本发明属于污染水处理
技术领域：
，具体涉及一种活性污泥生物膜与植物组合修复营养水体的系统及方法。
背景技术：
：近年来，随着社会不断进步、人类工业化的发展以及农田排水的面源污染不断加剧，而城市内河道、湖泊和水库中的水体流动性较差，自我修复性较弱，大量含有n、p、s和有毒物质造成水质恶化，浮游藻类生物大量繁殖，导致水体富营养化问题日趋严重、城市水体生态平衡被破坏。据《2016年中国环境状况公报》显示，我国淡水的主要污染指标为总磷、化学需氧量和高锰酸盐指数。108个监测营养状态的湖泊(水库)中：贫营养的10个，中营养的73个，轻度富营养的20个，中度富营养的5个，ⅳ类、ⅴ类与劣ⅴ类共占33.9％。目前，治理湖泊、水库、城市内河等污染水体的主要方法为原位修复技术，包括物理方法、化学方法和生物方法。其中，生物方法是利用水生植物、微生物和水生动物，将水体中的污染物和营养成分进行吸收、降解和转化。不仅可从根本上净化水质，同时在修复的过程中能改善周围的生态系统，且成本较低，资源丰富,不易产生二次污染等优点。较前两种方法相比，生物修复方法更适合用于富营养化河湖水体的修复。该方法主要包括生物膜法技术、人工湿地处理技术、人工浮岛技术等。现有的生物膜法、活性污泥法和生态浮床在实际运用中存在以下缺陷：1、生物膜法：①活性生物难以人为控制，因而在运行方面灵活性较差。②由于载体材料的比表面积小，故设备容积负荷有限，空间效率较低。而且需要较多的载体填料和支撑结构，投资较大。③处理出水往往含有较大的脱落的生物膜片，使得出水澄清度降低。2、活性污泥法：①采用传统的活性污泥法，往往基建费、运行费高，能耗大，管理较复杂，易出现污泥膨胀现象；②污水进行脱氮除磷处理工艺需要将多个厌氧和好氧反应池串联，形成多级反应池，这势必要增加基建投资的费用及能耗，并且使运行管理较为复杂。③活性污泥法产生大量的剩余污泥，需要进行污泥无害化处理，增加了投资。3、生态浮床：①被污染的水体中含有较复杂的污染物成分，水体中不同深度的污染物含量和成分存在差异，水生植物只能净化水体上层的有机物，难以分解水体中下层的污染物；微生物填料中通常使用单一微生物，不能够对水体污染物做到更彻底的分解和转化。②微生物填料的好氧菌生长繁殖需要大量的氧气，而水体含氧量较低，易导致好氧微生物难以生存，或更换填料而加大成本，或效率低造成材料浪费。技术实现要素：本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种活性污泥生物膜与植物组合修复营养水体的系统及方法，目的是将sbr的序批式运行模式引入生物膜系统，使其兼有活性污泥法和生物膜法的优点；又结合了经氮磷水培驯化后的植物以构建生态浮床，不仅可以提高系统的抗冲击负荷能力，耗资耗能少，净化效率高，且具有一定的经济价值与观赏价值。为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种活性污泥生物膜与植物组合修复营养水体的系统，包括用于使微生物组合填料挂膜的活性污泥生物膜培养装置，所述系统还包括通过移栽驯化后的植物与挂膜后的组合填料构建净化水质的生态浮床。所述活性污泥生物膜培养装置包括sbr反应器和用于对sbr反应器曝气的第一曝气机构，所述sbr反应器包括反应容器、固定机构、设于反应容器内的第一挂绳和设于第一挂绳上的微生物组合填料，所述第一挂绳的两端通过固定机构固定于反应容器的顶部和底端，所述反应容器设有排水口。所述固定机构包括支架和设于反应容器底端的挂钩，所述支架设于反应容器的顶端开口。所述第一曝气机构包括第一曝气泵、第一曝气管、设于第一曝气管上的第一转子流量计和设于反应容器内的第一曝气头，第一曝气头通过第一曝气管与第一曝气泵连接。所述生态浮床包括第二曝气机构、净化容器、设于净化容器内的漂浮板和设于漂浮板下方的挂膜后组合填料，净化容器内盛放有营养液，驯化后植物的根部穿过漂浮板和挂膜后组合填料向净化容器底部延伸，且植物根部1/3露出液面，第二曝气机构的第二曝气头延伸入净化容器的底部进行曝气。所述第二曝气机构包括第二曝气泵、第二曝气管、设于第二曝气管上的第二转子流量计和设于净化容器内的所述第二曝气头，第二曝气头通过第二曝气管与第二曝气泵连接。所述生态浮床还包括设于漂浮板上的泡沫管，所述驯化后植物的根部依次穿过泡沫管、漂浮板和挂膜后组合填料向净化容器底部延伸。所述生物浮床还包括用于检测净化容器内营养液温度的温度计。所述挂膜后组合填料通过第二挂绳固定于漂浮板下方3-5cm。一种活性污泥生物膜与植物组合修复营养水体的方法，包括如下步骤：步骤一、植物驯化；步骤二、将微生物组合填料在sbr反应器内进行曝气培养以获得挂膜后的组合填料；步骤三、在净化容器内设置漂浮板，将挂膜后的组合填料固定于漂浮板下方，之后移栽驯化后的植物于漂浮板上，使驯化后植物的根部穿过漂浮板和挂膜后组合填料，并在净化容器内加入营养液以构建生态浮床进行水质净化。所述植物驯化是选取青叶吊兰，经清洗、去烂根烂叶后，置于水中培养一周，且保持吊兰根部的2/3于液面以下，之后取出吊兰根部消毒、清洗，然后将洗净的吊兰置于hogland营养液中培养驯化。本发明结合了由wilderer首次提出的生物膜反应器的序批式运行模式和生态浮床，将活性污泥生物膜与驯化的植物结合，兼具各自优势，实现富营养水体净化治理。效果好，成本低，简单易实现，持续时间长。本发明的有益效果：1、提供了一种对观赏植物的幼苗进行驯化的方法，提高植物对逆境的适应力和对富营养水体的修复能力。2、提供了一种适用于各种类型的水处理方法，既适用于工业废水处理，也适用于低浓度富营养湖泊河道的治理。既适用于实验室小试、中试也适用于自然现场试验。简单易实现，适应性强。3、在sbr工艺中，所选的组合填料将塑料圆片压扣改成双圈大塑料环，将醛化纤维或涤纶丝压在环的环圈上，使纤维束均匀分布；内圈是雪花状塑料枝条，既能挂膜又能有效切割气泡，具有挂膜快、膜更新速率高、充氧转换率高等优点。4、为植物根部与膜微生物提供稳定的互利共生系统。5、提供了一种兼具三种生物技术优势的综合修复方法，不仅效率高效果好、投资少，且具有经济价值、观赏价值，无二次污染，操作稳定性好。附图说明本说明书包括以下附图，所示内容分别是：图1是本发明的活性污泥生物膜培养装置结构示意图；图2是本发明的生态浮床结构示意图。图中标记为：1、反应容器，2、第一挂绳，3、组合填料，4、排水口，5、支架，6、挂钩，7、第一曝气泵，8、第一曝气管，9、第一转子流量计，10、第一曝气头，11、净化容器，12、漂浮板，13、挂膜后的组合填料，14、第二曝气头，15、第二曝气泵，16、第二曝气管，17、第二转子流量计，18、泡沫管，19、驯化后吊兰，20、第二挂绳，21、温度计。具体实施方式下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。如图1至图2所示，一种活性污泥生物膜与植物组合修复营养水体的系统，包括用于使微生物组合填料挂膜的活性污泥生物膜培养装置，该系统还包括通过移栽驯化后的植物与挂膜后的组合填料13构建净化水质的生态浮床。活性污泥生物膜培养装置包括sbr反应器和用于对sbr反应器曝气的第一曝气机构，sbr反应器包括反应容器1、固定机构、设于反应容器1内的第一挂绳2和设于第一挂绳2上的微生物组合填料3，第一挂绳2的两端通过固定机构固定于反应容器1的顶部和底端，反应容器1设有排水口4。排水口优选设置于反应容器一侧的底端，排水口4连接一根橡皮管，通过夹子等物品夹紧橡皮管关闭排水口，打开夹子可以通过排水口排水。固定机构包括支架5和设于反应容器1底端的挂钩6或固定环，支架5设于反应容器1的顶端开口。便于将第一挂绳固定于反应容器内，使第一挂绳的伸直方向与反应容器的长度方向相同。第一挂绳最好固定于反应容器内的中部。第一曝气机构包括第一曝气泵7、第一曝气管8、设于第一曝气管8上的第一转子流量计9和设于反应容器1内的第一曝气头10，第一曝气头10通过第一曝气管8与第一曝气泵7连接。上述生态浮床包括第二曝气机构、净化容器11、设于净化容器11内的漂浮板12和设于漂浮板12下方的挂膜后组合填料13，净化容器11内盛放有营养液，驯化后植物的根部穿过漂浮板12和挂膜后组合填料13向净化容器底部延伸，且植物根部1/3露出液面，第二曝气机构的第二曝气头14延伸入净化容器11的底部进行曝气。第二曝气机构包括第二曝气泵15、第二曝气管16、设于第二曝气管16上的第二转子流量计17和设于净化容器11内的第二曝气头14，第二曝气头14通过第二曝气管16与第二曝气泵15连接。为了维持稳定性，生态浮床还包括设于漂浮板12上的泡沫管18，驯化后植物的根部依次穿过泡沫管18、漂浮板12和挂膜后组合填料13向净化容器底部延伸。上述生物浮床最好还包括用于检测净化容器内营养液温度的温度计21，便于查看温度。优选的，挂膜后组合填料13通过第二挂绳20固定于漂浮板12下方3-5cm。该活性污泥生物膜与植物组合修复营养水体的方法，包括如下步骤：步骤一、植物驯化；步骤二、将微生物组合填料在sbr反应器内进行曝气培养以获得挂膜后的组合填料；步骤三、在净化容器内设置漂浮板，将挂膜后的组合填料固定于漂浮板下方，之后移栽驯化后的植物于漂浮板上，使驯化后植物的根部穿过漂浮板和挂膜后组合填料，并在净化容器内加入营养液以构建生态浮床进行水质净化。植物驯化的具体优选方案为：从芜湖市大江花鸟市场挑选长势一致、株高约为8cm的青叶吊兰幼苗90株，清洗、去烂根烂叶后，放置于塑料盒中用自来水培养一周，使其适应水环境。保持吊兰根部的2/3于液面以下，防止烂根。一周之后取出，再将吊兰根部浸没在0.5％高锰酸钾溶液中消毒20分钟，洗净。拟定改良的hogland营养液(表1)的n、p浓度为c，本实验设置3个营养液浓度：0倍c、1/2倍c和4倍c，分别标注为c0、c1/2和c4。表1改良的hogland营养液组成成分硝酸钾硫酸镁硝酸钙硫酸亚铁磷酸二氢钾硝酸铵硼酸乙二胺四乙酸二钠含量(g/l)5.064.939.450.251.360.80.060.37将洗净的吊兰分为3组，每组设置3个重复，每个重复组中培养10株，置于口径为17.5cm的塑料盒中。用上述3种营养液分别培养3组吊兰幼苗，驯化55天。驯化结束后，对吊兰的生长指标和氮磷含量等进行检测。水培驯化初期各处理组吊兰根系生长快速，这可能是植物刚进入富营养水环境中，对于氮磷的吸收量较大的原因。而后期由于氮磷浓度过高抑制了吊兰根系的吸附转化系统，因此增长减缓。比较三组数据，c1/2组吊兰的根长增量较其他两组高出一倍左右，而c4组的吊兰叶长增量最大(表2)。说明较低浓度氮磷营养液适合吊兰根系生长发育，而该植物叶片转移吸收氮磷的能力显著，在高浓度氮磷营养液中吊兰叶片长势良好。表2驯化55天吊兰生长情况处理组根长增量(cm)叶长增量(cm)植株鲜重增量(g/株)c01.06±1.030.31±0.171.17±0.15c1/22.95±1.180.50±0.011.93±0.10c40.82±1.310.52±0.961.73±0.09在三种营养液驯化培养下，吊兰叶片硝态氮含量均远高于根系含量，且c1/2组硝态氮含量最高；吊兰叶片与根系含磷量相差不大，全株含磷量呈c1/2>c4>c0(表3)。表3驯化55天吊兰植株氮磷含量(mg/g)综合分析发现，驯化处理，能够在一定程度上促进吊兰生长，增加吊兰对水体中氮、磷的吸收。活性污泥生物膜培养的优选方案为：购买有机玻璃，设计并制作成20cm*20cm*40cm的开口容器，即sbr反应器。将开口容器形成有机玻璃缸，在有机玻璃缸顶部放置一个十字型支架，底部用玻璃胶固定一个挂钩。有机玻璃缸下侧设计一个直径1cm的排水口，连接一根橡皮管。第一挂绳优选采用尼龙挂绳，尼龙挂绳上等距固定六个直径15cm的微生物组合填料，尼龙挂绳两端分别固定于容器顶部的支架与底部的挂钩。经过水样采集、测定并分析，确定安徽师范大学校内的花津河为待净化的水域。在河中央位置用采泥器挖取底泥1l，配制实验人工污水(或取待测水域水体)4l,混匀后注入sbr反应器内。设置曝气量0.2m3/h～0.3m3/h，连续曝气72h，以筛选和培养丰富的好氧菌。后以曝气8h，静置2h为一个运行周期继续工作。每隔5个周期，待静置后将上清液自排水口放出并测定水质，更新入水。待出水水质稳定，微生物填料的镜检图显示丰富的生物种类，则表示挂膜成功。构建生态浮床：构建生态浮床的具体方案为：设计并制作20*20*20的开口有机玻璃容器，21个。购买厚度1cm的聚乙烯泡沫板，剪裁为21个直径为15cm的漂浮板，并在漂浮板中央挖出直径2～3cm的可供吊兰根部通过的孔。从sbr反应器中取下挂膜后的组合填料，固定于漂浮板下方3～5cm处。移栽驯化结束的吊兰于漂浮板上，使吊兰根部穿过漂浮板和挂膜后组合填料。选取c1/2营养液、c4营养液以及c0营养液驯化的吊兰(后文中分别以a、b和r表示)为三种植物材料，加以不同条件分别构建生态浮床，比较各处理对水质的净化效果。下面通过具体的操作步骤进行详细说明：一、sbr工艺的具体步骤如下:s1：按设计尺寸20cm*20cm*40cm制作有机玻璃容器，并在有机玻璃容器底部黏上挂钩(或固定环)，在有机玻璃容器顶部制作一个十字形支架。s2：在第一挂绳上等距固定直径15cm的组合填料，并将第一挂绳两端固定于支架与有机玻璃容器底部。s3：顺次连接第一曝气泵、第一曝气管、第一转子流量计和第一曝气头，构成第一曝气机构。通过转子流量计控制曝气量在0.2m3/h～0.3m3/h。s4：取待测水域的底泥和实验配制人工污水(或待测水域水体)按1：4混合，自有机玻璃容器顶部注入。s5：开启曝气机构闷曝72h后，以10h为一个周期(曝气8h，静置2h)运行。s6：每隔5个周期，静置后经排水口排出上清液，再由有机玻璃容器顶部缓慢更新入水。测定每一次更新前后的水质指标并分析。二、生态浮床净化水质的步骤如下：s1：预制漂浮板，在其中央挖出直径约3cm可供植物根部穿过的孔，并沿孔固定一个等直径的高为5cm的泡沫管。s2：取挂膜后的组合填料，用第二挂绳将其固定于漂浮板下3～5cm处。s3：将预先驯化的植物移栽于漂浮板中央，使植物根部穿过泡沫管、漂浮板和组合填料。泡沫管的功能：维持系统稳定性，且保持植物根部1/3露出水面防止烂根。s4：取待处理水域(本实施例选用安徽师范大学校内的花津河)的水体4l于玻璃容器中，将构建好的生态浮床置于水面。s5：顺次连接第二曝气泵、第二转子流量计、第二曝气管和第二曝气头，第二转子流量计控制曝气量在0.1m3/h左右连续曝气。s6：预备相同的玻璃容器若干，构建植物与生物膜填料组合浮床、单独植物浮床、单独生物膜填料浮床、空白原水等四种形式。s7：每两天测一次水质，分析数据、观察比较各种形式下水质净化效果。运行结果1、如图1连接装置，实验材料选用安徽师范大学校内花津河的水体和底泥。持续闷曝72h后，以曝气8h，静置2h为一个周期运行,每隔五个周期检测水质。随着曝气周期的增加，活性污泥生物膜法对水体中总磷、氨氮、溶解氧、生化需氧量及化学耗氧量的影响如下：(1)总磷(mg/l)周期入水tp出水tp去除率00.810.81±0.065/50.810.73±0.1209％100.750.54±0.01634％150.770.48±0.01041％200.820.43±0.01646％250.680.30±0.05763％300.80.27±0.04767％初入水tp较高，达到0.81mg/l。经过间歇曝气处理，在第5个周期时微生物数量依然较少，tp去除率较低。自第15个周期开始去除率开始增加，至第30个周期时，tp去除率达到67％，tp浓度为0.27mg/l，低于国家城镇污水排放一级标准0.5mg/l。(2)氨氮(mg/l)周期入水nh3-n出水nh3-n去除率00.2770.277±0.002/50.2770.247±0.02811％100.2710.178±0.01036％150.2540.142±0.01249％200.2720.096±0.00365％250.2630.077±0.03272％300.2760.081±0.00371％由上表可知，在前20个周期中水质氨氮去除率持续增加，至第25周期去除率达到72％，后期去除率趋于稳定可知污泥生物膜培养结束，挂膜完毕。(3)溶解氧、五日生化需氧量(mg/l)sbr反应装置是以间歇曝气的方式处理污泥，如表可见曝气期间水中溶解氧有一定程度的增加，增量为4.0mg/l。随着微生物的数量与活性增强，水质bod5由起始的5.72mg/l降低至2.4mg/l，达到一类湖库水标准。(4)化学耗氧量(mg/l)周期入水cod出水cod去除率051.0851.08±0.14/551.0841.04±0.2419％1049.3135.27±0.3328％1551.2228.28±0.3445％2047.6721.25±0.1755％2548.7818.47±0.2262％3050.0312.25±0.1975％3549.8713.92±0.1572％初水codcr平均值为49.70mg/l，在曝气的第20至25个周期cod去除率增量达到最大，之后趋于稳定。曝气第35周期时，codcr含量降低至13.92mg/l。2、如图2搭建生态浮床，在具体实施步骤s6和s7的基础上，可分别得出植物或生物膜填料分别单独处理水体的效果。a、b、r分别代表前文中的c1/2、c4以及c0驯化培养的吊兰，m代表生物膜填料，ck代表不加任何处理的原水。每隔两天测定水质，结果如下：(1)总氮(mg/l)由于各组处理条件不同及实验操作中不可避免的误差导致七组处理的初始总氮浓度不同。每隔两天测一次水质，结果如上表所示。在第11天取样测得，经过1/2倍霍格兰营养液驯化的植物对本实验水体的吸附净化能力较其他组高，实验结果可见，驯化的植物与微生物结合处理富营养水体具有良好的效果。(2)总磷(mg/l)总磷的去除率为a+m>b+m>r+m>a>b>m>ck，由此可知，1/2倍霍格兰营养液驯化的植物结合微生物的净化效果最佳，由于植物具有发达的根部，可以为水体中浮游的微生物提供附着场所，不仅自身可以吸收磷，也有助于微生物生长繁殖，因此吸附效果好。a+m组的去除率达到86％，相对于对照组高出59％。(2)高锰酸盐指数(mg/l)根据国家地表水分类标准，本实验初水水质imn>10，属于ⅴ类。经过处理后，随着处理时间的变化，各组的高锰酸盐指数均有所降低，其中b+m组imn<6，达到ⅲ类。由表可见，驯化提高了植物吸附高锰酸盐的能力，净化效果为b>a>r。除r+m组以外，植物与微生物结合处理的效果明显高于其他处理组。(3)bod5(mg/l)原水初bod5为5.92mg/l，经过两周的处理，水质bod5的变化如表所示：r+ma+mb+mabmck4.84.43.24.43.64.85.6几组中，b+m效果最佳，bod5减少了45％。由b+m<b可推测植物根部与生物膜构成互利共生系统，使得两者结合高于单独植物或者单独微生物的修复效果。b<a<m可见，4倍霍格兰营养液驯化的吊兰的吸附转化能力最高，且植物较生物膜的修复效果更好。以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。当前第1页12