一种用于改善水源地水质的生物膜反应器及其制备方法和应用

摘要

本发明涉及一种用于改善水源地水质的生物膜反应器，同时涉及其制备方法和应用，属于环境保护技术领域。该生物膜反应器含有填装生物膜填料颗粒的滤网袋，所述生物膜填料颗粒为脱磷、活化、造粒定型后的生物质碳化碳，所述滤网袋表面具有富集脱氮微生物以及附着水生藻类形成的生物膜。其制备步骤包括膜填料脱磷、膜填料活化、膜填料装网、形成生物膜。本发明具有成本低廉、无污染、易获得、净化能力强、透水性强等诸多优点，不仅为蓝藻死亡体及沉积物降解提供好氧环境消除湖泛，而且可以通过微生物、底栖动物、附着藻类改善水体以蓝藻为优势种群的生态结构。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于水处理的生物膜，尤其是一种用于改善水源地水质的生物膜反应器，同时涉及其制备方法和应用，属于环境保护技术领域。

背景技术

富营养化水体蓝藻暴发、积聚和死亡后，在适宜的气象、水文条件下，与底泥中的有机物在缺氧和厌氧条件下产生生化反应，释放硫化物、甲烷和二甲基三硫等硫醚类物质，形成黑褐色伴有恶臭的黑水团即湖泛，从而导致水源地水体水质迅速恶化、生态系统受到严重破坏。目前我国太湖、巢湖、滇池等水源地湖泊都大规模爆发蓝藻，造成严重的生态灾难。

据申请人了解，目前对于水源地湖泛(死亡蓝藻及沉积物)治理的主要措施有：生态疏浚、微生物降解等措施。生态疏浚是对带有死亡的蓝藻体和其它沉积物进行清淤，以减少内源污染负荷，目前国内外关于生态疏浚技术进行了大量研究，尽管不少湖泊采用了疏浚方法，但学术界争论较大，仍需持慎重态度。微生物降解主要是在水体投加RB恢复功能菌、AEM菌、PSB光合菌等除藻。但在水源地投放人工培养的微生物容易因培养基造成二次污染，特别是在交换量大的湖泊、水库等水源地难以达到理想的微生物数量而处理效果不佳。

生物膜用于水处理具有良好前景，但至今国内外生物膜仅应用于纯水生产或污水处理，未见相关产品应用于水源地等大面积水体。检索发现，申请号为CN201010141466.5的中国专利公开了一种甘蔗渣基生物膜的制备方法。该方法利用经过处理的甘蔗渣作为载体，将一批优良的硝化反硝化菌株同时固定于载体之上，通过大量高效微生物对受污染水体经的综合降解作用，可达到有去除水中氮元素的效果。然而，首先该专利中利用的甘蔗渣材料富含糖分等有机质容易被霉菌类优先寄生，产生霉变、腐烂，因此不适于作为水源地水质改善材料；其次，该材料易腐烂，在水体中难以长久应用。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种无二次污染，可以长期发挥作用的用于改善水源地水质的生物膜反应器。

为了达到以上目的，本发明用于改善水源地水质的生物膜反应器含有填装生物膜填料颗粒的滤网袋，所述生物膜填料颗粒为脱磷、活化、造粒定型后的生物质碳化碳(尤其是秸秆、谷壳、木屑等气化制造煤气后的废弃物)，所述滤网袋表面具有富集脱氮微生物(最好是水源地本土的硝化细菌、反硝化细菌、光合细菌、芽孢杆菌等)以及附着水生藻类形成的生物膜。

上述滤网袋的滤网目数最好为5-80目，生物膜填料颗粒的粒径根据需要控制在5-200mm。

本发明进一步的完善是，所述生物膜反应器底部安置有增氧管。

上述本发明用于改善水源地水质的生物膜反应器制备方法包括以下步骤：

第一步、膜填料脱磷——以生物质碳化碳作为生物膜填料主体，浸泡在浓度为0.05-1.5mol/L的NaHCO₃溶液中，浸泡时间宜控制在12-24小时，进行脱磷反应后，用水冲洗；

第二步、膜填料活化——将脱磷后的生物膜填料主体浸泡在浓度为0.05-2.0mol/L的盐酸中，浸泡时间宜控制在12-24小时，使其活化后，用水冲洗并晾干；

第三步、膜填料造粒定型——将活化后的生物膜填料主体与粘土按1-50∶1(最好为20-30∶1)的比例混合造粒(粒径控制在5-200mm)，并经无氧加热(以防止膜材料燃烧)定型，得到生物膜填料颗粒；

第四步、膜填料装网——将生物膜填料颗粒装入滤网袋(其目数最好为5-80目)中；

第五步、形成生物膜——将填装生物膜填料颗粒的滤网袋置入水体(最好为水源地水体)，使其表面富集脱氮微生物(本土硝化细菌、反硝化细菌、光合细菌、芽孢杆菌等)，并附着水生藻类，形成生物膜，得到生物膜反应器。

如果增加以下步骤，制成的生物膜作用效果更好：

第六步、生物膜增氧——在生物膜反应器底部设置增氧管。

本发明的生物膜反应器主要用于水源地蓝藻拦截、或覆盖降解水源地的沉积物。通过对本土微生物富集、藻类附着和底栖动物附着形成的生物膜反应器可以对水源地蓝藻水华进行有效拦截，同时对沉积物进行好氧降解和生态修复。将其用于蓝藻水华囊团拦截和湖泛覆盖实验表明，不仅90％以上蓝藻囊团被去除，而且沉积物降解途径由厌氧分解方式转化为好氧分解方式，硫化物、甲烷和二甲基三硫等硫醚类臭味产物也减少90％以上。此外，由于本发明的生物膜反应器不仅给微生物提供了富集(每克材料达千万个数量级微生物)的载体，而且可以给硝化细菌、反硝化细菌等脱氮微生物补充碳源，从而突破了目前采用可溶性甲醇作为碳源难以在大水体中应用的局限，具有成本低廉、无污染、易获得、净化能力强、透水性强等诸多优点，不仅为蓝藻死亡体及沉积物降解提供好氧环境消除湖泛，而且可以通过微生物、底栖动物、附着藻类改善水体以蓝藻为优势种群的生态结构。

具体实施方式

实施例一

本实施例用于改善水源地水质的生物膜反应器主要用于蓝藻拦截：解决暴发蓝藻漂入水源地引起的水质恶化问题，制备方法如下：

第一步、膜填料脱磷——以秸秆、谷壳、木屑等气化制造煤气后的废弃物(生物质碳化碳)作为生物膜填料主体，浸泡在浓度为0.05-1.5mol/L(优选0.5mol/L)的NaHCO₃溶液中，进行脱磷反应，12-24小时(优选15小时)之后用自来水冲洗；以便未来有利于脱附水体中有害磷成分；

第二步、膜填料活化——将脱磷后的生物膜填料主体浸泡在浓度为0.05-2.0mol/L(优选0.3mol/L)的盐酸中，使其活化，12-24小时(优选15小时)之后用自来水冲洗并晾干；

第三步、膜填料造粒定型——将活化后的生物膜填料主体与高岭土或其它粘土按1-50∶1(优选5∶1)的比例混合造粒，粒径控制在5-200mm(优选60-80mm)，并经无氧加热定型，得到生物膜填料颗粒，具体加热温度和时间以将造粒后的生物膜填料颗粒烘干为度，通常加热温度宜控制在200-500℃；

第四步、膜填料装网——将生物膜填料颗粒装入目数为5-80目(优选10-20目)的聚烯烃滤网袋中；

第五步、形成生物膜——将填装生物膜填料颗粒的滤网袋置入水源地水体，约7天左右，其表面富集本土硝化细菌、反硝化细菌、光合细菌、芽孢杆菌等脱氮微生物，并附着水生藻类和底栖动物，共同形成30-80目的生物膜，得到生物膜反应器。

实验证明，本实施例的生物膜反应器不仅给微生物提供了载体，而且可以给硝化细菌、反硝化细菌等脱氮微生物补充碳源，可以实现对蓝藻水华囊团的有效拦截，去除90％以上的蓝藻囊团。

实验数据显示，使用本实施例的生物膜反应器后，水源地水体蓝藻细胞数小于等于10⁶个/L。

实施例二

本实施例用于改善水源地水质的生物膜反应器主要用于解决死亡蓝藻、沉积物等湖泛物质上浮和厌氧分解问题的湖泛防治，其制备步骤如下：

第一步、膜填料脱磷——以秸秆、谷壳、木屑等气化制造煤气后的废弃物(生物质碳化碳)作为生物膜填料主体，浸泡在浓度为0.05-1.5mol/L(0.8mol/L)的NaHCO₃溶液中，进行脱磷反应，12-24小时(优选20小时)之后用自来水冲洗；

第二步、膜填料活化——将脱磷后的生物膜填料主体浸泡在浓度为0.05-2.0mol/L(优选0.5mol/L)的盐酸中，使其活化，12-24小时(优选20小时)之后用自来水冲洗并晾干；

第三步、膜填料造粒定型——将活化后的生物膜填料主体与高岭土或其它粘土按1-50∶1(优选40∶1)的比例混合造粒，粒径控制在5-200mm(优选10-20mm)，并经无氧加热定型，得到生物膜填料颗粒，具体加热温度和时间以将造粒后的生物膜填料颗粒烘干为度，通常加热温度宜控制在200-500℃；

第四步、膜填料装网——将生物膜填料颗粒装入目数为5-80目(优选35-45目)的聚烯烃滤网袋中；

第五步、形成生物膜——将填装生物膜填料颗粒的滤网袋置入水源地水体，使其表面富集本土硝化细菌、反硝化细菌、光合细菌、芽孢杆菌等脱氮微生物，并附着水生藻类和底栖动物，共同形成30-80目的生物膜，得到生物膜反应器。

第六步、生物膜增氧——将生物膜反应器覆盖在水源地的沉积物上，并在生物膜反应器底部设置微孔增氧管，增氧能力控制在每万平方米15-50KgO₂/h。

这样，通过对本土微生物富集、藻类附着和底栖动物附着形成的生物膜反应器可以对沉积物进行好氧降解和生态修复，沉积物降解途径由厌氧分解方式转化为好氧分解方式，从而使硫化物、甲烷和二甲基三硫等硫醚类臭味产物减少90％以上。此外，实践证明，通过对生物膜的氧气浓度控制，可以有效对水源地水体蓝藻治理、湖泛防治、生态修复，实现水源地水质改善。

实验数据显示，使用本实施例的生物膜反应器后，在5小时内，黑臭水体的氧气浓度恢复至2mg/L以上，有机污染物浓度降低60％以上，消除明显的黑臭现象。