由生物质炭源制备的生态浮床及其基质和制备方法与流程

本发明涉及生态浮床及农业面源污染领域，尤其涉及农业废弃物秸秆的后续利用作为生态浮床基质来处理河流污水的方法。

背景技术

由于长期城市化与工业化，目前我国超过60％的河流、湖泊和湿地生态系统的结构和功能遭到了不同程度的破坏和影响，尽管开展许多河道治理和水体修复工程，水质恶化的趋势没有得到根本性的遏制，水体富营养化问题依然对居民的生产生活带来严重影响。生态浮床技术作为改善河道富营养化水体的有效方法之一，利用植物和微生物的协同作用下去除水体氮、磷、有机物等污染物，从而达到净化富营养化水体的目的。生态浮床具有运行简便、造价低廉、充分利用水体营养物和景观美化等优点。传统生态浮床技术是通过植物根系附着的生物膜新陈代谢、植物同化吸收和水体充氧等过程达到削减水中的氮、磷及有机物等的目的。以泡沫板、竹排等可浮于水面材料作为植物生长依托物而组建成生态浮床。植物是生态浮床的关键部分，它不仅决定着水质净化效果，而且是水面造景实施体。传统生态浮床存在的不足包括：①植物根系悬浮在水体中无法从底泥中获取足够的微量元素而影响其生长效果；或悬浮的根系容易被水体中草食类动物吞噬；②低温下植物枯萎后整个生态浮床系统无任何净化效果，更有甚者会产生二次污染；③仅利用植物根系上少量的生物膜和植物同化作用以致浮床净化效果相对低下。④生物量有限、对氮磷等营养物去除难以进一步提高。因为传统的生态浮床仅通过植物根系和植物同化吸收作用来实现污染物的去除，而植物根系微生物和植物同化污染物的量又十分有限。如何提高生态浮床的净化效果和植物生长特性是提高生态浮床净化效果的急需解决的问题之一。

将人工合成载体或无机载体作为基质补充到生态浮床系统中，有助于强化生态浮床系统的生物多样性和生物量，也有利于提高浮床系统的净化效率。周小红通过对生态浮床场强测定发现，组合式生态浮床的生物量和生态辐射场强要明显高的多。范洁群等人在生态浮床系统中加入沸石填料，使得生态浮床对氮素污染物的去除率提高到一定程度。但是以这些载体作为浮床基质具有不易于生物降解的性质(微生物惰性材料)，对改善水体的缺碳现状没有帮助(富营养化水体表现为低c/n比水体)，而且微生物惰性材料不利于生物挂膜和生物量的富集。因此研究和开发一些新型的适合于富营养化水体(低c/n比水体)修复的材料对生态浮床的开发和研制具有十分重要的价值。

综上可知，目前对于生态浮床的处理效率没有很好的改善措施，生态浮床基质材料的选择也多使用传统的海绵、椰子纤维、聚乙烯泡沫、陶粒等载体，其亲水性和生物亲和性较差，很难满足在河流生态浮床长期运行期间的挂膜和微生物生长的条件。因此，如何结合农业生产体系物质循环特征，开发生态浮床新型的生物质基质，保证其亲水性和生物亲和性的优势，并克服生物质载体的不耐久性缺陷，达到以废治废，这是对生态浮床技术处理低碳氮比河流水体的关键。本专利中，选用以农业废弃物制备的生物质炭为核心原料充当基质的生态浮床，不仅实现了农业废弃物的资源化利用，同时也大大促进了水体的生态修复与景观美化。以美人蕉等景观水生植物为浮床植物，以该生物质基质为浮床载体基质作为实验的研究对象，探究在静态实验中不同基质的植物生态浮床净化污染水体的效果和特性，为新型生态浮床的构建和新型基质材料的开发提供有益参考。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对传统生态浮床的基质(海绵、椰子纤维、聚乙烯泡沫、陶粒等载体)的处理效果不佳而对传统的生态浮床基质进行改进，提供一种作为生态浮床基质的环境友好型改良生物质载体的制备方法。本发明的目的是使该生物质基质在实际的生态浮床应用中能稳定运行，包括其强度与耐久性符合运行要求，挂膜效果良好，既能作为碳源缓释的原料，又能作为浮床基质上微生物挂膜的载体，在低碳氮比河水中取得较好的脱氮效果。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种由生物质炭源制备的生态浮床基质的制备方法，具体步骤如下：

将聚丙烯与生物质炭混合均匀，放入聚丙烯酰胺溶液中浸泡，然后放入烘箱中烘焙，进行官能团改性；改性后将基质压制成型，成型后进行第二次烘焙，制成基质成品。

优选的，所述的聚丙烯与生物质炭混合的质量比为3:7。

优选的，所述的聚丙烯酰胺溶液浓度为1mg/l，聚丙烯与生物质在聚丙烯酰胺溶液中浸泡2h。

优选的，进行官能团改性时，烘箱温度为120℃，烘焙2h。

优选的，将基质压制成型时的压制压力为50mpa。

优选的，进行第二次烘焙时，在170℃的马弗炉中进行，烘焙2h。

本发明的另一目的在于提供一种如上述方法制备的生态浮床基质。

本发明的另一目的在于提供一种生态浮床，包括浮体和浮床框体，浮体固定在浮床框体上，用于使生态浮床整体漂浮于水面上；所述的浮床框体中放置有若干个种植盆，挺水植物种植于种植盆中；每个种植盆下方均悬挂有网兜，网兜内填充有上述的生态浮床基质，且挺水植物的根系与网兜内的生态浮床基质接触。

优选的，每个种植盆下方均上往下顺次悬挂有多干个网兜。

优选的，所述的挺水植物为水生美人蕉、千屈菜、香菇草或再力花。

优选的，所述的浮体为ppr管。

本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

(1)生物质炭能够吸附水中的重金属、有机物、氮磷等物质，提高污染物与植物根部的接触浓度；

(2)生物质炭疏松多孔，为微生物提供了巨大的附着空间，增加生态浮床机构单元中微生物的数量和种类，提高对污染物的去除能力；

(3)生物质炭含有一定的微量元素和有机物质，具有保水保肥的能力，能够促进植物的生长；

(4)生长后期植物根系穿出植物种植盆接触到生物质基质，此时植物根系既能从水体中吸收有机物和离子，又能利用生物质炭释放出来的碳源，通过根系形成生物膜将污染物吸收、转化。

(5)同时由于高聚物的加入，可以增强基质的粘结性、强度，也能延长基质的使用时间，且基质挂膜情况较好，挂膜速率较高。

(6)两种高聚物的改性以及热塑定形使成品变得坚固耐用而不至于完全炭化，经过高压和热塑处理后，基质部分炭化，其释碳效果会更加缓慢而持久。

本发明的基质取自于农业废弃物的副产品生物质炭，并使用聚丙烯与聚丙烯酰胺改性，利用了其亲水性和生物亲和性的特点；利用农业生产体系物质循环的特点，达到以废治废的目的；本发明的基质既能作为碳源缓释的原料，又能作为浮床基质上微生物挂膜的载体；本发明的基质与水生植物搭配适当，在低碳氮比的河水脱氮中取得了良好的效果。

附图说明

图1为本发明生物质炭改性前的xrd图谱；

图2为本发明生物质炭用聚丙烯和聚丙烯酰胺改性后的xrd图谱；

图3为载体孔隙率及强度与生物质炭含量的关系(图中实线为孔隙率，虚线为强度)；

图4为环境友好型生物质载体与普通生物质碳的微生物挂膜速率比较；

图5为本发明基质应用于生态浮床的布置图；图中：浮床框体1、浮体2、种植盆3、网兜4、挺水植物5；

图6为本发明基质与传统海绵载体、纯秸秆相比去除水体总氮的效果图；

图7为本发明基质与传统海绵载体、纯秸秆相比去除水体氨氮的效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明内容做进一步的说明，但不是对本发明的限定。

实施例1:环境友好型生物质载体制备

本实施例中，利用原材料秸秆烧制成生物质炭，然后再对秸秆生物质炭进行改性，得到环境友好型生物质炭载体，该载体可以作为的生态浮床基质。对农业废弃物秸秆烧制得到的生物质炭，使用以下两种有机物改性：①聚丙烯②聚丙烯酰胺，环境友好型生物质载体的具体制备方法如下：

生物质炭改性：将聚丙烯与生物质炭按比例混合均匀，。在本实施例中，同时设置8个不同混合比例的试验组，混合物中生物质炭的质量百分数分别为50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％。针对每个试验组，分别将聚丙烯与生物质炭的混合物放入1mg/l的聚丙烯酰胺溶液中浸泡2h，然后放入120℃的烘箱中烘焙2h，进行官能团改性

成品制备：取出改性后的生物质炭，在50mpa的压力下将生物质炭基质压制成型，并在可控温马弗炉的170℃炉温下烘焙2小时制成基质成品。

改性前后生物质炭xrd图谱分别如图1和2所示。图1和图2的结果表明，相较于未改性的生物质炭载体，经过聚丙烯等高聚物改性的生物质载体的无定型漫射峰中心向低角度发生了移动，说明部分生物质材料在高温时发生了聚合，生成了晶型材料，从而增大了载体的强度，强化了其物理性能。

而从图3中可以看出，秸秆烧制的生物质炭经过高聚物的改性之后，其强度约在4.0-4.8mpa之间，完全符合生态浮床基质载体长期使用的强度要求。而且当生物质炭的含量约占70％(即聚丙烯与生物质炭的混合质量比为3:7)时制备的生物质基质，能同时满足孔隙率和强度的高要求。此时，生物质基质的强度为4.5mpa，其孔隙度为85％。

由此可见，以上两种高聚物的改性以及热塑定形使成品变得坚固耐用而不至于完全炭化。经过高压和热塑处理后，基质部分炭化，其释碳效果会更加缓慢而持久。而且该生物质炭载体基质具有良好的生物亲和性，是一种环境友好型载体基质。

利用本实施例中制备的环境友好型生物质碳载体基质(取聚丙烯与生物质炭的混合质量比为3:7的试验组制备的基质)，置于富营养化水体中进行为期30天的微生物挂膜试验。同时为了以示对比，取等量的未经过上述改性的普通生物质碳作为对照试验。两者的挂膜试验结果如图4所示，与传统生物质碳相比，环境友好型生物质载体基质在第10天时生物膜量已达到稳定水平(约25mg/g)，远多于同时间普通生物质碳的微生物挂膜量(约8mg/g)，挂膜速率约提高了3倍。以上结果证明了改性后的环境友好型生物质基质作为生态浮床载体微生物挂膜的可行性和高效性。

本发明的环境友好型生物质基质在改性之后，通过增加其在应用时的微生物挂膜速率(即培养下的生物膜量)可以增强水体中微生物的去除效果。但应用本发明生物质基质作为生态浮床基质时，需要在受纳水体的区域内建立至少一个与本发明匹配的生态浮床系统。下面通过另一实施例展示该基质载体在生态浮床中的应用。

实施例2：搭载环境友好型生物质载体的生态浮床应用

如图5所示，本实施例中，将实施例1制备的环境友好型生物质载体挂载至生态浮床中，对富营养化水体进行处理。该生态浮床包括浮体2和浮床框体1。浮体2可采用空心的ppr管，两端封堵后能够悬浮于水面上。浮体2固定在浮床框体1底部，通过其自身的浮力使生态浮床整体漂浮于水面上。浮床框体2形成网格状，每个网格中放置有种植盆3，挺水植物5种植于种植盆3中。每个种植盆下方竖向顺次悬挂有多干个网兜4，网兜4内填充有实施例1中制备的环境友好型生物质载体基质，作为生态浮床的基质。挺水植物可选用水生美人蕉、千屈菜、香菇草、再力花等植物量大、根系发达、根茎繁殖能力强、植株优美的水生植物，这些植物的根系能够向下延伸，在水中与网兜内的生态浮床基质接触。

本实施例中将该浮床置于待处理的富营养化水体中，网兜自然下挂在种植有美人蕉的种植盆的下端，网兜与挺水植物的根系接触。在运行过程中，基质通过与植物根系的结合，在水中形成一层生物膜，基质不断释放碳源，供生物膜中的反硝化菌群生长所用，再通过菌群的反硝化作用脱氮。该生态浮床系统中的氮主要是通过挺水植物的根系与基质上的微生物的硝化和反硝化作用、植物根系的吸收、氨的挥发以及基质的吸附和过滤等过程而去除。氮在自然水体(例如农田排水)中主要以有机氮和无机氮两种形态存在，无机氮可以被挺水植物吸收，合成其生长所需的蛋白质，但这一部分氮仅占总氮量的8％～16％，剩余的多数氮都是有机氮。该生态浮床系统的有机氮在氨化细菌等微生物的作用下比较容易转化为nh4⁺-n。与不挂载基质的生态浮床相比，由于本实施例的生态浮床系统中添加了环境友好型生物质载体，增加了系统处理河道低碳氮比废水时的bod∶no3^--n之比，氮的去除率将大大提高，能从10％左右上升至30％～50％，原因是bod∶no3-n比值太低时不利于反硝化作用的进行，当比值上升到2.3时，反硝化率达到最大值。

另外，为了将本发明的环境友好型生物质载体基质与其他常规基质进行对比，本实施例中还同步设置了传统海绵载体、纯秸秆两种载体进行对照试验。试验在静态条件下进行，分别在试验开始的不同时间测定挂载三种载体的生态浮床中水体的总氮和氨氮浓度。

如图6所示，静态条件下，与传统海绵载体、纯秸秆相比，本发明基质对总氮的去除效率更佳，达到28％，效果明显好于传统海绵载体、纯秸秆。在基质挂膜前三天，接种微生物处于迟滞期，挂膜缓慢，对总氮去除率低。挂膜第3-7天，革兰氏阴性菌逐渐进入稳定期，总氮去除率升高。

如图7所示，静态条件下，与传统海绵载体、纯秸秆相比，本发明基质对氨氮的去除效果更佳，达到了56％，效果明显好于传统海绵载体、纯秸秆。这是由于传统海绵载体微生物挂膜困难，对氮素的去除主要是利用吸附作用完成。本发明基质凭借较大的比表面积，优异的释碳性能，微生物数量较多，聚集较多反硝化菌群，对氮素去除效率更高。

由此表明，本生物质基质在作为浮床基质运行时，生物质基质与水生植物搭配适当，能为微生物附着提供巨大的表面积，易于形成生物膜，促进了污染物被微生物降解利用。而且所用基质是取自于农业废弃物的副产品生物质炭，并使用聚丙烯与聚丙烯酰胺改性，具有亲水性和生物亲和性的特点。在该浮床系统中，生物质基质既能作为碳源缓释的原料，又能作为浮床基质上微生物挂膜的载体。总体而言，本发明生产成本低，生态安全，无污染，适合大面积推广，在治理水体和土壤重金属及有机污染方面有望得到广泛的应用。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。