一种室内曝气下水生植物和微生物修复污染水体的反应装置、方法和应用

1.本发明属于污染水体处理技术领域，涉及一种室内曝气下水生植物和微生物修复污染水 体的反应装置、方法和应用。


背景技术：

2.当前国内外针对城市污染河流的治理技术，按其应用原理通常分为物理法、化学法和生 物生态法。其中，物理、化学方法，如底泥疏浚、环境调水、化学除藻等修复技术发展比较 系统、成熟，但其不能根除污染物，易造成河道二次污染，忽视河流生态系统的恢复，导致 河流缺乏自净能力，是引起城市河道污染现象反复出现的主要原因，且物理法和化学法所花 费的成本都较高。
3.近几十年以来，利用生物修复恢复或重建受损的水环境生态系统，越来越受到国际社会 的重视。在20世纪50年代，利用水生植物等组成的人工湿地已被证明可以有效地处理农业、 工业和城市等污染水体。我国利用水生植物净化水质的研究工作起步较晚，国内太湖、滇池、 巢湖等治理以前主要集中在点源和非点源的控制，近年来生态综合治理越来越受到重视。对 污染河流水环境开展生态修复已经成为研究热点，生态修复是指利用某种特定的生物或某几 种生物联合作用，有效削减水环境中的有机、无机污染物，提高河道自身的净化能力，稳定 水生生态系统，是水质改善和长效保持不可缺少的措施，旨在使遭到破坏的水生生态系统恢 复到受损前的健康自然状态。植物修复作为生物生态法的一类典型技术，引起了广泛关注。 植物修复是利用水生植物发达的根系和茎叶在其生长代谢过程中吸收、吸附、降解或固定水 中的重金属、有机物、氮磷物质等污染物，从而达到净化水质的目的。常见的水生植物有挺 水植物、浮水植物、沉水植物等，挺水植物和浮水植物扎根于河道沉积物中，生长在气-水界 面之上，具有较强的抗污性、较高的净水能力和一定的景观效应，在植物修复工程中发挥着 重要作用，其中挺水植物有发达的根系，体积较大，可以吸收、吸附水中污染物，还可以分 泌出化感物质可以抑制藻类的生长，而浮水植物的叶片浮于水面，通过光合作用向水下释氧， 吸收水中污染物；沉水植物生长于水体表面以下，宽阔的叶片直接接触水中有机、无机污染 物，已有研究报道指出，沉水植物可以高效地从周围水环境中去除污染物，有利于水生态系 统的健康稳定。常见的沉水植物有苦草等，经常被被作为植物先锋种广泛应用于污水处理工 程。由于植物生长和附着的微生物数量有限，单纯的水生植物修复污染水体的效果不理想， 所以加强附着的生物量是提高系统修复性能的关键。将水生植物与微生物相结合组成修复系 统，充分发挥水生植物和微生物的作用，可以提高系统的修复效能。水生植物和生物载体的 选择对生物修复系统的去除效能至关重要，它们承载了系统的主要去除功能。
4.同时，大部分研究表明不同的水生植物对污染水体有着较好的修复效能，水生植物的生 长能力一般比较顽强，能快速的适应不同的环境；研究人员也发现不同水生植物组合之间去 除水中氮磷的效果都不相同，挑选合适的水生植物进行水体修复，且如何通过生
物载体的方 法固定体积较小的水生植物对修复污染水体有一定的研究意义。
5.通过检索，发现如下两篇与本发明专利申请相关的专利公开文献：
6.1、微生物与水生植物协同净化污染水体的方法(cn104528942a)，包括以下步骤，a. 微生物缓释管管内填充复合微生物制剂；b.通过水生植物将微生物缓释管应用于污染水体或 者底泥中；c.随着水生植物的生长，微生物缓释管管中的微生物逐步释放出来，附着在沉水 植物上，形成生物膜。本发明采用微生物与水生植物协同净化污染水体。本发明采用填充复 合微生物制剂的微生物缓释管，一方面大大提高了稳定性、耐冲洗性能，另外也提高了微生 物菌的负载量以及微生物菌的增殖，总的来说，达到了提高污水处理效率的目的。
7.2、一种水生植物-微生物电化学修复系统及其应用、治理有机污染水体的方法 (cn113480013a)，包括包括复合工作电极(9)、碳毡对电极(4)、水生修复植物(5)和恒电位 仪(6)；所述复合工作电极(9)与所述恒电位仪(6)通过第一外导线(71)电信连接；所述碳毡对电 极(4)与所述恒电位仪(6)通过第二外导线(72)电信连接；所述复合工作电极(9)包括生物炭(2)。 所述水生植物-微生物电化学修复系统对有机污染水体具有很好的治理效果。
8.通过对比，本发明专利申请与上述专利公开文献存在本质的不同，本发明专利申请没有 额外添加微生物，只是利用水体本身存在的微生物，而且水生植物可以增加微生物的多样性、 数量和活动强度等来增强微生物对氮的转化去除，对污染水体起到修复作用。


技术实现要素：

9.本发明目的在于克服现有技术中的不足之处，提供一种室内曝气下水生植物和微生物修 复污染水体的反应装置、方法和应用。
10.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
11.一种室内曝气下水生植物和微生物修复污染水体的反应装置，所述反应装置包括透明塑 料箱、打孔聚苯乙烯泡沫板、聚氨酯定植棉、塑料隔板、沉水植物苦草定植篮和曝气管，所 述透明塑料箱沿水平方向设置，该透明塑料箱呈顶部开口的中空槽状，该透明塑料箱的材质 为透明材料，所述打孔聚苯乙烯泡沫板、聚氨酯定植棉、塑料隔板和曝气管均设置于透明塑 料箱的中空内部；
12.所述曝气管相连接设置于透明塑料箱内的底部，所述曝气管上方的透明塑料箱上相连接 设置塑料隔板，该塑料隔板上间隔相连接设置多个沉水植物苦草定植篮，该沉水植物苦草定 植篮内相连接设置聚氨酯定植棉，该聚氨酯定植棉上能够固定设置沉水植物苦草的根茎，沉 水植物苦草的根茎在处理过程中能够作为微生物的附着载体；
13.所述沉水植物苦草定植篮上方的透明塑料箱上相连接设置打孔聚苯乙烯泡沫板，该打孔 聚苯乙烯泡沫板包括聚苯乙烯泡沫板本体和多个挺水植物梭鱼草固定孔，多个挺水植物梭鱼 草固定孔间隔设置于聚苯乙烯泡沫板本体上，挺水植物梭鱼草固定孔能够用于固定挺水植物 梭鱼草，该打孔聚苯乙烯泡沫板靠近透明塑料箱的顶部开口处设置。
14.进一步地，所述透明塑料箱的尺寸为：长为535cm，宽为392cm，高为325cm，所述 塑料隔板设置于距离透明塑料箱箱底上方7cm处。
15.进一步地，所述曝气管为纳米曝气管。
16.进一步地，所述曝气管为盘式微纳米曝气管。
17.如上所述的反应装置在修复污染水体方面中的应用。
18.利用如上所述的反应装置修复污染水体的方法，步骤如下：
19.首先，将透明塑料箱放好，在透明塑料箱的底部放入曝气管，将塑料隔板放置在曝气管 上方，塑料隔板上固定苦草定植篮，将沉水植物苦草通过聚氨酯定植棉放入沉水植物苦草定 植篮中，聚氨酯定植棉用于固定苦草根部，沉水植物苦草安装完成后加入污染水体，污染水 体体积占透明塑料箱体积的2/3，然后在透明塑料箱上部放入打孔聚苯乙烯泡沫板，挺水植物 梭鱼草固定孔内放置挺水植物梭鱼草，梭鱼草植物根部要完全浸入污染水体中；梭鱼草安装 完成后，开始运行反应装置；
20.打开曝气管进行持续充氧，时间为31天；曝气管向污染水体中持续充氧，使微生物和植 物生长；挺水植物梭鱼草和沉水植物苦草能够吸收污染水体中的无机氮污染物，经过长时间 装置的运行，植物在生长代谢过程将无机氮污染物转化成体内的有机氮，在结束时经人工收 割过程从水环境中彻底去除，达到脱氮效果，修复污染水体。
21.进一步地，所述打孔聚苯乙烯泡沫板的孔内通过定植篮固定放置挺水植物梭鱼草。
22.如上所述的方法在修复污染水体方面中的应用。
23.本发明取得的优点和积极效果为：
24.1、本发明方法通过植物和微生物联合技术可以很好的修复污染水体，这种方法比传统的 物理法和化学法更加节省人力、物力和财力，并且水生植物也有观赏作用。
25.2、本发明中聚氨酯定植棉既有固定植物根部的作用，又有作为生物膜载体富集微生物， 起到修复污染水体的目的，并且聚氨酯定植棉价格低廉，稳定性好。
26.3、本发明方法微生物对污染水体的修复过程中起到的作用大于水生植物的吸收作用，且 实验过程中氨氮和总氮的浓度降低较快，水质净化效果明显。
27.4、本发明中沉水植物苦草和挺水植物梭鱼草的同时使用具有协同作用，能够协同提高微 生物群落的物种丰富度，同时也能够协同提高水体中氮的去除率。
28.5、本发明运用生物生态法中的植物修复和微生物修复对污染水体进行修复，通过实验判 断微生物和植物对修复水体的能力，分析植物和微生物在整个修复污染水体中的作用，并且 对微生物哪些菌种在修复污染水体中发挥作用作出解释。
附图说明
29.图1为本发明反应装置的结构连接示意图；
30.图2为本发明中水体中nh
4+-n浓度和去除率的变化图；其中，v:苦草组，p:梭鱼草组， v+p：混合组；
31.图3为本发明中属水平下微生物群落组成及相对丰度柱状图；其中，v:苦草组，p:梭鱼 草组，v+p：混合组，括号里的数字代表水体微生物的采样天数，m代表定植棉中的微生物。
具体实施方式
32.下面详细叙述本发明的实施例，需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的， 不能以此限定本发明的保护范围。
33.本发明中所使用的原料，如无特殊说明，均为常规的市售产品；本发明中所使用的方法， 如无特殊说明，均为本领域的常规方法。
34.一种室内曝气下水生植物和微生物修复污染水体的反应装置，如图1所示，所述反应装 置包括透明塑料箱1、打孔聚苯乙烯泡沫板、聚氨酯定植棉(图中未标号)、塑料隔板7、沉 水植物苦草定植篮6和曝气管8，所述透明塑料箱沿水平方向设置，该透明塑料箱呈顶部开 口的中空槽状，该透明塑料箱的材质为透明材料，所述打孔聚苯乙烯泡沫板、聚氨酯定植棉、 塑料隔板和曝气管均设置于透明塑料箱的中空内部；
35.所述曝气管相连接设置于透明塑料箱内的底部，所述曝气管上方的透明塑料箱上相连接 设置塑料隔板，该塑料隔板上间隔相连接设置多个沉水植物苦草定植篮，该沉水植物苦草定 植篮内相连接设置聚氨酯定植棉，该聚氨酯定植棉上能够固定设置沉水植物苦草5的根茎， 沉水植物苦草的根茎在处理过程中能够作为微生物的附着载体；
36.所述沉水植物苦草定植篮上方的透明塑料箱上相连接设置打孔聚苯乙烯泡沫板，该打孔 聚苯乙烯泡沫板包括聚苯乙烯泡沫板本体2和多个挺水植物梭鱼草固定孔3，多个挺水植物 梭鱼草固定孔间隔设置于聚苯乙烯泡沫板本体上，挺水植物梭鱼草固定孔能够用于固定挺水 植物梭鱼草4，该打孔聚苯乙烯泡沫板靠近透明塑料箱的顶部开口处设置。
37.较优地，所述透明塑料箱的尺寸为：长为535cm，宽为392cm，高为325cm，所述塑 料隔板设置于距离透明塑料箱箱底上方7cm处。
38.较优地，所述曝气管为纳米曝气管，更优地，所述曝气管为盘式微纳米曝气管。
39.本发明室内曝气下水生植物和微生物修复污染水体的反应装置的一种安装及使用方法， 步骤如下：
40.首先，将透明塑料箱放置在实验台，放入曝气管于底部，用塑料隔板放置在曝气管上方， 塑料隔板上固定苦草定植篮，将沉水植物苦草放入定植篮中，聚氨酯定植棉用于固定苦草根 部，沉水植物安装完成后加入污染水体，污染水体体积占塑料箱的2/3，然后在透明塑料箱上 部放入已打孔聚苯乙烯泡沫板，孔内放置定植篮固定梭鱼草，梭鱼草植物根部要完全浸入污 染水体中。梭鱼草安装完成后，开始运行实验装置。打开曝气管电源进行持续充氧，实验周 期为31天。微孔曝气管向污染水体中持续充氧，快速提高水中do含量，使微生物和植物快 速生长。污染水体中氮的去除主要通过植物吸收和微生物的硝化和反硝化作用。水生植物梭 鱼草和苦草可以吸收污染水体中的无机氮污染物，经过长时间装置的运行，植物在生长代谢 过程将无机氮污染物转化成体内的有机氮，在实验结束时可以经人工收割过程从水环境中彻 底去除，达到脱氮效果。水体有机污染物的去除主要通过微生物降解转化，水体内的微生物 发挥着重要的作用，聚氨酯定植棉作为生物载体，能形成生物膜，可以附着更多的微生物， 使微生物快速生长繁殖。定植棉载体表层及内部可以为微生物提供好氧及厌氧分区环境形成 生物膜，聚集大量的微生物，进行硝化和反硝化作用，对污染水体进行修复，生物膜表面聚 集的微生物有：气单胞菌属、假单胞菌属、鞘氨醇单胞菌属、红杆菌属、不动杆菌属等，通 过查阅文献了解到这些菌属中的单种菌就可以实现同步硝化和反硝化脱氮，可以降低污染水 体中的氮污染。
41.相关检测：
42.(1)方法：首先根据将整个装置搭建起来，用塑料隔板将曝气装置和植物分隔开，将体 积较小的沉水植物放置在沉水植物苦草定植篮内，用聚氨酯定植棉将沉水植物苦草
固定好， 打孔聚苯乙烯泡沫板固定体积较大的植物。实验共设计三组，分别为苦草组(v)、梭鱼草组(p) 和混合组(苦草+梭鱼草，v+p)，每组重复三次，共计9个培养箱。将装置搭建好之后需要 启动装置。实验用水采自天津泰达威立雅水务有限公司污水处理厂的进水，该污水处理厂的 进水包括60％的生活污水和40％的工业废水。所有水样于-20℃下避光冷冻保存，水质初始 指标和检测方法如表1、表2所示。水体微生物群落样品分别于t12和t31(即在12、31天 的时候检测水体中的微生物，表示为t12和t31)采集两次，抽滤到0.45μm的聚醚砜滤膜， 滤膜置于5ml无菌离心管内于-80℃冰箱内保存。于t13(即在13天的时候检测定植棉中的 微生物)采集一次定植棉生物膜的微生物群落样品，将定植棉分装到两个500ml的无菌三角 烧瓶进行微生物群落的提取。将水样混合后抽滤到0.45μm的聚醚砜滤膜上，滤膜放置于5ml 无菌离心管中储存于-80℃冰箱内，微生物群落样品的分析采用16s微生物多样性测序。通过 高通量测序观察水体内的微生物群落和聚氨酯定植棉的微生物群落，看植物和微生物联合作 用对水体中氮磷的去除效果。水生植物在整个实验过程中都在发挥作用，培养箱中所使用的 水体中有微生物存在，微生物从实验开始到实验结束一直发挥作用，选取实验中期和实验后 期微生物进行分析，分析微生物中哪些菌种对水体进行修复，并且比较微生物和水生植物对 污染水体作用大小。
43.表1本发明反应处理初始的水质指标参数(mg/l)
[0044][0045]
表2水质样品检测方法
[0046][0047]
由图2中的试验结果的数据表明：
[0048]
水体中氮的去除主要通过植物吸收和微生物的硝化和反硝化作用。水体初始的硝酸盐和 有机态氮的浓度都很低，氮素的主要形态为氨态氮的形式，在总氮中的占比为90％～99.4％。 一般情况下，氨态氮比硝态氮更容易被植物吸收同化利用。三个处理组的氨氮浓度在实验结 束时去除率就已经达到95％以上。图2中苦草组的初始浓度为14.96mg/l，梭鱼草组的初始 浓度为15.15mg/l，混合组的初始浓度为15.71mg/l；而在实验结束时苦草组氨氮的浓度为 0.33mg/l，去除率为97.8％；梭鱼草组的氨氮浓度为0.28mg/l，去除率为98.2％；混合组氨 氮的浓度为0.26mg/l，去除率为98.3％。因此整体上对比来看，三个处理组中混合组对氨氮 的去除效果最好，且通过文献查阅发现苦草和梭鱼草可以分泌一些化感物质，这些化感物质 对藻类的生长起到抑制作用。苦草会分泌有机酸、有机醇及有机酯类化合物，其中有机酸的 含量占比最高，丁二酸、苯酚、邻苯二甲酸可能会破坏藻细胞结构sod、pod活性，促进叶 绿素分解，可以推测出主要化感抑藻物质为有机酸。在梭鱼草根状茎中分离鉴定出11种有 机酸类化感物质，梭鱼草根状茎水浸提液对铜绿微囊藻抑制效果最
佳，并从中提取鉴定出多 种有机酸类物质，筛选出梭鱼草根状茎中含量较高、抑藻效果较好的丁二酸、肉桂酸、香草 酸，通过实验发现，丁二酸、肉桂酸、香草酸对铜绿微囊藻生长的抑制作用均表现为协同效 应。由此可以看出，沉水植物苦草和挺水植物梭鱼草的同时使用具有协同作用，能够协同提 高水体中氮的去除率，而且还能抑制藻类的生长。
[0049]
由表3中的试验结果的数据表明：
[0050]
coverage是指样品文库的覆盖率，反映了本次测序结果代表真实样品的情况。不同样本 的coverage介于0.990-0.994，说明测序较稳定，对样品的覆盖度较高。物种数和chao1指数 均表征微生物群落的物种丰富度，两者的变化趋势是一致的(表3)。12天时混合组的物种 数为1307，高于梭鱼草组和苦草组的物种数，混合组的chao1指数也是高于梭鱼草组和苦草 组；31天时三个处理组的物种数比12天的微生物物种数略有增加，而chao1指数变化不大。 无论是12天还是31天，水体样本混合处理组的物种数和chao1指数高于单独的苦草和梭鱼 草处理组，混合组的物种丰富度高于其他两个处理组。由此可以看出，沉水植物苦草和挺水 植物梭鱼草的同时使用具有协同作用，不仅能够协同提高水体中氮的去除率，同时也能够协 同提高微生物群落的物种丰富度。
[0051]
表3不同处理组的微生物的丰富度指数
[0052][0053][0054]
图3中实验结果的数据表明：
[0055]
从12天和31天微生物群落的相对丰度比例来看，以新鞘氨醇菌属(novosphingobium)、 黄杆菌属(flavobacterium)、多核杆菌属(polynucleobacter)为优势属。12天时，梭鱼 草组的新鞘氨醇菌属相对丰度占比(23.48％)最高，苦草组的黄杆菌属相对丰度占比最高， 为13.76％。到31天时，新鞘脂菌属、黄杆菌属和多核杆菌的丰度比例都下降，梭鱼草组的 新鞘脂属降低到13.46％，solitalea和沙壤土杆菌属(ramlibacter)的比例相对较高分别为 5.71％和5.24％；苦草组的黄杆菌属降低到0.17％，而文氏菌属(lewinella)和malikia的丰 度比例分别升高到17.45％和8.73％。混合组在12天时新鞘氨醇菌属的丰度占比最大(8.67％)， 在31天以edaphobaculum相对丰度(11.76％)最高。
[0056]
定植棉生物膜的微生物群落优势属与水体样品差别较大，相对丰度较高的属有气单胞菌 属(aeromonas)、假单胞菌属(pseudomonas)、红杆菌属(rhodobacter)等，苦草组的气 单胞菌属的相对丰度比例最高，为59.44％，梭鱼草组的假单胞菌属(6.51％)和莱茵海默氏 菌属(rheinheimera)(6.20％)相对丰度比例为最高；混合组黄杆菌属和 gks98_
freshwater_water丰度比例最高，分别为11.08％和11.21％，其次是莱茵海默氏菌属 (7.39％)。水体微生物群落的两个最优势的属为新鞘氨醇菌属和黄杆菌属。新鞘氨醇菌属于 革兰氏阴性菌，同时兼有好氧反硝化和除磷的功能，黄杆菌属属于拟杆菌门，是一种异养硝 化-好氧反硝化细菌，在人工湿地处理污水过程中，能有效地降解各种有机污染物。定植棉载 体表层及内部可以为微生物提供好氧及厌氧分区环境形成生物膜，与水体好氧环境相比，微 生物群落的结构组成是以气单胞菌属、假单胞菌属、鞘氨醇单胞菌属、红杆菌属、不动杆菌 属(acinetobacter)为优势。这类细菌属于异养硝化-好氧反硝化细菌，单种菌就可以实现同 步硝化和反硝化脱氮，是一类耐受高浓度氨氮和有机碳的新型脱氮菌。这类细菌突破了传统 的脱氮理论，硝化和反硝化在异养和好氧条件下同时发生，可以看出定植棉生物膜的微生物 群落主要以好氧型为主。微生物发挥的作用比水生植物高，我们也可以发现很多除氮的菌种， 这些菌种在修复水体污染的过程中发挥着重要的作用。在实验结束时，通过查阅文献也发现 了微生物附着载体的聚氨酯定植棉可以通过改性的方法，附着更多的微生物，进而提高污染 水体的修复。一般载体的改性方法为本体改性和表面改性，对于本体改性过程而言，具有操 作简单，改性材料容易获得等诸多优点。表面改性指改变载体表面的分子或原子性能，或直 接导入载体表面一些新物质，使其具有某种特殊功能或增强填料的某种特性，如亲水性，韧 性等。有研究表明，生物载体表面的疏水性或亲水性一般要低于或高于悬浮微生物表面的， 而细菌细胞表面大多是亲水的，因此在一般情况下，尽可能地改善生物载体表面的亲水性能 是载体改性方法的角度之一。程江等制备的磁性聚丙烯改性填料大大增加了生物亲和性和亲 水性，在挂膜试验中发现，系统内生物膜形成速度快，挂模量多，微生物附着力最好，且cod 去除率高。在后续实验过程中我们可以对聚氨酯定植棉载体进行改性的探究，增加微生物对 于污水中污染物的吸附效果，从而提高微生物对污染物的去除效果。
[0057]
本发明反应装置的一种工作原理为：
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将水生植物与微生物相结合组成修复系统，充分发挥水生植物和微生物的作用，可以提 高污染水体的修复效能。植物和聚氨酯定植棉可以很好的附着微生物，使微生物修复能力提 高。曝气系统开启后，在培养箱的污染水体中充满溶解氧，为植物和微生物的生长提供了条 件。当水生植物开始吸收氮磷，微生物也开始进行硝化和反硝化除氮，去除污染水体中的有 机物。水生植物对污染水体中的氮磷有较强的吸附能力，且梭鱼草的根系发达，可以更好的 附着微生物，苦草有非常好的耐污能力；聚氨酯定植棉不仅能起到固定植物的作用，定植棉 载体表层及内部可以为微生物提供好氧及厌氧分区环境形成生物膜，富集以气单胞菌属、假 单胞菌属、鞘氨醇单胞菌属、红杆菌属、不动杆菌属为优势的菌属，这类细菌属于异养硝化
‑ꢀ
好氧反硝化细菌，单种菌就可以实现同步硝化和反硝化脱氮，是一类耐受高浓度氨氮和有机 碳的新型脱氮菌。这类细菌突破了传统的脱氮理论，硝化和反硝化在异养和好氧条件下同时 发生，可以看出定植棉生物膜的微生物群落主要以好氧型为主。聚氨酯材料还有非常多的优 点，如稳定性高、比表面积大、价格低廉等。在修复污染水体的过程中微生物和植物共同作 用去除水体中的氮磷和有机物，而植物只能吸收无机态的氮磷，植物的选择可以视情况而定， 有机态的氮磷只能靠微生物来降解，微生物在修复污染水体的过程中发挥着重要的作用。所 以植物和微生物联合修复污染水体既能使水体达到排放标准，植物也有一定的景观作用。
[0059]
尽管为说明目的公开了本发明的实施例，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本 发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的 范围不局限于实施例所公开的内容。