水体内源污染原位生态消除用曝气系统

本发明涉及水体内源污染处理，特别涉及一种水体内源污染原位生态消除用曝气系统。本发明还涉及一种水体内源污染原位生态消除用耦合系统，其包括底栖动物围隔和曝气膜生物反应器，底栖动物围隔部分埋设在水体底质内，并且底栖动物围隔内布置有能够借助于自身扰动能力使得底栖动物围隔范围内的底质污染物向水体的上覆水层中释放的底栖动物；曝气膜生物反应器包括气体产生装置、曝气膜载体和生物膜，生物膜附着在所述曝气膜载体上；曝气膜载体布置在水体的上覆水层中，并且在竖向方向上对应所述底栖动物围隔布置在其上方，以使得生物膜能够从上方捕捉因底栖动物扰动而向上释放的底质污染物；曝气膜生物反应器具有通过曝气膜载体向生物膜的氧气供应，通过曝气膜载体向生物膜的氧气供应包括通过曝气膜载体供应至所述生物膜的氧气和渗入到水体底质内的氧气。本发明还涉及一种水体内源污染原位消除方法，包括步骤：在需进行污染水体处理的底质处布置底栖动物围隔，在底栖动物围隔内投放能够借助于自身扰动能力使得底质污染物向水体的上覆水层中释放的底栖动物；在水体的上覆水层中，并且在竖向方向上，在底栖动物围隔上方布置曝气膜载体，曝气膜载体上附着有生物膜；进行通过曝气膜载体向生物膜的氧气供应，其中，通过曝气膜载体向生物膜的氧气供应包括通过曝气膜载体供应至所述生物膜的氧气和渗入到水体底质内的氧气。

背景技术：

1、无论是在河湖海洋等自然水体，或是围库鱼塘等人工水体，内源污染(如氮磷营养盐、有机质等)通常远高于水体自身(甚至十倍以上)。在环境生物因子(温度、水流、生物)波动干扰下，内源污染的扩散释放易导致水体污染问题的集中爆发。

2、清除黑臭水体底泥作为消除黑臭水体内源污染的有效措施，在城市污水处理中得到了广泛的应用。目前对黑臭底泥的治理主要是将内源污染物进行迁移或固化，其治理方法有物理方法(如底泥疏浚、人工曝气)，化学方法(如投加絮凝剂)以及生物方法(如水生植物栽种、投加微生物菌剂)。其中应用最为广泛的措施之一是通过底泥疏浚(清淤)将污染部分的底泥直接移除。清淤见效快、在一定程度上削减了污染物总量，但其成本高、工程量大，对于湖泊河流有着较大的破坏，同时会减少水生动植物和底栖动物的生物量和多样性，使沉积物的基底条件与微生境遭到破坏，严重阻碍了水生生态系统结构与功能的恢复。

3、此外，也常采用覆盖泥沙或者投加絮凝剂和锁磷剂等措施“防堵”，以固化内源污染物。对于添加锁磷剂的方法，风浪以及底栖动物的扰动会造成磷的再悬浮和解吸，从而降低锁磷剂的效果，而且高负荷的内源污染也会持续缓慢释放，故一定时间后又需重新投加药剂来固化新释放出来的污染物，处理效果不佳，且花费较多。固化不能改变沉积物污染物的总量，也不能使内源污染物从生态系统中完全清除，而一旦环境发生变化，内源污染物又将重新释放。

4、另外，生物修复是指通过生物(主要包括水生植物和微生物等)的生命活动和代谢过程来吸收、降解或转化沉积物中的污染物。但水生植物对污染物吸收的速率较慢，效果不明显，且高污染黑臭底泥在低氧环境下，往往很难生存；相比之下，投加微生物菌剂法操作更简单方便，对周围环境影响较小，但菌体易流失，可维持期短，在缺氧的环境中对污染物去除效果不理想。

5、基于以上内容可以看出，现有技术中存在的对黑臭底泥的处理技术往往不能真正原位削减内源污染并取得良好的水质净化效果，因此开发一项真正能高效生态减轻内源污染、恢复水体自净功能的集成技术迫在眉睫。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种内源污染原位生态消除方法及其耦合集成系统，其将底栖生物扰动与曝气膜生物反应器技术相耦合，其中通过底栖生物扰动向上覆水中主动释放内源污染，实现内源污染的生态释放去除；通过膜曝气装置的曝气一方面在曝气膜上形成生物膜对经生物扰动释放的内源污染物进行原位生态消除，另一方面向水体底质(沉积物和/或底泥)提供部分氧气，以使得在底质内以及水体底质与上覆水的界面处的溶解氧浓度及梯度分布广度得到提升，进而使得界面处和水体底质内的生态微生境得到根本改善。

2、本发明第一方面提供一种水体内源污染原位生态消除用耦合系统，其包括底栖动物围隔和曝气膜生物反应器，底栖动物围隔部分埋设在水体底质内，并且底栖动物围隔内布置有能够借助于自身扰动能力使得底栖动物围隔范围内的底质污染物向水体的上覆水层中释放的底栖动物；曝气膜生物反应器包括气体产生装置、曝气膜载体和生物膜，生物膜附着在曝气膜载体上；曝气膜载体沿水平方向布置在水体的上覆水层中，并且在竖向方向上对应底栖动物围隔布置在其上方，以使得生物膜能够从上方捕捉因底栖动物扰动而向上释放的底质污染物；曝气膜生物反应器具有通过曝气膜载体向生物膜的氧气供应，通过曝气膜载体向生物膜的氧气供应包括通过曝气膜载体供应至生物膜的氧气和渗入到水体底质内的氧气。

3、进一步的，通过曝气膜载体向生物膜的氧气供应还包括溶解在水体底质-水界面处的氧气，从而使得水体底质与水的界面处的溶解氧的浓度也得到改善。

4、进一步的，底栖动物能够借助自身扰动在有毒物质(如过量氮磷、有机物和其他有毒有害物等)积累、厌氧或者严重缺氧型的水体底质中创造出孔洞廊道，渗入到水体底质内的氧气为自底栖动物创造出的孔洞廊道渗入到水体底质内。

5、其中，所谓上覆水层是指覆盖在水体沉积物上的水层。生物扰动是指底栖动物通过挖穴、摄食、通风、排泄等等生命活动搬运和混合沉积物的过程。曝气膜生物反应器通过曝气，对附着在曝气膜载体表层的生物膜提供其新陈代谢所需要的氧气，其中，曝气膜载体自身具有提供氧气和作为生物膜载体的双重作用。通过气体产生装置向曝气膜载体内部不断供气，膜内的氧气浓度更高，故膜内的氧会由于选择性透过性和氧浓度的差异而不断地向膜外扩散。而水体中的污染物浓度较高，与生物膜最外层存在一定浓度差，加上生物膜对污染物的吸附作用，会使高浓度的污染物基质不断向生物膜的表层富集，进而再向生物膜内部传质，不同位置形成不同的浓度分布。微生物根据膜外不同的氧气梯度，选择性地在其表面形成了独特的分层结构，不同区域有不同的功能群，在这些不同的功能区将水体中的污染物通过好氧氧化、硝化、反硝化、好氧吸磷等作用分解为稳定的物质，而后排放到环境中，使得水体得到了净化，微生物也实现了自身增殖，达到去除污染物的效果。

6、在本发明中，通过底栖动物扰动技术与曝气膜生物反应器技术的相互耦合实现水体内源污染原位生态消除。其中，底栖动物的生物扰动能够促使底质中的污染物向上覆水中释放，而曝气膜载体除了向系统提供氧气，还为微生物提供附着场所，曝气膜载体在水体上覆水层中直接设置在底栖动物围隔的正上方，从而使得曝气膜载体上附着的生物膜对经生物扰动而向上释放的内源污染物进行捕捉。具体地，在底栖动物扰动与膜曝气生物膜原位生态消除耦合技术共同作用下，黑臭系统中碳氮磷得到有效去除；曝气膜载体上附着地生物膜能够吸收溶解态的氮磷，被微生物转化消除，并形成隔离层，减少内源氮磷向水体中的释放。

7、而且，在本发明中，底栖动物在进行生物扰动的过程中，会加速氧的传递作用，促进水体底质-水界面的溶解氧和水体底质内部的溶解氧的梯度化分布，在局部构建出厌氧/缺氧/好氧交界面，利于底质深层厌氧氨氧化菌的生长。而且，底栖动物的自身扰动会在水体底质中创造出孔洞廊道，在此过程中，不仅增加了泥水界面面积和沉积物中溶解氧的消耗，而且还会间歇地将上覆水抽入到这些孔洞廊道中，上覆水中的电子受体如硝酸盐被带入到沉积物的下层，从而缩短了上覆水中硝酸盐向沉积物底层的缺氧反硝化区的扩散距离，进而促进了反硝化反应。而且在底栖动物通过扰动创造出的孔道中存在着比沉积物表层数量更多的细菌，这些细菌中包含大量反硝化细菌，更好地促进了系统反硝化反应。

8、同时地，在上述系统中，曝气膜载体相对水体底质这样设置，能够使得向生物膜供应的氧气部分地渗入水体底质(例如沉积物或底泥)中，以及供应到水体底质与水的界面处。即，在本发明中，通过曝气膜载体向生物膜所供应的氧气会经曝气膜载体供应至生物膜，也有部分将供应到水体底质与水的界面处以及渗入到水体底质内，从而使得界面处和水体底质内的溶解氧浓度得到提升。溶解氧浓度的升高促进了沉积物向上覆水释放的nh4+-n向no2--n，no3--n的转化，这在一定程度上扩大了上覆水与沉积物中氨氮的浓度差，通过浓度梯度加速了nh4+-n的释放，使得nh4+-n被利用而减少。污水通过反应器内的生物膜分层结构后，可进行同步硝化反硝化(snd)，使得nh4+-n转化为no2--n，no3--n后再转化为氮气排出，而氨氮的去除主要依靠硝化细菌完成，溶解氧浓度的升高使得氨氮的去除得以加强。

9、在本发明中，通过底栖动物扰动与膜曝气生物膜原位消除耦合技术地共同作用下，在有利于厌氧氨氧化菌生长的同时加强了反硝化作用。

10、进一步的，曝气膜载体包括多个中空纤维膜单元，每一中空纤维膜单元由多根聚丙烯材质和/或聚四氟乙烯和/或聚偏二氟乙烯材质的膜丝构成，这形成了中空纤维膜载体。在一个优选的实施例中，曝气膜载体选择透气性良好的致密微孔中空纤维膜材料，以此种膜为载体，可以在很小的空间内为微生物的生长繁殖提供很大的表面积，从而增大微生物的密度，而且能够提供无泡曝气，使得其氧气传质效率比常规的曝气系统要高得多，这样既能满足对氧的需要，又能节省能源。在一个优选的实施例中，本发明的曝气膜载体为帘式中空纤维膜组，其由多个中空纤维膜单元构成，每一中空纤维膜单元由多根中空纤维膜丝构成，帘式中空纤维膜组沿水平方向布置在底栖动物围隔正上方，以用于对生态释放的污染物进行捕捉。

11、进一步的，气体产生装置为太阳能曝气机，其通过空气输送管与布置在水体的上覆水层中的曝气膜载体连通，实现间歇、低能耗的供氧。

12、进一步的，底栖动物围隔由不透水高分子材料制成，其为矩形结构且上下表面不密封。

13、进一步的，底栖动物为寡毛类、摇蚊幼虫、螺、贝类和线虫中的一种或几种。

14、进一步的，曝气膜载体距水体底质5-15cm设置。

15、进一步的，在本发明申请中，为解决现有技术中用作曝气膜载体的中空纤维膜的根部沉积难以被清除的问题，本发明的耦合系统还提供一种改进的曝气系统，该曝气系统包括用于安装中空纤维膜束并且用于曝气的曝气管，曝气管包括用于安装中空纤维膜束的安装部、安装中空纤维膜束之后形成的曝气腔和能够接收气体并且能够向中空纤维膜束根部释放气体的气体通道，其中，曝气腔与安装后的中空纤维束的内腔相通，气体通道与曝气腔之间以相互不连通的方式设置，并且气体通道与曝气腔之间以能够被切换的方式进行工作。在具体的实施例中，对应每一中空纤维膜单元或每一中空纤维膜组设置有两个曝气管，两个曝气管对应中空纤维膜丝的两端设置，中空纤维膜丝的端部固定在相对应的曝气管的安装部内。中空纤维膜丝能够为一端与对应的曝气管通气连通形成进气端、另一端封堵的结构，在另外的实施例中也能够为两端均与相对应的曝气管通气连通形成进气结构。

16、在本发明中，曝气管的底部为近似圆形的结构，其内腔通过一沿曝气管长度方向伸展的内部隔板在径向方向上被分隔成气体通道的主气道和前述曝气腔。在曝气管的进气端口处对应前述内部隔板设置有整体结构为l形的调节板，该调节板以能够转动的方式设置在曝气管的进气端口处，其具有第一工作位置(初始位置)和第二工作位置，在气体压力超过一定阈值时调节板能够被推动自第一工作位置移动至第二工作位置。在第一工作位置处，调节板的第一板体与内部隔板相抵配合并且调节板的第二板体将气体通道的主气道的入口封闭，此时曝气腔的入口打开，来自气体产生装置的气体经曝气管的进气端口仅能够进入曝气腔；当调节板在第二工作位置处时，调节板的第二板体与内部隔板相抵配合，并且调节板的第一板体将曝气腔的入口封闭，此时气体通道的主气道的入口打开，来自气体产生装置的气体经曝气管的进气端口仅能够进入气体通道的主气道。

17、当l形的调节板在第一工作位置处时，曝气管仅能够用于曝气，以使得气体进入中空纤维膜束的中空内腔，继而供给微生物膜所必需的氧气和调节水体底质内的溶解氧浓度。当l形的调节板在第二工作位置处时，曝气管仅能够用于对中空纤维膜束外露在曝气管的安装部之外的根部进行吹气，从而增强中空纤维膜束根部的抖动，能够很好的避免现有中空纤维膜组件因追求装填密度大而根部膜丝过于密集、容易积泥的普遍现象，能够始终保持水处理过程中中空纤维膜丝过滤的有效面积和过滤的均匀性，而且能够有效防止因膜丝根部膜污染的快速发展和蔓延而缩短整束膜丝的使用寿命。

18、在本发明中，气体通道还包括沿曝气管的侧壁设置的侧气道和与侧气道连通的出气道，每一出气道均以能够使得气体向中空纤维膜束根部释放的方式倾斜设置。

19、在本发明中，通过将用于对中空纤维膜束根部吹扫的气体通道集成设置在曝气管上，无需再额外设置布气装置；而且通过调节板的切换操作，使得曝气管能够满足曝气和对中空纤维膜束根部吹扫两个相互独立的工作。

20、另外，在本发明中，用于中空纤维膜束的安装部提供一种沿曝气管长度方向为波浪形的安装腔，安装腔具有波峰和波谷，这使得中空纤维膜束安装到安装部后形成与安装腔的形状相适应的波浪形中空纤维膜组，进而在安装部的有限长度内大大提高了中空纤维膜丝过滤的有效面积和过滤的均匀性。其中，气体通道的出气道对应安装腔的每一波峰和波谷分别设置至少一个，以保证对中空纤维膜束根部污染清除的彻底性和均匀性。

21、在本发明的另外一种实施例中，提供一种与前述调节板结构不同的调节机构。该调节机构包括壳体、进气口和两个出气道，其中进气口与气体产生装置相连通，用于接收来自气体产生装置的气体；两个出气道分别第一出气道和第二出气道，其中第一出气道用于与曝气管的曝气腔的入口相连通，第二出气道用于与曝气管的气体通道的主气道相连通。该调节机构包括置于壳体内部的气道切换机构，所述气道切换机构包括内壳、横隔膜、第一截止阀和第二截止阀。其中横隔膜为软体材料制成，优选的通过硅胶制成，横隔膜为半球形结构，在压力下能够向初始状态相反的方向变形；横隔膜设置在内壳的内腔内，并且将内壳的内腔分隔成为第一腔和第二腔。

22、在上述实施例的调节机构中，第一截止阀包括第一弹簧、第一推板、第一滑杆和第一截止阀体，第一滑杆自内壳的第一腔向外穿出，第一弹簧在内壳的第一腔内外套设置在第一滑杆上，第一推板固定在第一滑杆位于第一腔内的杆端上。第一截止阀体固定设置在第一滑杆位于内壳外部的杆端上，并且能够用于打开和关闭第一出气道。第二截止阀包括第二弹簧、第二推板、第二滑杆和第二截止阀体，第二滑杆自内壳的第二腔向外穿出，第二弹簧在内壳的第二腔内外套设置在第二滑杆上，第二推板固定在第二滑杆位于第二腔内的杆端上。第二截止阀体固定设置在第二滑杆位于内壳外部的杆端上，并且能够用于打开和关闭第二出气道。

23、在上述实施例的调节机构中，横隔膜具有第一工作位置(初始位置)和第二工作位置，在第一工作位置处，横隔膜处于初始状态下，其为朝向第二截止阀的半圆形凸起状态，在该初始状态下，横隔膜与第二截止阀的第二推板相抵触，并且依靠横隔膜自身的弹性形变力对第二推板形成压迫，使得第二弹簧被压缩、第二滑杆向内壳外部伸展，最终使得第二截止阀的第二截止阀体将第二出气道关闭。在横隔膜的第一工作位置处，第二出气道被关闭，此时，自调节机构的进气口进入的气体仅能自第一出气道流出，即，此时能够进行曝气管的曝气工作。在横隔膜的第二工作位置处，横隔膜与第一截止阀的第二推板相抵触，并且依靠横隔膜自身的弹性形变力对第一推板形成压迫，使得第一弹簧被压缩、第一滑杆向内壳外部伸展，最终使得第一截止阀的第一截止阀体将第一出气道关闭。在横隔膜的第二工作位置处，第一出气道被关闭，此时，自调节机构的进气口进入的气体仅能自第二出气道流出，即，此时能够进行曝气管针对中空纤维膜束的根部的吹气工作。

24、横隔膜自第一工作位置向第二工作位置的变换是借助于压缩空气的气压实现的。当需要进行针对中空纤维膜束的根部的吹气工作时，可通过与内壳的第二腔连通的压缩空气进气管向第二腔内充入压缩空气，当第二腔内的气压达到一定阈值(20-50kpa)时，横隔膜受力向相反方向弯曲，即形成朝向第一截止阀的半圆形凸起状态。当需要停止针对中空纤维膜束的根部的吹气工作时，可切断向第二腔内的压缩空气供应，横隔膜会在第一截止阀的第一弹簧的复位力下恢复至初始状态，即恢复至朝向第二截止阀的半圆形凸起状态，此时横隔膜会迫使第二截止阀工作，以使得第二截止阀体将第二出气道封闭。在本发明中，第一截止阀的第一弹簧的弹簧力与第二截止阀的第二弹簧的弹簧力不相同，第一截止阀的第一弹簧的弹簧力能够在第二腔的压缩空气供应被中断后迫使横隔膜恢复至初始状态，而第二截止阀的第二弹簧的弹簧力不能够迫使横隔膜向朝向第一截止阀的方向完全变形。

25、在上述实施例中，在通过横膈膜与截止阀配合形成调节机构中，横膈膜随着压缩空气的充入产生自第二截止阀向第一截止阀方向的变形，该种变形控制方式简单且灵敏，能够快速实现通道之间的切换；并且配和截止阀的阀体的半圆形结构，能够在需要关闭相应通道时有效实现对相应通道的完全封闭，同时，在弹簧的作用下又能够在需要打开相应通道时快速且灵敏的打开相应通道。

26、本发明的第二方面提供一种水体内源污染原位消除方法，包括以下步骤：

27、在需进行污染水体处理的底质处布置底栖动物围隔，在底栖动物围隔内投放能够借助于自身扰动能力使得底质污染物向水体的上覆水层中释放的底栖动物；

28、在水体的上覆水层中，并且在竖向方向上，在底栖动物围隔上方布置曝气膜载体，曝气膜载体上附着有生物膜；

29、进行通过曝气膜载体向生物膜的氧气供应，其中，通过曝气膜载体向生物膜的氧气供应包括通过曝气膜载体供应至生物膜的氧气和渗入到水体底质内的氧气。

30、进一步的，通过曝气膜载体向外的氧气供应除附着于载体的生物膜外，还包括溶解在水体底质-水界面处的氧气，以突破泥-水涉及的固-液界面，在底栖动物辅助下实现固-液-气三相的真正富氧。

31、在本发明的水体内源污染原位生态消除用耦合系统及其方法中，在水体底部区域面向底泥与泥水界面，通过投放的底栖动物的掘穴、摄食等生物扰动活动，实现底栖动物围隔范围内的底质污染物质向水体的上覆水层的生态释放；而在水体的上覆水层区域，基于设置在底栖动物围隔竖直上方的曝气膜载体和附着在曝气膜载体上的生物膜，能够实现对经底栖生物扰动而被生态释放到上覆水层中的污染物质的原位降解。也就是说，在本发明的耦合系统中，通过底栖生物扰动向上覆水中主动释放内源污染，实现内源污染的生态释放去除，然后在底栖动物围隔的上方，通过附着在曝气膜载体上的生物膜对经生物扰动释放的内源污染物进行原位消除。

32、本发明的水体内源污染原位生态消除用耦合系统，能够在水体底部的整个竖直空间上起作用，底栖动物扰动行为造成的生态释放能够加速围隔范围内的内源物质流动，削减水体底质内的内源污染物存量；同时，借助于通过曝气膜载体的曝气，除了向生物膜供应其所必需的氧气，还能够实现向水体底质内渗入氧气，从而能够实现对水体底质的溶解氧浓度的改善，强化并保障了底质中原生细菌微生物的生命活动，从根本上助力微生境恢复再造。与传统膜曝气生化降解系统仅能对水中液相可溶物产生部分作用不同，本发明突破了泥-水涉及的固-液界面，实现了污染物的降解区域从上覆水进一步扩大至泥-水界面及以下，使水-固两相微生境均能得到恢复，实现了固-液-气三相的真正富氧。

33、从以上可以看出，在本发明的水体内源污染原位生态消除用耦合系统，复合地使用了底栖动物的生物扰动释放技术和经曝气膜生物反应器的生态降解技术两种污染物处理技术。在本发明中，这两种技术不但能够实现各自的技术作用，而且两者之间还具有意料不到的协同作用。具体地，在本发明中通过借助于曝气膜载体的曝气使得氧气部分地渗入到水体底质内，不但改善了水体底质内的溶氧浓度，而且能够强化底栖动物的生命活动，从而进一步促进了因底栖动物生物扰动而形成的生态释放效果。相应地，借助于底栖动物的生物扰动行为，能够相当程度地促进经曝气膜载体的曝气产生的氧气向水体底质内的渗入。即，借助于底栖动物的生物扰动，能够将经曝气膜载体的曝气向水体底质内渗入的溶解氧带入泥水界面以及泥水界面以下的水体底质深层区域，这能够大大激化水体底泥中微生物的生命活性，使得污染物的降解区域从上覆水区域进一步扩大至泥水界面及以下。从此可以看出，相比较于现有技术中单独使用底栖动物扰动技术或者膜曝气生物反应器技术的方案，本发明的耦合系统实现了意料不到的技术效果。

34、本发明提到的耦合技术由更生态、高效和可持续性单元构成，其他耦合技术或只耦合微生物与植物，没有考虑重污染水体底泥严重缺氧、微生物难以适应、植物难以存活的情况；或采用藻类和底栖动物共生的方式；或者没有氧环境改善、没有释放与降解的全流程作用。

35、有益效果：在本发明中，由于曝气管的气体通道与曝气腔之间以能够被切换的方式进行工作，当曝气腔被切换用于工作时，曝气管仅能够用于曝气，以使得气体进入中空纤维膜束的中空内腔，继而供给微生物膜所必需的氧气和调节水体底质内的溶解氧浓度；当气体通道被切换用于工作时，曝气管仅能够用于对中空纤维膜束外露在曝气管的安装部之外的根部进行吹气，从而增强中空纤维膜束根部的抖动，能够很好的避免现有中空纤维膜组件因追求装填密度大而根部膜丝过于密集、容易积泥的普遍现象，能够始终保持水处理过程中中空纤维膜丝过滤的有效面积和过滤的均匀性，而且能够有效防止因膜丝根部膜污染的快速发展和蔓延而缩短整束膜丝的使用寿命。

36、下面结合附图中所示的实施例以及附图标记详细公开本发明的本发明的水体内源污染原位生态消除用耦合系统。