用于原位治理湖库水体的生物膜净化装置及方法

1.本发明涉及湖库生态治理领域，具体涉及一种用于原位治理湖库水体的生物膜净化装置及方法。


背景技术：

2.随着城市化进程加快，湖库水环境日趋恶化，主要表现为水体呈富营养化状态。富营养化水体中藻类过量繁殖，藻类死亡分解腐烂致使水中cod、bod等严重超标。另外，水体中的有机质降解急剧消耗水中溶解氧，破坏供氧和好氧平衡，形成缺氧甚至厌氧环境，不仅会丧失自净能力，生物多样性遭到破坏，水生生物中毒死亡，破坏生态环境，严重影响城市整体水环境以及周边居民生活质量，制约经济发展，因此，改善污染湖库的水质状况成为亟需解决的现实问题。
3.在众多治理方式中，生物技术具有无耗能，便于管理，无二次污染等优点。生物载体是实现生物治理和修复的基础，选取适宜的生物载体对于环境治理和修复效果至关重要。
4.在自然水体净化中，国内常用网片状载体材料如聚乙烯网、尼龙网以及玻璃纤维网等构建生态网膜，其净化原理是利用网片状载体材料拦截水体中体积较大的悬浮物，并在表面形成生物膜，通过微生物作用去除水体中的营养盐。发明专利“兼备物化吸附和生物膜性能的污水深度处理填料(申请号：200410066578.3)”公开了一种污水处理装置，其装置外部采用易于挂生物膜的聚乙烯或聚丙烯材料，能够有效拦截和脱除水体中大颗粒悬浮物。
5.实际调查中发现，采用单一生态网膜净化富营养化水体存在净化周期较长、对水体中营养盐的净化效率较低等问题。生态网膜与其他技术联用，以提高其净化效率，是技术改进优化的趋势之一。
6.生物介质填料具有较高的吸附性与生物亲和性，能吸引微生物菌群形成粘着性生物膜，微生物以水体中的营养盐为食，通过自身的新陈代谢作用分解水体中的氮、磷等营养盐。发明专利“一种利用丝瓜络固载光合细菌或复合微生物治理湖泊蓝藻的方法(申请号：201210579067.6)”和发明专利“一种污水处理用丝瓜络生物填料的制备方法(申请号：201710977187.4)”利用丝瓜络固载特定微生物，对富营养化水体中的营养盐净化效果较好。然而，该技术是将丝瓜络直接浸泡于微生物菌种溶液中进行微生物固定化，室内实验验证发现直接浸泡挂膜处理后，在实验初期(1～2个月)的净化效果较好，但随着微生物的成熟和老化，固载在丝瓜络上的生物膜开始脱落，水质净化效果开始显著降低，实验后期与非挂膜处理的丝瓜络相比，净化效率无显著差异。
7.综上，采用单一生态网膜对水体中大颗粒悬浮物质的拦截和脱除效果较好，但存在挂膜周期较长、对水体中营养盐的净化效果较差等问题。生物介质填料(如丝瓜络)固载微生物后可高效去除水体中氮、磷等营养盐，但目前固载微生物主要采用直接浸泡挂膜的方法，该方法在挂膜初期的净化效果较好，但随着生物膜老化和脱落，水质净化效果显著降
低。如何利用微生物固定化技术方法对丝瓜络进行固载处理，来实现微生物缓释和长效净化，以及如何科学合理地将固载微生物介质填料与生态网膜联用，从而显著提高对水体营养盐和悬浮颗粒物的同步净化效率，是湖库水质原位生态修复中亟待解决的技术难题之一。


技术实现要素：

8.有鉴于此，本发明提供一种用于原位治理湖库水体的生物膜净化装置及方法以解决上述技术问题，可有效治理湖库水体富营养化、改善水域水质、提升生态景观功能。
9.为达到上述目的，本发明提供一种用于原位治理湖库水体的生物膜净化装置，包括生态网膜净化单元、固载微生物净化单元和微纳米曝气单元；所述生态网膜净化单元包括生态网及分别设于生态网上端和下端的浮头、重物块，所述生态网用于吸附和降解水体中悬浮物质，并在其表面形成生态网膜；所述固载微生物净化单元包括悬挂于生态网上的网袋、包裹于网袋中的丝瓜络，所述丝瓜络表面和内部孔隙中采用“聚乙烯醇-海藻酸钠”共固定技术固载脱氮除磷微生物形成丝瓜络生物膜；所述微纳米曝气单元用于根据实时监测的水体溶解氧含量，调节曝气量和曝气时间使生态网膜和丝瓜络生物膜附近的溶解氧保持在6.0mg/l～9.0mg/l之间。
10.进一步的，所述丝瓜络生物膜是利用聚乙烯醇-海藻酸钠共固定技术在丝瓜络表面和内部孔隙中固载微生物，固载过程中，聚乙烯醇和去离子水的体积比为1:8至1:10；微生物菌液的体积分数为5％至15％；海藻酸钠的体积分数为1％至3％。
11.进一步的，所述生态网采用聚乙烯网，网孔径为1mm～8mm。
12.进一步的，所述脱氮除磷微生物为硝化细菌、反硝化细菌、聚磷菌、光合细菌、芽孢杆菌、类球红细菌和植物乳杆菌中任意一种或者几种复合而成。
13.进一步的，所述微纳米曝气单元包括曝气机、曝气管、输气管，所述曝气机固定于浮板，曝气机的出气口通过输气管与曝气管连接，所述曝气管通过尼龙绳悬挂于生态网底部，所述曝气管上设置有若干微纳米级的曝气孔。
14.一种用于原位治理湖库水体的生物膜净化方法，其采用上述装置进行，所述方法包括如下步骤：
15.步骤一、根据待治理水域的面积设置水质监测断面；
16.步骤二、取样监测水体中水温、溶解氧、ph、氧化还原电位、总氮、总磷水质参数，明确待治理水域污染特征，结合治理目标要求，确定生态网的布设量，生态网上包裹丝瓜络的网袋的布设密度为1～3个/平方米，每个网袋中包裹的丝瓜络数量为2～5条；
17.步骤三、根据水体污染特征，选取针对性脱氮除磷微生物，对拟投放的丝瓜络采用“聚乙烯醇-海藻酸钠”共固定技术进行微生物固载，固载过程中，聚乙烯醇和去离子水的体积比为1:8至1:10；微生物菌液的体积分数为5％至15％；海藻酸钠的体积分数为1％至3％；
18.步骤四、微生物固定化完成后，将固载脱氮除磷微生物的丝瓜络装入网袋，将装有丝瓜络的网袋均匀悬挂于生态网上；
19.步骤五、将浮头和重物块分别连接在生态网的上端和下端，调节浮头和重物块数量以保证生态网能在水中垂向自然伸展且悬浮于水中，生态网垂向布设长度范围为0.5m～8m；
20.步骤六、将曝气机和太阳能储能装置固定于浮板上，通过输气管将曝气机与曝气管连接，曝气管通过尼龙绳悬挂于生态网底部进行曝气，根据实时监测的水体溶解氧含量，调节曝气机的曝气量和曝气时间，使生态网膜和丝瓜络生物膜附近的溶解氧保持在6.0～9.0mg/l之间。
21.与现有技术相比，本发明通过采用微生物固定化技术在丝瓜络表面和内部孔隙中固载微生物，构成一种微生物缓释系统，可解决传统浸泡挂膜法存在的挂膜初期水质净化效果较好，但随着生物膜老化和脱落，水质净化效果显著降低的问题，具有见效快、功能菌持久发挥净化作用和功能菌的环境适应性增强等优点；此外，将固载微生物的丝瓜络填料与生态网膜净化技术联用，通过在湖库水域科学布设与合理搭配，兼顾对水体营养盐和悬浮颗粒物同步高效去除与净化。
附图说明
22.图1为用于原位治理湖库水体的生物膜净化装置其中一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
23.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
24.请参阅图1，本发明实施例提供一种用于原位治理湖库水体的生物膜净化装置，包括生态网膜净化单元、固载微生物净化单元和微纳米曝气单元。
25.所述生态网膜净化单元包括生态网1、浮头2、重物块3，浮头2和重物块3分别通过尼龙绳4连接于生态网1的上端和下端。所述生态网1用于吸附和降解水体中悬浮物质，并在其表面形成生态网膜。在其他实施例中，生态网1可采用聚乙烯网或类似网片状材料，网孔径为1mm～8mm。浮头2可采用浮球，重物块3可采用铅锤。
26.所述固载微生物净化单元包括悬挂于生态网1上的网袋6、包裹于网袋6中的丝瓜络5、以及将网袋6悬挂在生态网1上的悬挂扣7。所述固载微生物净化单元由丝瓜络5作为微生物载体，均匀悬挂于生态网膜净化单元上，在进行水体净化之前，针对待治理水体的污染特征，采用“聚乙烯醇-海藻酸钠”共固定技术，在丝瓜络5表面和内部孔隙中固载特定微生物，构成一种微生物缓释系统。固定的微生物包括硝化细菌、反硝化细菌、聚磷菌、光合细菌、芽孢杆菌、类球红细菌和植物乳杆菌等任意一种或者集中复合而成。
27.所述微纳米曝气单元包括曝气机8、太阳能储能装置9、曝气管10、输气管11，所述曝气机8和太阳能储能装置9固定于浮板12，太阳能储能装置9用于给曝气机8供电，曝气机8的的出气口通过输气管11与曝气管10连接，所述曝气管10通过尼龙绳4悬挂于生态网1底部，所述曝气管10上设置有若干微纳米级的曝气孔。曝气机8、输气管11和曝气管19为可拆卸连接。所述微纳米曝气单元位于生态网膜净化单元下方，为好氧微生物代谢和繁殖提供充足氧气，提高生物膜净化效率。
28.本发明实施例还提供一种用于原位治理湖库水体的生物膜净化方法，其采用上述装置进行，所述方法包括如下步骤：
29.步骤一、根据待治理水域的面积设置水质监测断面；
30.步骤二、取样监测水体中水温、溶解氧、ph、氧化还原电位、总氮、总磷水质参数，明确待治理水域污染特征，结合治理目标要求，确定生态网1的布设量，生态网1上包裹丝瓜络5的网袋6的布设密度为1～3个/平方米，每个网袋6中包裹的丝瓜络5数量为2～5条；
31.步骤三、根据水体污染特征，选取针对性脱氮除磷微生物，对拟投放的丝瓜络5采用“聚乙烯醇-海藻酸钠”共固定技术进行微生物固定化，所述聚乙烯醇、海藻酸钠和脱氮除磷微生物的质量配比为：
32.步骤四、微生物固定化完成后，将固载脱氮除磷微生物的丝瓜络5装入网袋6，将装有丝瓜络5的网袋6均匀悬挂于生态网1上；
33.步骤五、将浮头2和重物块3分别连接在生态网1的上端和下端，调节浮头2和重物块3数量以保证生态网1能在水中垂向自然伸展且悬浮于水中，生态网1垂向布设长度范围为0.5m～8m；
34.步骤六、将曝气机8和太阳能储能装置9固定于浮板12上，通过输气管11将曝气机8与曝气管10连接，曝气管10通过尼龙绳4悬挂于生态网1底部进行曝气，根据实时监测的水体溶解氧含量，调节曝气机8的曝气量和曝气时间，使生态网膜和丝瓜络生物膜附近的溶解氧保持在6.0～9.0mg/l之间。
35.下面以一个具体实例对本发明进行详细说明：
36.根据待治理水域的面积，每隔100m～300m设置水质监测断面，当水域面积较大时，监测断面间距可适当调大；取样监测水体中水温、溶解氧、ph、氧化还原电位、总氮、总磷等水质参数，明确待治理水域污染特征，结合治理目标要求，确定生态网1的布设量，生态网1上包裹丝瓜络5的网袋6的布设密度为2个/平方米，每个网袋6中包裹的丝瓜络5数量为3-4条。根据水体污染特征，选取针对性脱氮除磷微生物，对拟投放的丝瓜络5进行微生物固定化。
37.微生物(以硝化菌为例)固定化主要分为两大步骤。第一步，复苏硝化菌菌种，其具体操作过程为：将10mg硝化菌粉剂加入到20ml硝化菌富集培养液，在30℃和150rpm条件下，培养12h，然后在5000rpm条件下离心3min，用0.9％nacl溶液冲洗，重复离心和冲洗操作2次，得到复苏后的硝化菌液。其中，硝化菌富集培养液的组分为nh4cl 50mg/l、kh2po
4 4mg/l、nahco
3 450mg/l以及微量元素溶液1ml/l(微量元素溶液的组分为：h3bo
3 0.15mg/l、cuso4·
5h2o 0.03mg/l、mncl2·
4h2o 0.12mg/l、feso4·
7h2o 1.5mg/l、cocl2·
6h2o 0.15mg/l、edta0.04mg/l、na2moo4·
2h2o 0.06mg/l、znso4·
7h2o 0.12mg/l)。第二步，利用聚乙烯醇-海藻酸钠共固定技术固载硝化菌，其具体固载过程包括：
①
将聚乙烯醇(醇解度90以上)和去离子水以1：9(体积比)的比例置于烧杯中混合，90℃加热搅拌2～3h，至聚乙烯醇完全溶解后停止加热，冷却至室温；
②
将硝化菌液、海藻酸钠和聚乙烯醇溶液混合均匀，混合液中硝化菌液和海藻酸钠的体积分数分别为10％和1％；
③
将丝瓜络和混合液分别加入至含2％cacl2和4％h3bo3的溶液中进行交联，交联30min后用0.9％nacl溶液冲洗两次；
④
将丝瓜络置于0.5mol/l的硫酸钠溶液中继续交联2h，然后用0.9％nacl溶液冲洗两次，得到固载硝化菌的丝瓜络。
38.微生物固定化完成后，将固载硝化菌的丝瓜络5装入网袋6，通过悬挂扣7将装有丝瓜络5的网袋6均匀悬挂于生态网1上。
39.将浮头2和重物块3通过尼龙绳4分别连接在生态网1的上端和下端。调节浮头2和重物块3数量以保证生态网1能在水中垂向自然伸展且悬浮于水中；生态网1垂向布设长度范围为0.5m～8m，其纵向布设长度范围不限，以达到拦截最大断面水体悬浮物和净化最大负荷水体营养盐为宜。
40.将曝气机8和太阳能储能装置9固定于浮板12上，通过输气管11将曝气机8与曝气管10连接。曝气管10通过尼龙绳4悬挂于生态网1底部进行曝气。根据实时监测的水体溶解氧含量，调节曝气机8的曝气量和曝气时间，使生态网膜和丝瓜络生物膜附近的溶解氧保持在7.0～8.0mg/l之间。
41.本发明人在武汉市某典型富营养化湖泊开展生态修复围隔试验，对比研究了固载微生物介质填料分别采用直接浸泡挂膜与采用“聚乙烯醇-海藻酸钠”共固定技术挂膜，对水体中氮磷的去除效果(表1)，以及单独使用固载微生物介质填料、生态网膜与两者联用的脱氮除磷效果(表2)。结果表明：将固载微生物介质填料分别采用“聚乙烯醇-海藻酸钠”共固定技术预处理与直接浸泡挂膜168h预处理相比，净化6个月后，对水体中总氮的去除率提高15.2％，总磷的去除率提高18.2％。固载微生物介质填料与生态网膜两者联用净化6个月后，与单独使用固载微生物介质填料相比，总氮去除率提高25.3％，总磷的去除率提高18.3％；与单独使用生态网膜相比，总氮去除率提高41.0％，总磷的去除率提高37.8％。从表1可看出，采用“聚乙烯醇-海藻酸钠”共固定技术预处理可明显提高固载微生物介质填料的脱氮除磷效率；由表2可得到，固载微生物介质填料与生态网膜两者联用具有协同效应。
42.表1浸泡挂膜与采用共固定技术挂膜的固载微生物介质填料的水质净化效果
[0043][0044]
表2单独使用固载微生物介质填料、生态网膜与两者联用的水质净化效果
[0045][0046]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何
属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。