本发明涉及水处理
技术领域：
，尤其涉及一种微电生物浮基及基于其的生态床强化净化水体氮磷的方法。
背景技术：
：我国在全面推进生态文明建设体制政策的落实过程中，针对因农村面源、城市与厂矿点源污染的江河湖泊水体的治污与生态修复，国家出台了“水十条”，凸现我国江河湖泊水体污染治理与生态系统恢复是全国生态资源系统建设中的重要一环。目前就江河湖泊水体污染治理也已创新了许多技术、手段与方法：如发明专利“一种养殖污水的净化方法及基于该方法的生态浮床(ZL201310138547.3)”设计了在养殖污水的排水渠道内，依次设置生态浮床，表层净化区放置生物填料，中层放置一些滤食性鱼类，底层放置陶粒作为基质，上面种植沉水性植物，通过针对性的净化后达标排放。专利“用于护岸与水质净化的软体植物浮床(CN101190813)”公开了一种由盘状单体浮床为单元，组合式的人工水上栽培植物的器具，在其上可栽培一些湿生或两栖植物，构成一种可在水中漂浮的“浮床”，利用植物对湖泊、河流、沟渠等富营养化水体实现“生物净化”。专利“一种生态浮床及净化水体的方法(ZL201410649284.7)”公开的生态浮床包括种植篮、基质、水生植物和浮球，基质置于种植篮内，水生植物栽种在基质中，浮球设在种植篮外；基质由镁渣陶瓷滤球、膨润土颗粒和沸石组成，属于多孔状无机材料，能高效吸附水体中的有机物和部分无机物，且具有较强的微生物亲和性，提高微生物的挂膜效率；并使种植篮周期性的沉入水体中和浮在水面上，从而使基质交替处于好氧环境和缺氧环境中，有利于好氧微生物和厌氧微生物的生长繁殖，达到治污目的。而专利“一种适用于高泥沙大流速水体的生态浮床(CN101811778A)”公开了由两个浮床单元相互连接而成，所述浮床单元包括浮床固定杆、空心PVC管、消浪排和纱网，浮床固定杆将若干根空心PVC管水平排列固定形成浮排，浮排两端下方分别设有消浪排，浮排下方悬挂设有内部包裹含有空柱状聚氯乙稀波纹短管填料的纱网，纱网位于消浪排下方。专利“一种柔性生态浮床(CN101898833A)”公开了设有床体和栽培植物，床体设有上层淋膜编织布和下层淋膜编织布，在上层淋膜编织布与下层淋膜编织布之间设有双层气泡膜，在床体的四周沿边缘设有浮体袋，床体上设有用于栽培植物的栽培孔(或定植孔)，在栽培孔中栽培植物，在床体四周设固定环。上述两类专利可分类为生态治污技术和浮床建造技术，其中浮床漂浮技术虽与本发明有关，但不是本发明涉及与要求的核心技术范围。本发明的核心是生态治污技术，尽管上述已授权的生态治污技术专利，都比较好地仿真了自然生态系统的基本循环净化机理，取得了水体净化的良好效果，但在实践运行中凸现一严重不足：对水体中氮的净化效率仍然很低，使得河流湖泊水体达标艰难。究其原因：一是自然漂浮植物根系附近的水体环境是开放的，无法满足氨化菌、亚硝化菌、硝化菌高效生长与富集的不同环境条件，因此即使在植物根系增加了微生物挂膜基质，提高了微生物富集，但因水体中氮素的转化路径存在阻断，无法提高对氮的去除效率。二是漂浮植物根系在水体中能够下伸的深度有限，一般仅限于浅表层，所以江河湖泊、甚至养殖水体等的中下层水体污染无法采用上述专利技术实现净化。技术实现要素：本发明为了解决现有技术除氮效率难以提高的问题，提供一种微电生物浮基及其制备方法，该方法是将降解不同分子结构的氮素化合物的优势菌种与竹炭、生物质石墨烯按比例均混、再与海藻酸钠-碳酸钙包埋剂均混包埋，置该均混包埋物于半球型造孔模具内、再将该模具缓入氯化钙交联液体中，脱模后继续交联10h，得到能够传递电子的半球型多孔微电生物浮基；该微电生物浮基在利用氮降解优势菌组高效降解去除水体中氮的同时，还为MFC(微生物燃料电池)强化去除水体中亚硝态氮提供了良好的导电载体。本发明同时提供基于微电生物浮基的生态床强化净化水体氮磷的方法，该方法以布置在水体浅表层的MFC生态浮床为载体、将上述微电生物浮基置于该生态床下方的导电网内、与导电网相连接的多条导电线能够延伸至水体中下层、美人蕉与菖蒲等植物根系分布于微电生物浮基间，通过植物根系、优势脱氮微生物组与MFC微电脱氮技术的有效结合，能够更加有效地实施本发明方法提高脱氮除磷的效率。本发明解决技术问题，采用如下技术方案：一种微电生物浮基的制备方法，其特点是按如下步骤进行：(1)富集、分离培养筛选出氨化、硝化、反硝化过程的优势菌种：克雷白氏杆菌、β-变形菌门亚硝化单胞菌、奥克西托克雷白杆菌和地衣芽孢杆菌；(2)将各优势菌种按质量比1:1:1:1配制成混合菌泥，再与过100目筛的竹炭、生物质石墨烯按质量比1～2:2:1均混配制成菌炭烯混合物；所述竹炭为多孔生物炭；(3)将所述菌炭烯混合物与融化冷却至35℃的海藻酸钠-碳酸钙包埋溶液经130r/min搅拌15分钟，制备出均混的菌炭烯包埋物；在所述菌炭烯包埋物中，菌炭烯混合物与海藻酸钠的质量比为1:1；在所述海藻酸钠-碳酸钙包埋溶液中海藻酸钠的质量浓度为1％，碳酸钙与海藻酸钠的质量比为3:100；(4)将所述菌炭烯包埋物注入半球型造孔模具内，移动所述模具缓入氯化钙交联溶液中，2h后在所述交联溶液中倒翻并震动模具以脱落包埋物，移去模具并将浸入所述交联溶液中的半球型包埋物送入4℃冷藏室内继续固化10h，制得半球型多孔微电生物浮基；所述氯化钙交联溶液的质量浓度为3％、pH＝7。所述半球型造孔模具是在半球形模具的内表面分布有多个垂直向上的短柱。本发明进一步公开了上述制备方法所制备的微电生物浮基。本发明同时提供了基于上述微电生物浮基的生态床强化净化水体氮磷的方法，其特点在于：MFC生态浮床漂浮在水体浅表层，所述MFC生态浮床由MFC与供栽培植物的浮床有机组成；所述MFC为微生物燃料电池；在所述浮床下方固定有导电网，且所述导电网通过导电连接线与所述MFC的阳极室相连接；在所述导电网内放置有若干个微电生物浮基；在所述浮床上设有植物栽培穴；强去除氮磷的优势水生或湿生植物(如美人蕉、菖蒲等)栽培于所述植物栽培穴中，且植物根系深入到导电网内并包裹所述微电生物浮基；所述导电网的底部通过导电线延伸至水体中下层；所述导电线和导电网为柔性纤细的石墨烯塑线或钢线。位于水体浅表层的微电生物浮基利用包埋的氮素降解优势菌在兼氧、厌氧环境下分解水体中的有机氮、氨氮与无机氮，降解产出的氨盐、硝酸盐与水体中溶解磷有机活化，强化分布于微电生物浮基中的植物根系的吸收利用；同时所述微电生物浮基中的多孔竹炭既利于微生物挂膜、又为微生物生长代谢补充碳源。所述MFC释放的电子经由导电连接线、导电网、微电生物浮基和导电线传输至浅水层与水体中下层，将水体中厌氧环境下亚硝酸菌产出的有害亚硝酸盐转化为挥发性氮气。与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：1、本发明的微电生物浮基通过包埋生物炭，为厌氧微生物生长提供了良好的厌氧环境和代谢碳源，增加了微生物活性与挂膜富集效率，有效地防止了植物根系微生物的随水流失，强化了水体中氮污染物的氨化、硝化与反硝化过程，有效提高了水体中氮磷的去除效率。实验结果显示本发明方法对总氮去除率高于现有技术8～15％、约达到95％，对氨氮去除率高于现有技术约10％、达到98％以上；对磷去除率高于现有技术约18％、达到85％以上。2、本发明方法有机融合MFC微电脱氮技术，通过导电网及其网内微电生物浮基传输由MFC阳极室释放出的电子，使得植物根系附近浅水区中的亚硝酸盐被还原成氮气；同时通过与导电网连接的导电线将电子传输至水体中下层，能有效地将中下层水体中的亚硝酸盐还原成氮气，这是现有技术无法实现的；对亚硝酸盐的去除率高于现有技术约50％、达到98％以上。亚硝酸盐对水体中鱼虾等水生生物有毒害性，因此本发明方法实施于水产养殖水体能够同时提供环境效益和经济效益，明显优于现有技术。附图说明图1为基于本发明的微电生物浮基的生态床强化净化水体中氮磷的实施方式示意图；图中标号：1为浮床、2为植物栽培穴、3为MFC的盐桥、4为MFC的阳极室、5为导电线、6为导电连接线、7为微电生物浮基、8为导电网。具体实施方式实施例1本实施例首先按如下步骤制备微电生物浮基：在各类不同组分的培养基中接种相应的污水、污泥或土壤混合液，培养后分离菌落于对应的分离培养基中，后经扩增、富集、分离筛选出氨化、硝化、反硝化过程的优势菌种：克雷白氏杆菌、β-变形菌门亚硝化单胞菌、奥克西托克雷白杆菌和地衣芽孢杆菌。将多孔竹炭加工成细颗粒，分别将细颗粒竹炭、生物质石墨烯过100目筛，过筛的竹炭、石墨烯经去离子水洗净烘干；将上述四种优势菌种按质量比1:1:1:1配制成混合菌泥，再将混合菌泥、竹炭、生物质石墨烯分别按质量比1:2:1、1.5:2:1均混配制成菌炭烯混合物。将碳酸钙与海藻酸钠按质量比3:100混合后，置入加热釜中加热、加水并搅拌，完全溶解海藻酸钠后，在将其冷却至35℃制得海藻酸钠浓度为1％的海藻酸钠-碳酸钙包埋溶液；将上述菌炭烯混合物与海藻酸钠-碳酸钙包埋溶液(35℃)经130r/min搅拌15分钟，制备出均混的菌炭烯包埋物。将上述菌炭烯包埋物注入半球型造孔模具内，移动该模具缓入pH＝7、质量浓度为3％的氯化钙交联溶液中，2h后在该交联溶液中倒翻并震动模具以脱落包埋物，移去模具并将浸入氯化钙交联溶液中的半球型包埋物送入4℃冷藏室内继续交联固化10h后，制得半球型多孔微电生物浮基；该半球型造孔模具是直径为2cm的半球，半球内表面上分布有多个垂直向上的短柱。所得微电生物浮基产品基于石墨烯导电、基于多孔竹炭为所包埋的厌氧兼氧优势微生物组补充碳源，基于优势微生物组强化净化水体中氮磷。具体实施中，如图1所示，基于上述微电生物浮基的生态床强化净化水体氮磷的方法，分为水体浅表层氮磷的强化去除和水体中下层亚硝态氮的强化去除。在水体浅表层以漂浮布置的MFC生态浮床为载体，MFC生态浮床由MFC(微生物燃料电池)与供栽培植物的浮床1有机组成。在浮床1下方固定有导电网8，且导电网8通过导电连接线6与MFC的阳极室4相连接；在导电网内放置有若干个半球型微电生物浮基7；在浮床1上设有植物栽培穴2，美人蕉、菖蒲、黄花菜、千屈菜等植物栽培于植物栽培穴2中，且植物根系深入到导电网8内并包裹微电生物浮基7；导电网8的底部通过导电线5延伸至水体中下层；位于水体浅表层的微电生物浮基7利用包埋的氮素降解优势菌在兼氧、厌氧环境下分解水体中的有机氮、氨氮与无机氮，降解产出的氨盐、硝酸盐与水体中溶解磷有机活化，有效提高了植物根系对氮磷的吸收利用率，同时微电生物浮基7中的多孔竹炭既利于微生物挂膜、创造优良的厌氧环境，又为微生物生长代谢补充碳源，强化了微生物活性。在MFC的阳极室4注入葡萄糖、葡萄糖与有机污泥混合物、或葡萄糖与植物秸杆颗粒混合物，在厌氧环境下产电微生物发酵分解底物产出甲烷、二氧化碳的过程中释放电子，电子经导电连接线6传输至导电网8与微电生物浮基7，此时附近水体中厌氧环境下亚硝酸菌产出的亚硝酸盐获得电子被还原成挥发性的氮气。由此可见，包埋优势微生物组的微电生物浮基7、MFC脱氮技术与喜氮磷植物的有机协同作用，有效强化提高了浅表层水体中氮磷的去除效率。在水体中下层分布多条与导电网8相连接的导电线5，MFC阳极室4释放的电子经导电网8传输至导电线5，此时位于导电线5周围水体中的亚硝酸盐获得电子被还原成挥发性的氮气，实现了对中下层水体中有害的亚硝酸盐的强化去除。实验结果显示本发明方法对总氮去除率高于现有技术8～15％、约达到95％，对氨氮去除率高于现有技术约10％、达到98％以上，对磷去除率高于现有技术约18％、达到85％以上，对亚硝酸盐的去除率高于现有技术约50％、达到98％以上。具体实验如下：实验1以70％南淝河水经调配获得实验用水水质，各指标如表1.1所示：表1.1实验水质(mg/L)指标总磷总氮溶解氧氨氮硝酸盐亚硝酸盐水质1.8512.02.910.30.90.027实验经过微生物驯化、反应器水体自然波动模拟、以及在气温20℃以上的光照充足条件下，以质量比1.5:2:1的菌炭烯微电生物浮基与湿生植物美人蕉、黄花菜组构生态浮床，对有或无微电生物浮基+MFC装置的两组不同生态浮床(即美人蕉与黄花菜生态浮床A与基于本发明的微电生物浮基的生态浮床B)实验系统进行连续17天运行，获得对比实验结果如表1.2。表1.2两组不同浮床对氮磷的去除率(％)实验2经人工配置的实验用水水质，各指标如表2.1所示：表2.1实验水质(mg/L)指标总氮氨氮总磷水质9.989.352.96实验经过微生物驯化、反应器水体自然流动、以及在气温20℃以上的光照充足条件下，以质量比1:2:1的菌炭烯微电生物浮基与湿生植物美人蕉、菖蒲组构生态浮床，对有或无微电生物浮基+MFC装置的两组不同生态浮床(即美人蕉与菖蒲生态浮床A与基于本发明的微电生物浮基生态浮床B)实验系统进行HRT＝5d状态下连续运行10天，获得对比实验结果如表2.2。表2.2两组不同浮床对氮磷的去除率(％)以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 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