一种用于污染河涌沉积物原位生态修复的复合生物促生剂

摘要

本发明公开了一种用于污染河涌沉积物原位生态修复的复合生物促生剂。该复合生物促生剂由氧化剂和生物促生剂组成；氧化剂为过氧化钙或硝酸钙中的一种或两种；生物促生剂包括氨基酸、小分子有机酸、维生素、无机盐和微量元素。本发明针对河涌底泥特点，筛选得到氧化剂及生物促生剂成分，可根据河涌底泥污染程度进行氧化剂配比质量的调整，因为不含有微生物，不会对底泥造成生态风险。同时通过刺激底泥土著微生物的生长繁殖，建立了耐污性底泥微生态系统，使底泥的修复效果能够在较长的时期内维持在较好的状态。试验研究表明，使用本发明中的复合生物促生剂，可使底泥中TOC含量下降，微生物多样性及活性升高。

说明书

技术领域

本发明属于河涌的生态修复领域，特别涉及一种用于污染河涌沉积物原位生态修复的复合生物促生剂。

背景技术

用于防洪、排水、航运的天然河道或是人工水道、人工湖泊等，被称作河涌。河涌底泥是众多水中营养物、污染物迁移转化的载体，为微生物及水生植物的生长提供必要的元素，是水体生态系统中物质循环的重要环节。

由于城市河涌的功能特殊，接纳了大量生活污水，生产废水等，污染物经沉淀、吸附、生物吸收等多种途径迁移进入底泥中，并不断地被积累，导致底泥污染物浓度高出上覆水体几个数量级。底泥受到污染后，大量的有机物质被分解矿化导致水生生物缺氧。水生生物的生存环境发生改变，限制了底泥中微生物的数量和种类，从而导致河涌生态系统退化，对污染物抗冲击的能力下降，河涌水体发黑发臭。同时沉积物与上覆水体间不停地进行着物质和能量的交换，环境的改变可以引起污染物质的解吸、扩散重新进入上覆水体，从污染物的“汇”变成污染物的“源”。因此，底泥的修复成为防止河涌二次污染的根本所在。

现有的底泥修复技术分为异位修复技术及原位修复技术。异位处理技术是指将受到污染的底泥采用挖掘处理，然后运输到一个经过各种工程准备的场所进行修复。异位修复技术采用将污染物彻底清除出系统的措施，可有效的减少底泥对上覆水体的污染物输出，降低了河涌二次污染的风险，但由于其费用昂贵、污染物残留、破坏水体本身生态环境、污染状况反复出现等缺点，不能从本质上杜绝河涌的污染，因此原位修复逐渐取代了异位修复技术成为研究热点。原位修复技术是指利用物理和化学方法或生物方法以减少污染沉积物的体积，减少或降低污染物量以及污染物的溶解度、毒性或迁移性，从而降低污染物的释放。原位修复技术中使用较多的是原位微生物修复技术、原位植物修复技术、原位生物组合修复技术、原位固化/稳定化处理及原位化学处理等。

原位生物修复技术具有以下特点：首先可有效地降低由于疏浚导致的底泥再悬浮风险，减少底泥向周围环境转移的污染物总量；其次，原位修复技术所需要的费用较低；最后，原位生物修复技术可永久性地减小底泥体积、降低污染物毒性，并且可有效地控制污染物的迁移。因此原位生物修复技术正迅速地被广泛研究。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种用于污染河涌沉积物原位生态修复的复合生物促生剂。

本发明的另一目的在于提供所述的用于污染河涌沉积物原位生态修复的复合生物促生剂的制备方法。

本发明的再一目的在于提供所述的用于污染河涌沉积物原位生态修复的复合生物促生剂的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种用于污染河涌沉积物原位生态修复的复合生物促生剂，由氧化剂和生物促生剂组成；

所述的氧化剂为过氧化钙或硝酸钙中的一种或两种；优选为氧化钙和硝酸钙按质量比1:1混合得到；

所述的生物促生剂包括氨基酸、小分子有机酸、维生素、无机盐和微量元素；

所述的生物促生剂含有如下成分：按每升计算，含有赖氨酸0.09～0.375g、异亮氨酸0.075～0.325g、色氨酸0.09～0.325g、甘氨酸0.045～0.09g、谷氨酸0.09～0.375g、葡萄糖0.006～0.03g、乳酸钠0.006～0.03g、柠檬酸钠0.006～0.03g、木糖0.003～0.012g、D-半乳糖0.003～0.012g、0.9～6.75mg维生素B1、0.9～6.75mg维生素B12、1.5～11.25mg维生素C、NaH₂PO₄2.4～7.2g、KCl 1.49～4.48g、NaCl 1.17～3.5g、MgCl₂1.9～5.72g、EDTA 9～16.5mg、FeSO₄0.9～1.65mg、(NH₄)Mo₇O₄ 0.014～0.039mg、CuSO₄ 0.28～0.48mg、CoCl₂ 0.3～0.51mg、CaCl₂ 1.06～1.74mg、ZnSO₄ 4～7.5mg和MnCl₂ 0.1～0.21mg；

所述的生物促生剂含有如下成分：按每升计算，含有赖氨酸0.12g、异亮氨酸0.24g、色氨酸0.24g、甘氨酸0.06g、谷氨酸0.24g、葡萄糖0.0084g、乳酸钠0.0168g、柠檬酸钠0.0168g、木糖0.0042g、D-半乳糖0.0042g、1.8mg维生素B1、1.8mg维生素B12、3mg维生素C、NaH₂PO₄3g、KCl 1.86g、NaCl 1.46g、MgCl₂ 2.38g、EDTA 12.5mg、FeSO₄ 1.225mg、(NH₄)Mo₇O₄ 0.0275mg、CuSO₄0.39mg、CoCl₂ 0.4mg、CaCl₂ 1.39mg、ZnSO₄ 5.5mg和MnCl₂ 0.15mg；

所述的用于污染河涌沉积物原位生态修复的复合生物促生剂的制备方法，包括以下步骤：

（1）生物促生剂的配制：

①氨基酸溶液的配制：分别将赖氨酸、异亮氨酸、色氨酸、甘氨酸和谷氨酸配制成浓度为15～25mg/mL的溶液；

②小分子有机酸溶液的配制：分别将葡萄糖、乳酸钠、柠檬酸钠、木糖和D-半乳糖配制成浓度为1.0～2.0g/L的溶液；

③维生素溶液的配制：将维生素B1、B12和C配制成混合溶液，其中每种维生素浓度为0.15~0.75mg/mL；

④无机盐溶液的配制：将NaH₂PO₄、KCl、NaCl和MgCl₂配制成溶液，溶液中各物质的浓度均为1～2mol/L；

⑤微量元素溶液的配制：按每升微量元素溶液计算，含有EDTA 450～550mg、FeSO₄45～55mg、(NH₄)Mo₇O₄0.7～1.3mg、CuSO₄14～16mg、CoCl₂15～17mg、CaCl₂53～58mg、ZnSO₄200～250mg、MnCl₂5～7mg；

⑥生物促生剂的配制：将配制好的各组分混合在一起，得到生物促生剂，各组分体积百分比如下：步骤（1）①配制的赖氨酸溶液0.6～1.5%、步骤（1）①配制的异亮氨酸溶液0.5～1.3%、步骤（1）①配制的色氨酸溶液0.6～1.3%、步骤（1）①配制的甘氨酸溶液0.3～0.6%、步骤（1）①配制的谷氨酸溶液0.6～1.5%、步骤（1）②配制的葡萄糖溶液0.6～1.5%、步骤（1）②配制的乳酸钠溶液0.6～1.5%、步骤（1）②配制的柠檬酸钠溶液0.6～1.5%、步骤（1）②配制的木糖溶液0.3～0.6%、步骤（1）②配制的D-半乳糖溶液0.3～0.6%、步骤（1）③配制的维生素混合溶液0.6～1.5%、步骤（1）④配制的无机盐溶液2.0～3.0%、步骤（1）⑤配制的微量元素溶液2.0～3.0%及水余量；

（2）使用时，检测待修复的河涌底泥的有机质含量；以河涌底泥的有机质含量为基准，氧化剂的用量为质量百分比10%，使用时将氧化剂配制为水溶液；生物促生剂则以上覆水体体积为基准，每升上覆水体的生物促生剂的用量为120～250μL；按前述氧化剂的用量和生物促生剂的用量，将氧化剂和生物促生剂复配，得到用于污染河涌沉积物原位生态修复的复合生物促生剂。

步骤（1）①中所述的浓度优选为20mg/mL；

步骤（1）②中所述的浓度优选为1.4g/L；

步骤（1）③中所述的微生物B1及B12浓度优选为0.3mg/mL，维生素C的浓度优选为0.6mg/mL；

步骤（1）④中所述的浓度优选为1mol/L；

步骤（1）⑤中所述的微量元素溶液更优选为，按每升微量元素溶液计算，含有EDTA 500mg、FeSO₄49mg、(NH₄)Mo₇O₄1.1mg、CuSO₄15.7mg、CoCl₂16.1mg、CaCl₂55.4mg、ZnSO₄220mg、MnCl₂6mg；

步骤（1）⑥中所述的生物促生剂更优选为，各组分体积百分比如下：步骤（1）①配制的赖氨酸溶液0.6%、步骤（1）①配制的异亮氨酸溶液1.2%、步骤（1）①配制的色氨酸溶液1.2%、步骤（1）①配制的甘氨酸溶液0.3%、步骤（1）①配制的谷氨酸溶液1.2%、步骤（1）②配制的葡萄糖溶液0.6%、步骤（1）②配制的乳酸钠溶液1.2%、步骤（1）②配制的柠檬酸钠溶液1.2%、步骤（1）②配制的木糖溶液0.3%、步骤（1）②配制的D-半乳糖溶液0.3%、步骤（1）③配制的维生素混合溶液0.6%、步骤（1）④配制的无机盐溶液2.5%、步骤（1）⑤配制的微量元素溶液2.5%及水余量；

所述的用于污染河涌沉积物原位生态修复的复合生物促生剂的应用，包括如下步骤：

（1）根据底泥有机质含量及上覆水体体积，确定复合微生物制剂的各组分投加量，并混合均匀；

（2）使用时，将按步骤（1）制备得到的复合生物促生剂溶液均匀泼洒于底泥表层；

用于污染河涌沉积物原位生态修复的复合生物促生剂的应用，更优选包括如下步骤：

（1）根据底泥有机质含量及上覆水体体积，确定复合微生物制剂的各组分投加量，并混合均匀；

（2）使用时，将按步骤（1）制备得到的复合生物促生剂溶液均匀泼洒于底泥表层；所述的两天后投加一半剂量的按步骤（1）制备得到的复合生物促生剂。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

底泥是河涌物质循环的重要一环，底泥中的微生物作用对污染物的迁移转化具有举足轻重的作用。底泥的氧化还原环境影响了底泥微生态结构，同时也影响了底泥污染物存在的形态，而底泥微生态系统的完整性影响了底泥对污染物的降解能力。现有研究结果表明，城市河涌自净能力的提高关键在底泥的修复。本发明针对河涌底泥特点，筛选得到氧化剂及生物促生剂成分，可根据河涌底泥污染程度进行氧化剂配比质量的调整，因为不含有微生物，不会对底泥造成生态风险。同时通过刺激底泥土著微生物的生长繁殖，建立了耐污性底泥微生态系统，使底泥的修复效果能够在较长的时期内维持在较好的状态。试验研究表明，使用本发明中的复合生物促生剂，可使底泥中TOC含量下降，微生物多样性及活性升高。

附图说明

图1是投加复合生物促生剂对底泥微生物活性影响图。

图2是投加复合生物促生剂对底泥TOC含量的影响图。

图3是投加复合生物促生剂对微生物多样性指数的影响图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

采用广州市污染河涌底泥（琶洲大桥段底泥）为修复对象，主要指标为：上覆水体溶解氧（DO）为1.6mg/L，底泥氧化还原电位（ORP）为-220mv，底泥含水率为41.2%，底泥有机质（TOC）含量为2.92%，FDA法测定底泥微生物总活性为0.61A/g。

同时采用BIOLOG ECO微平板法构造微生物多样性指数（Shannon指数）（背景）为3.0。

实验采用55cm×35cm×20cm的无盖有机玻璃缸为实验装置，铺设1.2cm底泥，质量为1350g，加入4L自来水为上覆水体。

复合生物促生剂制备方法如下：

①氨基酸溶液的配制：用水分别将赖氨酸、异亮氨酸、色氨酸、甘氨酸、谷氨酸配制为20mg/mL的溶液；

②小分子有机酸溶液的配制：用水分别将葡萄糖、乳酸钠、柠檬酸钠、木糖、D-半乳糖配制为1.4g/L的溶液；

③维生素溶液的配制：用水将维生素B1、B12、C配成维生素混合溶液；其中维生素B1及B12浓度为0.3mg/mL，维生素C的浓度为0.6mg/mL；

④无机盐溶液的配制：用水将NaH₂PO₄、KCl、NaCl、MgCl₂，配制得到1mol/L的大量元素溶液；

⑤微量元素溶液的配制：用水配制，按每升微量元素溶液计算，含有EDTA500mg、FeSO₄49mg、(NH₄)Mo₇O₄1.1mg、CuSO₄15.7mg、CoCl₂16.1mg、CaCl₂55.4mg、ZnSO₄220mg、MnCl₂6mg；

⑥生物促生剂的配制：将配制好的各组分混合稀释到一定体积，即为生物促生剂，各组分体积百分比如下：赖氨酸0.6%、异亮氨酸1.2%、色氨酸1.2%、甘氨酸0.3%、谷氨酸1.2%、葡萄糖0.6%、乳酸钠1.2%、柠檬酸钠1.2%、木糖0.3%、D-半乳糖0.3%、维生素0.6%、大量元素2.5%、微量元素2.5%及水86.3%。

根据底泥质量及TOC含量（湿泥质量×（1-底泥含水率）×有机质含量×0.05）计算得到过氧化钙及硝酸钙的投加量均为1.15g，溶解于10mL蒸馏水中，生物促生剂投加量选择250μL/L上覆水体，即投加1mL。

设置实验组和对照组（促生剂空白组）。实验组投加复合生物促生剂，第1天将11mL的复合生物促生剂均匀泼洒于底泥表层，2天后，加入第1天一半剂量的复合生物促生剂；对照组不投加生物促生剂。经过10天的实验，对照组水体溶解氧含量由7.0mg/L下降至2.5mg/L，底泥氧化还原电位由-220下降至-240mV，实验组上覆水体溶解氧含量维持在6mg/L，氧化还原电位上升至-110mv还原环境得到改善，底泥颜色由黑色逐渐转变为灰白色；对照组实验底泥微生物FDA总活性由0.61A/g降低至0.58A/g，而实验组上升至1.0A/g；对照组Shannon指数为2.94，实验组Shannon指数升高至为3.25，微生物多样性提高；对照组底泥TOC含量由2.92%降低至2.85%，实验组底泥TOC含量降低为2.25%，见图1、2及3（图中，背景指实验所采底泥各项参数的背景值）。因此投加复合生物促生剂可有效改善底泥还原环境，促进微生物活性及多样性的升高，有助于底泥TOC的降解。

采用氧化剂与生物促生剂复配的方式进行复合生物促生剂的制备，通过复合生物促生剂的投加，在过氧化钙缓慢释氧的作用下，上覆水体DO含量升高底泥氧化还原电位提高，底泥微生物群落结构发生演变，底泥颜色逐渐由黑色演变为灰白色，并且投加硝酸盐为底泥提供了电子受体，刺激底泥反硝化菌的活性升高，促进反硝化作用产生氮气，因此底泥中有小气泡产生。同时在生物促生剂的促进作用下，底泥微生物大量繁殖，微生物多样性及活性升高，分解底泥有机质，同时吸收氨氮及磷酸盐等物质进行生物体的合成，并且钙离子的存在抑制了营养盐及有机质的释放。从根本上消除了河涌黑臭及富营养化的现象。

实施例2

采用广州市污染河涌底泥（琶洲大桥段底泥）为修复对象，主要指标为：上覆水体溶解氧（DO）为1.6mg/L，底泥氧化还原电位（ORP）为-220mv，底泥含水率为41.2%，底泥有机质（TOC）含量为2.92%，FDA法测定底泥微生物总活性为0.61A/g。

同时采用BIOLOG ECO微平板法构造微生物多样性指数（Shannon指数）为3.0。

实验采用55cm×35cm×20cm的无盖有机玻璃缸为实验装置，铺设1.2cm底泥，质量为1171.6g，加入4L自来水为上覆水体。

复合生物促生剂制备方法如下：

①氨基酸的配制：分别将赖氨酸、异亮氨酸、色氨酸、甘氨酸、谷氨酸配制为20mg/mL的溶液；

②小分子有机酸的配制：分别将葡萄糖、乳酸钠、柠檬酸钠、木糖、D-半乳糖配制为1.4g/L的溶液；

③维生素溶液的配制：用水将维生素B1、B12、C配成维生素混合溶液；其中维生素B1及B12浓度为0.3mg/mL，维生素C的浓度为0.6mg/mL；

④无机盐溶液的配制：将NaH₂PO₄、KCl、NaCl、MgCl₂，配制得到1mol/L的溶液；

⑤微量元素溶液的配制：按每升微量元素溶液计算，含有EDTA 500mg、FeSO₄49mg、(NH₄)Mo₇O₄1.1mg、CuSO₄15.7mg、CoCl₂16.1mg、CaCl₂55.4mg、ZnSO₄220mg、MnCl₂6mg；

⑥生物促生剂的配制：将配制好的各组分混合稀释到一定体积，即为生物促生剂，各组分体积百分比如下：赖氨酸0.6%、异亮氨酸1.2%、色氨酸1.2%、甘氨酸0.3%、谷氨酸1.2%、葡萄糖0.6%、乳酸钠1.2%、柠檬酸钠1.2%、木糖0.3%、D-半乳糖0.3%、维生素0.6%、大量元素2.5%、微量元素2.5%及水86.3%。

根据底泥质量及TOC含量计算得到过氧化钙及硝酸钙的投加量均为1.0g，溶解于10mL蒸馏水中，生物促生剂投加量选择120μL/L上覆水体，即投加0.5mL。

实验实验组和对照组。设置实验组和对照组（促生剂空白组）。实验组投加复合生物促生剂，第1天将10.5mL的复合生物促生剂均匀泼洒于底泥表层，2天后，加入第1天一半剂量的复合生物促生剂；对照组不投加生物促生剂。经过10天的实验，对照组水体溶解氧含量由7.0mg/L下降至1.3mg/L，底泥氧化还原电位由-220下降至-250mV，实验组上覆水体溶解氧含量维持在4mg/L，氧化还原电位上升至-180mv还原环境得到改善，表层底泥颜色由黑色逐渐转变为灰白色；对照组实验底泥微生物FDA总活性由0.61A/g下降至0.52A/g，而实验组上升至0.83A/g；对照组Shannon指数降低为2.94，实验组Shannon指数由3.0升高至3.37，微生物多样性提高；对照组底泥TOC含量由2.92%降低至2.90%，实验组底泥TOC含量降低为2.47%。因此投加复合生物促生剂可有效改善底泥还原环境，促进微生物活性及多样性的升高，有助于底泥TOC的降解。

对比实施例：

为了筛选得到较为合适的底泥氧化剂，考察了多种底泥氧化剂及促生剂对底泥修复效果。除了过氧化钙及硝酸钙之外，还进行了过氧化氢及生物促生剂Bio-energizer（BE）对底泥修复效果的研究。过程及结果如下：

采用广州市污染河涌底泥（琶洲大桥段底泥）为修复对象，主要指标为：上覆水体溶解氧（DO）为1.6mg/L，底泥氧化还原电位（ORP）为-220mv，底泥含水率为41.2%，底泥有机质（TOC）含量为2.92%，底泥微生物总活性（FDA）为0.61A/g。

采用BIOLOG ECO微平板法构造微生物多样性指数（Shannon指数）为3.0。

实验采用55cm×35cm×20cm的无盖有机玻璃缸为实验装置，铺设1.5cm底泥，质量为1200g，加入4L自来水为上覆水体。

分别采用过氧化氢及BE进行底泥修复，具体投加量如下：过氧化氢为氧化剂，按照底泥有机质含量的5%的进行投加，即投加0.98g；BE则按照说明书的要求按照上覆水体体积的15ppm进行投加，即60μL。

试验设置投加氧化剂实验组及对照实验组。实验组分别投加过氧化氢及BE；对照组则不投加任何促生剂。结果表明，投加过氧化氢的情况下，上覆水体溶解氧在一天内由1.6mg/L上升至8mg/L，而后逐渐降低至1mg/L以下，氧化还原电位先由-220mv增加到-70mv后降低至-230mv，底泥由黑色变为灰白色，体积增大，由于过氧化氢的强氧化作用，底泥蓬松上浮，上覆水体浑浊，底泥FDA从0.61A/g降低至0.44A/g低于对照组0.58A/g，对微生物活性产生抑制作用，不利于底泥的原位微生物修复。投加BE的情况下，底泥ORP升高至-200mv，底泥FDA活性由0.61A/g上升至0.8A/g，Shannon指数由3.0升高至3.11略高于对照组2.94，相对于对照组及背景值无显著差异，TOC含量则由2.92%降低至2.51%,，如图2所示，说明虽然BE有助于提高底泥微生物活性，但对促进底泥TOC的降解效果不如本发明提供的复合生物促生剂的效果。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。