一种以制乙醇秸秆废渣固定化聚磷菌处理黑臭水体的方法与流程

本发明涉及水污染控制技术领域，具体涉及一种以制乙醇秸秆废渣固定化聚磷菌处理黑臭水体的方法。

背景技术：

近年来，随着城市化进程的加速和社会经济的飞速发展，污水和废水排放量迅速增加，加之城市内河多水动力不足、纳污能力低，极易发生黑臭，导致河流生态系统遭受毁灭性破坏。碳源有机物污染使水体严重缺氧，黑臭、甚至使水生生物灭绝，而氮、磷等营养盐物质致使闭锁的城市内河水域富营养化，其结果恶化了城市内河水环境，危害了整个城市的生活环境。

城市黑臭水体给出了明确定义。一是明确范围为城市建成区内的水体，也就是居民身边的黑臭水体；二是从“黑”和“臭”两个方面界定，即呈现令人不悦的颜色和散发令人不适气味的水体，以百姓的感观判断为主要依据。从现实情况看，城市黑臭水体很多是流动性差甚至封闭的水体、断头浜等。水体黑臭的主要原因往往是水体自净能力降低，有机污染物排入水体，微生物好氧分解使水体中耗氧速率大于复氧速率，溶解氧逐渐被消耗殆尽，造成水体缺氧。在缺氧水体中，有机污染物被厌氧分解，产生不同类型的黑臭类物质，呈现水体黑臭。有些黑臭物质阈值很低，微量即可产生强烈黑臭。一般将透明度低于25厘米、溶解氧低于2毫克/升、氧化还原电位-200到50毫伏，氨氮指标不高于8毫克/升，可视为轻度黑臭；透明度低于10厘米、溶解氧低于0.2毫克/升、氧化还原电位低于-200毫伏、氨氮指标高于15毫克/升，可视为重度黑臭。重度黑臭水体是环境污染修复的难点和重点。

目前使用的较多的修复黑臭水体的技术方法包括投加化学净水剂，引入外加菌种以及种植水生植物等方法。投加化学净水剂可以快速的降低水体里的磷含量，但是会产生无机沉淀物，导致底泥状态恶化，产生二次污染，而且对氮没有作用；引入外加菌种可以增加水体里脱氮除磷微生物的数量，但存在外来菌种对水体的适应和外来物种长期安全性的风险，而且成本较高，每平米水体外加菌种的费用在1–2元；种植具有脱氮除磷作用的水生植物可以吸收利用水体中的氮磷，但是生长周期较长，并且需要及时收割，人工费用较高，作用有限。

本发明首先在市政污水厂的活性污泥中筛选出具有脱氮除磷的土著微生物，用黑臭水体的污水作为主要的碳源与能量，再加入其他菌种生长所需的营养元素，通过驯化得到来自本土环境中的具有脱氮除磷的聚磷菌株。而后将该菌株固定于价廉易得的制乙醇秸秆废渣上，形成稳定的微生物包埋结构，投加与水中，可防止微生物流失造成的活性损失和对水体的二次污染，同时脱氮除磷，消除水体中的富营养化因子，起到净化水体，恢复水体自净能力和生态功能的作用。

技术实现要素：

本发明是鉴于现有技术中存在的上述问题而做出的，本发明的目的在于提供一种可用于城市黑臭水体高效修复技术。

为了实现上述目的，本发明提供一种以制乙醇秸秆废渣固定化聚磷菌处理黑臭水体的方法，其特征在于包括如下步骤：

1)将制乙醇秸秆废渣以亚临界水进行处理，以提高其孔隙率和比表面积；

2)提取活性污泥进行培养和驯化，获得高活性的反硝化聚磷菌群；

3)用步骤1)获得的制乙醇秸秆废渣吸附步骤2)获得的反硝化聚磷菌；

4)以聚乙烯醇水溶液对步骤3)获得的吸附反硝化聚磷菌的制乙醇秸秆废渣进行覆盖；

5)将步骤4)获得的制乙醇秸秆废渣分散于笼箱内，置于待处理河道中；以及任选地

6)连续处理一段时间后，将网笼捞出冲洗，去除固定化微生物球表面的过量富磷菌体后，再次循环使用。

本发明中所述的循环使用是指重复步骤3)-5)的吸附、覆盖及水体处理步骤。

在一个具体实施方案中，步骤1)中制乙醇秸秆废渣的亚临界水处理如下进行：取秸秆制乙醇废渣10g，置于含有80mL去离子水的高压反应釜中，冲氮气至10Mpa，以10℃min^-1升高釜内温度至350℃，保持3h后降温至室温，开启高压反应釜，取出处理后的废渣，用无水乙醇冲洗3次，紫外灭菌后备用。

在另一个具体实施方案中，步骤2)中反硝化聚磷菌群的获得如下进行：

a)采集污水处理厂活性污泥池水样10mL，加入到装有90mL无菌水的三角烧瓶中，在漩涡振荡器上混合均匀并将污泥充分打碎；

b)取10mL菌液接种于90mL固体分离培养基中，在无水培养箱中控制温度为30℃，连续培养36小时；

c)挑选出边界清晰的菌落接种于液体牛肉膏蛋白胨培养基中继续培养24小时；

d)步骤b)-c)重复3次，逐步筛选出没有异常菌落出现的纯化单菌落；

e)将纯化后菌株接种于缺磷培养基中，控制温度30℃，在摇床上连续培养24小时后，以10000rpm离心分离，将得到的菌株再接种于富磷培养基中，控制温度30℃，连续培养24小时，每组取10mL菌液，以上清液钼锑分光光度法测定接种前后PO₄^3--P含量的变化，取除磷率高于50％的菌株进行硝酸盐还原产气实验、异染颗粒染色实验和聚-β-羟丁酸颗粒染色试验，将既能过量摄磷，又具有反硝化功能并有异染颗粒和聚-β-羟丁酸(PHB)颗粒的菌株筛选出来，即得反硝化聚磷菌。

在另一个具体实施方案中，步骤3)中制乙醇秸秆废渣对反硝化聚磷菌群的吸附如下进行：取反硝化聚磷菌菌液10mL，灭菌废渣10g，加入到250mL装有100mL牛肉膏蛋白胨培养基的三角烧瓶中，在30℃下，连续培养24小时，以无菌水洗去灭菌废渣上负载的多余反硝化聚磷菌菌体，水洗3次，得到吸附反硝化聚磷菌的制乙醇秸秆废渣。

在另一个具体实施方案中，步骤4)中的覆盖如下进行：配制质量浓度为10％的聚乙烯醇水溶液，并加热到90℃，并趁热置于喷雾器中，将所得固定反硝化聚磷菌的乙醇秸秆废渣分散于平板摇床上，控制摇床转数为120rpm，以喷雾器将聚乙烯醇水溶液均匀喷洒到吸附反硝化聚磷菌的乙醇秸秆废渣表面并不断摇匀，直至形成直径为2-3厘米大小的球体，即得固定化微生物球；

在另一个具体实施方案中，步骤5)如下进行：将固定化微生物球填充于筛孔小于2cm，竹篾编织的体积为5L的网笼内，体积填充率为30％，系上重物沉于待修复黑臭水体中，笼箱内以砂芯微孔滤膜间歇曝气。

在另一个具体实施方案中，分离培养基的主要成分为：乙酸钠4.2g L^-1，磷酸氢二钾30mg L^-1，氯化钙20mg L^-1，氯化铵60mg L^-1，硫酸镁150mg L^-1，硫酸钾30mg L^-1，羟乙基哌嗪乙硫磺酸48g L^-1，硫酸铁80mg L^-1，硫酸锰20mg L^-1，氯化铝20mg L^-1，氯化钴4mg L^-1，硫酸锌4mg L^-1，钼酸铵4mg L^-1，氯化铜2mg L^-1，硼酸1mg L^-1，琼脂20g，培养基pH值为7.0。

在另一个具体实施方案中，缺磷培养基的主要成分为：乙酸钠2.5g L^-1，磷酸氢二钾20mg L^-1，氯化钙10mg L^-1，氯化铵150mg L^-1，硫酸镁80mg L^-1，硫酸钾20mg L^-1，羟乙基哌嗪乙硫磺酸2.4g L^-1，硫酸铁80mg L^-1，硫酸锰20mg L^-1，氯化铝20mg L^-1，氯化钴4mg L^-1，硫酸锌4mg L^-1，钼酸铵4mg L^-1，氯化铜2mg L^-1，硼酸1mg L^-1，调节pH值至7.0。

在另一个具体实施方案中，富磷培养基的主要成分为：乙酸钠2.5g L-1，磷酸氢二钾20mg L^-1，氯化钙25mg L^-1，氯化铵300mg L^-1，硫酸镁90mg L^-1，取代磺酸哌嗪3.2g L^-1，硫酸铁80mg L^-1，硫酸锰20mg L^-1，氯化铝20mg L^-1，氯化钴4mg L^-1，硫酸锌4mg L^-1，钼酸铵4mg L^-1，氯化铜2mg L^-1，硼酸1mg L^-1，调节pH值至7.0。

通过上述技术方案的实施，可以达到消除黑臭水体中关键富营养化因子，提高水质，恢复水体自净能力和生态功能的效果。本发明的有益效果如下：

1.本发明以具有高效脱氮除磷的反硝化聚磷菌为主要的修复活性菌株，污染物的针对性强，抗冲击负荷能力大，修复效果好，速度快；

2.本发明以制乙醇的秸秆废渣为固定化载体，秸秆废渣本身为产乙醇废物，工业应用价值极低，但具有化学性质稳定，环境友好，生物相容性好等特点，是聚磷菌固定化的最佳载体；

3.以聚乙烯醇对固定化聚磷菌进行再固定和包埋，可提高聚磷菌的稳定性，防止其在水体中剥离造成二次污染，并抑制功能活性的损失。

附图说明

为更清楚地说明本发明的具体实施方式，下面对具体实施方式部分的描述中使用到的附图作简单说明。

图1为聚磷菌固定化微生物球的扫描电子显微镜图；

图2为聚磷菌固定化微生物球处理模拟黑臭水体过程中氮磷污染物的浓度变化。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面，结合附图对本发明的具体的实施方式进行详细描述。

如本发明所用的亚临界水是一种高温高压下的水，具有腐蚀性，可提高秸秆孔隙率。

如本发明所用的反硝化聚磷菌又名摄磷菌、除磷菌，是传统活性污泥工艺中一类特殊的细菌，在好氧状态下能超量地将污水中的磷吸入体内，使体内的含磷量超过一般细菌体内的含磷量的数倍，这类细菌被广泛地用于生物除磷。

如本发明所用的“反硝化”是为了脱氮，“摄磷”是为了除磷。微生物通常兼有两种功能，而本发明对其进行强化，特别是对其摄磷的功能。

如本发明所用的“摄磷”是指微生物自身行为，“除磷”是指针对废水的处理方式，换言之，微生物之所以能够对废水进行“除磷”正是基于其自身的“摄磷”能力。

如本发明所用的“脱氮除磷”是指脱除水中的氮元素和磷元素。

如本发明所用，“PO₄^3--P含量”是指水中磷酸态磷的含量。

如本发明所用的钼锑抗分光光度法是本领域常用的一种测磷浓度的方法。如本发明所用的硝酸盐还原产气实验是本领域常用的一种测微生物产气量的方法，该方法是为了检验微生物反硝化能力。

在本发明所用的异染颗粒染色实验中，异染颗粒是普遍存在的贮藏物，有时也被称为捩转菌素(volutin)，由ATP转化而来，可随菌龄的延长而变大，其主要成分是多聚偏磷酸盐。多聚磷酸盐颗粒对某些染料有特殊反应，产生与所用染料不同的颜色，因而得名异染颗粒。如用甲苯胺蓝、次甲基蓝染色后不呈蓝色而呈紫红色。棒状杆菌和某些芽孢杆菌常含有这种异染颗粒。当培养基中缺磷时，异染颗粒可用作磷的补充来源。

在本发明所用的聚-β-羟丁酸颗粒染色试验中，聚-β-羟丁酸是一种存在于许多细菌细胞质内属于脂质的碳源类贮藏物，不溶于水，而溶于氯仿，可用尼罗蓝或苏丹黑染色，具有贮藏能量、碳源和降低细胞内渗透压等作用，假单细胞菌能分泌水解酶将PHB降解为二聚体、单体等。

实施例

以下采用实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

实施例1

按以下比例进行制乙醇秸秆废渣预处理：取秸秆制乙醇废渣10g，置于含有80mL去离子水的高压反应釜中，冲氮气至10Mpa，以10℃min^-1升高釜内温度至350℃，保持3h后降温至室温，开启高压反应釜，取出处理后的废渣，用无水乙醇冲洗3次，紫外灭菌后备用，即得灭菌废渣。

采集污水处理厂活性污泥池水样10mL，加入到装有90mL无菌水的三角烧瓶中，在漩涡振荡器上混合均匀并将污泥充分打碎，提取10mL菌液接种于90mL固体分离培养基中，在无水培养箱中控制温度为30℃，连续培养36小时，挑选出边界清晰的菌落接种于液体牛肉膏蛋白胨培养基中继续培养24小时，重复上述分离培养基和牛肉膏蛋白胨培养基中的培养步骤共3次，并逐步筛选出没有异常菌落出现的纯化单菌落。

将纯化后菌株接种于缺磷培养基中，控制温度30℃，在摇床上连续培养24小时后，以10000rpm离心分离，将得到的菌株再接种于富磷培养基中，控制温度30℃，连续培养24小时，每组取10mL菌液，以上清液钼锑分光光度法测定接种前后PO₄^3--P含量的变化，取除磷率高于50％的菌株进行硝酸盐还原产气实验、异染颗粒染色实验和聚-β-羟丁酸颗粒染色试验，将既能过量摄磷，又具有反硝化功能并有异染颗粒和聚-β-羟丁酸(PHB)颗粒的菌株筛选出来，即得反硝化聚磷菌。

按以下比例进行反硝化聚磷菌吸附：取反硝化聚磷菌菌液10mL，灭菌废渣10g，加入到250mL装有100mL牛肉膏蛋白胨培养基的三角烧瓶中，在30℃下，连续培养24小时，以无菌水洗去灭菌废渣上负载的多余反硝化聚磷菌菌体，水洗3次，得到固定反硝化聚磷菌的制乙醇秸秆废渣。

配制质量浓度为10％的聚乙烯醇水溶液，并加热到90℃，并趁热置于喷雾器中，将所得固定反硝化聚磷菌的乙醇秸秆废渣分散于平板摇床上，控制摇床转数为120rpm，以喷雾器将聚乙烯醇水溶液均匀喷洒到固定反硝化聚磷菌的乙醇秸秆废渣表面并不断摇匀，直至形成直径为2-3厘米大小的球体，即得固定化微生物球(图1)。

将固定化微生物球填充于筛孔小于2cm，竹篾编织的体积为5L的网笼内，体积填充率为30％，系上重物沉于待修复黑臭水体中，笼箱内以砂芯微孔滤膜间歇曝气，连续处理20天后，将网笼捞出冲洗，去除固定化微生物球表面的过量富磷菌体后，可再次循环使用。

其中聚磷菌分离培养基的主要成分为：乙酸钠4.2g/L；磷酸氢二钾30mg/L、氯化钙20mg/L、氯化铵60mg/L、硫酸镁150mg/L，硫酸钾30mg/L、羟乙基哌嗪乙硫磺酸48g/L；硫酸铁80mg/L、硫酸锰20mg/L，氯化铝20mg/L、氯化钴4mg/L、硫酸锌4mg/L，钼酸铵4mg/L、氯化铜2mg/L、硼酸1mg/L，琼脂20g，培养基pH值为7.0。缺磷培养基的主要成分为：乙酸钠2.5g L1；磷酸氢二钾20mg/L、氯化钙10mg/L、氯化铵150mg/L、硫酸镁80mg/L，硫酸钾20mg/L、羟乙基哌嗪乙硫磺酸2.4g L1；硫酸铁80mg/L、硫酸锰20mg/L，氯化铝20mg/L、氯化钴4mg/L、硫酸锌4mg/L，钼酸铵4mg/L、氯化铜2mg/L、硼酸1mg/L，调节pH值至7.0。富磷培养基的主要成分为：乙酸钠2.5g/L；磷酸氢二钾20mg/L、氯化钙25mg/L、氯化铵300mg/L、硫酸镁90mg/L、取代磺酸哌嗪3.2g/L；硫酸铁80mg/L、硫酸锰20mg/L，氯化铝20mg/L、氯化钴4mg/L、硫酸锌4mg/L，钼酸铵4mg/L、氯化铜2mg/L、硼酸1mg/L，调节pH值至7.0。

实施例2

以该制乙醇秸秆废渣固定化聚磷菌处理黑臭水体，选择黑臭水体为北京某城区面积为20m²的封闭水面一处，修复前水体中COD_Cr浓度3528mg/L；氨氮145mg/L；总磷14.5mg/L；溶氧量0.25mg/L。投加10kg乙醇秸秆废渣固定化聚磷菌笼箱，修复10天后，水体指标变化为COD_Cr浓度1317mg/L；氨氮25mg/L；总磷2.7mg/L；溶氧量5.2mg/L，基本恢复了水体的生态功能和自净能力(图2)。同时选取类似污染状况和污染面积的黑臭水体COD_Cr浓度2478mg/L；氨氮178mg/L；总磷22.5mg/L；溶氧量0.17mg/L，以非固定化的同样用量的反硝化聚磷菌处理，修复10天后，水体指标变化为COD_Cr浓度1894mg/L；氨氮125mg/L；总磷13.5mg/L；溶氧量2.7mg/L，水体污染状况虽有一定改善，但与乙醇秸秆废渣固定化聚磷菌技术有显著差距。

以上所述的具体实施方式仅用于具体说明本发明的精神，本发明的保护范围并不局限于此，对于本技术领域的技术人员来说，当然可根据本说明书中所公开的技术内容，通过变更、置换或变型的方式轻易做出其它的实施方式，这些其它的实施方式都应涵盖在本发明的保护范围之内。