基于强化自固定反硝化菌富集的河道底泥高效修复装置

本发明涉及一种河道底泥修复装置。

背景技术：

1、工业化和城市化的发展导致大量有机物进入河道，造成水体黑臭及富营养化，严重威胁生态安全和人类健康。河道底泥中含有大量有机质(om)、硫元素及挥发性硫化物(avs)，是影响河道水质的关键因素。

2、常见的底泥原位修复手段包括物理修复、化学修复和生物修复。物理修复采用清淤疏浚、底泥覆盖及人工复氧等物理手段去除底泥中污染因子。化学修复采用投加化学药剂氧化或钝化底泥，去除底泥污染物。但物理及化学修复均对水体底部生态系统影响明显，容易造成底栖物种生物多样性降低，且处理成本较高。

3、与物理化学方法相比，微生物原位修复技术依赖于自然界微生物，具有节能低碳、环境友好、无二次污染等优点，具有良好的发展前景。微生物原位修复采用投加微生物或特定功能性菌群，利用微生物新陈代谢、异养反硝化、硫自养反硝化、有机磷降解等生物作用，降低底泥中硫化物、有机质、氮素及磷污染，进而改善底泥黑臭问题。但由于微生物原位修复中菌群抗冲击能力弱且易流失、其启动周期较长，污染物降解效率不佳，制约了微生物原位修复的应用。强化微生物富集效果是解决现有微生物原位修复技术启动周期长、降解效率低的关键。

4、固定化微生物技术的应用不仅可以提高微生物的活性和稳定性，还可以保持微生物的高纯度和丰度，提高了微生物的可回收性和可重复使用性，并最大限度地降低了运营成本。固定化微生物对ph、温度、底物浓度和复杂的微生态环境的适应能力更强。微生物和载体之间的多点连接可以提高单体运行的稳定性，减少细胞团聚、蛋白质自溶和结构硬化。固定化微生物技术通常以多孔性吸附材料作为微生物附着基底，强化微生物富集。但吸附作用结合强度低，其固定微生物易解吸脱附，且多孔性材料生物相容性不佳，微生物后续生长受限，生物附着效果有待进一步提高。固定化微生物技术存在的问题再补充点。由于自然水体环境复杂，以多种微生物协同处理多种污染物问题，微生物的选取与固定受阻，固定化微生物技术需要合理调配多种微生物的生存环境，培育本土微生物或优势菌种，在不破坏原有的微生物结构的基础上高效治理水体。

技术实现思路

1、为了克服现有微生物原位技术启动周期长、降解效率低的不足，本发明提供了一种基于强化自固定反硝化菌富集的河道底泥高效修复装置，通过开发高生物亲和性缓释填料载体，结合选择压定向筛选策略，强化具有污染物降解功能的特定反硝化菌群富集，实现河道底泥高效原位生物修复，具有经济效益高、缓释效果稳定、挂膜成本低速度快、污染物去除效率高、能够有效改善黑臭河道且避免上覆水硝酸盐浓度升高带来二次污染的优势。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种基于强化自固定反硝化菌富集的河道底泥高效修复装置，包括填料和填料外壳，所述填料为缓释硝酸盐填料并作为微生物附着载体；所述填料外壳为立方体塑料组件，所述填料位于所述填料外壳内。

4、进一步，所述复合载体由四水合硝酸钙、聚乙烯醇、海藻酸钠和黏土组成。优选的，所述黏土类材质为底泥或硅藻土。

5、再进一步，所述填料外壳是由上下两部分塑料构件通过螺纹连接固定形成空心立方体；所述填料外壳由一个开口的笼体结构、上盖和插入杆构成；所述笼体结构由正立方体环和十字肋条组成，十字肋条分别固定在正立方体环的底面和侧面，顶面为开口式；所述笼体结构两个侧面的十字肋条的中间位置分别设置一个矩形环，顶面的四条边框的中间位置分别设置一个螺孔，底面的四角处分别设置一个螺孔；所述上盖由一个正方形环和一个十字肋条组成，肋条固定在正方形环四边，正方形环四条边框的中间位置分别设置一个螺孔，四角处分别设置一个卡槽；所述插入杆为箭体结构，顶端设有螺柱，距离底部尖端一定距离处设有卡扣；所述填料外壳的笼体和上盖通过尼龙螺丝连接，插入杆通过自身的螺柱旋入笼体底部的螺孔固定；两个填料外壳的上下连接通过插入杆的卡扣和上盖的卡槽互相嵌入连接固定，左右连接使用不锈钢吊杆连接矩形环。

6、优选的，所述填料的直径小于填料外壳立方体环的棱长，所述立方体填料外壳总高度为10-60cm，所述正立方体环棱长为5-8cm，正方形环棱长为5-8cm，十字肋条长为5-8cm，所述正立方体环、正方形环、十字肋条宽为0.8-1.5cm，厚度为0.8-1.5cm，所述插入杆长度为可选，根据河道底泥深度选择适合的插入杆，长度为5-50cm，直径为0.5-1.0cm，螺杆直径为0.3-0.8cm，高0.8-2.0cm，距离底部尖端0.5-1.2cm处设置环形卡扣。

7、所述填料的制备方法：11l去离子水中加入四水合硝酸钙，在40～50℃下溶化，四水合硝酸钙的质量分数45～55％；逐渐加入聚乙烯醇，85～95℃水浴加热，搅拌至少1h，使其充分溶解，聚乙烯醇的质量分数5～10％；加入海藻酸钠，继续搅拌1h，待其完全溶解后停止加热，海藻酸钠的质量分数为0.5～2％；待冷却至35～45℃时，加入黏土类材质至上述溶液中搅拌均匀，黏土类材质的质量分数40～60％，将混合物倒入球形模具中冷却凝固，之后置于50～60℃烘箱中干燥，制成球粒缓释硝酸钙填料。

8、所述装置选择压定向筛选策略，以缓释硝酸盐填料为载体，以待修复河道底泥作为接种污泥，通过选择压定向筛选的方法强化反硝化产eps菌群在填料载体上的富集。

9、优选的，采用柱式厌氧反应器，设有二沉池回流，反应器中心设置搅拌桨，将填料填充于反应器中，通过水浴恒温装置控制温度在25～30℃，保证整个反应器处于严格厌氧环境，do小于0.5mg/l；以河道底泥作为接种污泥，反应器中接种的污泥浓度为3500～4500mg/l，进水cod浓度为200～250mg/l，硝酸盐氮浓度为40～50mg/l，tp浓度为2.0～2.5mg/l，olr为0.4～2.0kgcod/m3·d，投加碳酸氢钠补充碱度，调节出水ph值6.5～8.5；反应过程中控制搅拌速度在100～150rpm，使g值不低于500s-1，强化具有产eps功能的反硝化菌群，例如thauera sp.及rhodobacter sp.等富集；当硝酸盐氮去除率稳定在90％以上，反硝化速率达到2.0mg no3--n/gvss·h以上，且同时有棕黑色生物膜形成时，认为填料中反硝化菌群富集成功。

10、所述基于强化自固定反硝化菌富集的河道底泥高效修复装置在底泥污染物原为修复的应用。

11、所述的应用为：将已挂载反硝化菌的填料装填于填料外壳中，多个填料装置通过插入杆的卡扣和外壳上盖的卡槽相互固定实现上下连接，完成上下连接的填料装置通过不锈钢吊杆左右连接，将装置底部的插入杆插入河道底泥底部进行原位微生物修复，硝酸盐的投加量在0.70-0.98g/g(avs)。

12、本发明的有益效果主要表现在：实现河道底泥高效原位生物修复，具有经济效益高、缓释效果稳定、挂膜成本低速度快、污染物去除效率高、能够有效改善黑臭河道且避免上覆水硝酸盐浓度升高带来二次污染的优势。

技术特征：

1.一种基于强化自固定反硝化菌富集的河道底泥高效修复装置，其特征在于，所述装置包括填料和填料外壳，所述填料为缓释硝酸盐填料并作为微生物附着载体；所述填料外壳为立方体塑料组件，所述填料位于所述填料外壳内。

2.如权利要求1所述的基于强化自固定反硝化菌富集的河道底泥高效修复装置，其特征在于，所述复合载体由四水合硝酸钙、聚乙烯醇、海藻酸钠和黏土类材质组成。

3.如权利要求2所述的基于强化自固定反硝化菌富集的河道底泥高效修复装置，其特征在于，所述黏土类材质为底泥或硅藻土。

4.如权利要求1～3之一所述的基于强化自固定反硝化菌富集的河道底泥高效修复装置，其特征在于，所述填料外壳是由上下两部分塑料构件通过螺纹连接固定形成空心立方体；所述填料外壳由一个开口的笼体结构、上盖和插入杆构成；所述笼体结构由正立方体环和十字肋条组成，十字肋条分别固定在正立方体环的底面和侧面，顶面为开口式；所述笼体结构两个侧面的十字肋条的中间位置分别设置一个矩形环，顶面的四条边框的中间位置分别设置一个螺孔，底面的四角处分别设置一个螺孔；所述上盖由一个正方形环和一个十字肋条组成，肋条固定在正方形环四边，正方形环四条边框的中间位置分别设置一个螺孔，四角处分别设置一个卡槽；所述插入杆为箭体结构，顶端设有螺柱，距离底部尖端一定距离处设有卡扣；所述填料外壳的笼体和上盖通过尼龙螺丝连接，插入杆通过自身的螺柱旋入笼体底部的螺孔固定；两个填料外壳的上下连接通过插入杆的卡扣和上盖的卡槽互相嵌入连接固定，左右连接使用不锈钢吊杆连接矩形环。

5.如权利要求1～3之一所述的基于强化自固定反硝化菌富集的河道底泥高效修复装置，其特征在于，所述填料的直径小于填料外壳立方体环的棱长，所述立方体填料外壳总高度为10-60cm，所述正立方体环棱长为5-8cm，正方形环棱长为5-8cm，十字肋条长为5-8cm，所述正立方体环、正方形环、十字肋条宽为0.8-1.5cm，厚度为0.8-1.5cm，所述插入杆长度为可选，根据河道底泥深度选择适合的插入杆，长度为5-50cm，直径为0.5-1.0cm，螺杆直径为0.3-0.8cm，高0.8-2.0cm，距离底部尖端0.5-1.2cm处设置环形卡扣。

6.如权利要求1～3之一所述的基于强化自固定反硝化菌富集的河道底泥高效修复装置，其特征在于，所述填料的制备方法：1l去离子水中加入四水合硝酸钙，在40～50℃下溶化，四水合硝酸钙的质量分数45～55％；逐渐加入聚乙烯醇，85～95℃水浴加热，搅拌至少1h，使其充分溶解，聚乙烯醇的质量分数5～10％；加入海藻酸钠，继续搅拌1h，待其完全溶解后停止加热，海藻酸钠的质量分数为0.5～2％；待冷却至35～45℃时，加入黏土类材质至上述溶液中搅拌均匀，黏土类材质的质量分数40～60％，将混合物倒入球形模具中冷却凝固，之后置于50～60℃烘箱中干燥，制成球粒缓释硝酸钙填料。

7.如权利要求1～3之一所述的基于强化自固定反硝化菌富集的河道底泥高效修复装置，其特征在于，所述装置选择压定向筛选策略，以缓释硝酸盐填料为载体，以待修复河道底泥作为接种污泥，通过选择压定向筛选的方法强化反硝化产eps菌群在填料载体上的富集。

8.如权利要求1～3之一所述的基于强化自固定反硝化菌富集的河道底泥高效修复装置，其特征在于，采用柱式厌氧反应器，设有二沉池回流，反应器中心设置搅拌桨，将填料填充于反应器中，通过水浴恒温装置控制温度在25～30℃，保证整个反应器处于严格厌氧环境，do小于0.5mg/l；以河道底泥作为接种污泥，反应器中接种的污泥浓度为3500～4500mg/l，进水cod浓度为200～250mg/l，硝酸盐氮浓度为40～50mg/l，tp浓度为2.0～2.5mg/l，olr为0.4～2.0kgcod/m3·d，投加碳酸氢钠补充碱度，调节出水ph值6.5～8.5；反应过程中控制搅拌速度在100～150rpm，使g值不低于500s-1，强化具有产eps功能的反硝化菌群；当硝酸盐氮去除率稳定在90％以上，反硝化速率达到2.0mg no3--n/gvss·h以上，且同时有棕黑色生物膜形成时，认为填料中反硝化菌群富集成功。

技术总结
一种基于强化自固定反硝化菌富集的河道底泥高效修复装置，包括填料和填料外壳，所述填料为缓释硝酸盐填料并作为微生物附着载体；所述填料外壳为立方体塑料组件，所述填料位于所述填料外壳内。本发明通过开发高生物亲和性缓释填料载体，结合选择压定向筛选策略，强化具有污染物降解功能的特定反硝化菌群富集，实现河道底泥高效原位生物修复，具有经济效益高、缓释效果稳定、挂膜成本低速度快、污染物去除效率高、能够有效改善黑臭河道且避免上覆水硝酸盐浓度升高带来二次污染的优势。

技术研发人员：周佳恒,刘冰心,郑琦,武波波,张昊泽,辛梦迪
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15