粒状，臭味已完全消失。河道底泥中的总磷和总氮是导致河道黑、臭的主要原因。

治理前，底泥中总磷含量13.06mg/kg，总氮含量28.47mg/kg。治理90天后，底泥中总磷含量降为7.13mg/kg，总氮的含量降为14.74mg/kg。