一种富营养化水体生态修复的微生物活化方法及系统

摘要

一种富营养化水体的生态净化方法，通过激活水体本土微生物，用水体本身代替传统的有限生物反应器，释放微生物生长空间，发挥微生物繁殖过程中对水体中污染物质产生的分解能力，提高微生物的有效生物量和功能性，重组、完善和优化水体微生物生态系统，进而强化建立微生物中心枢纽作用，实现污染物沿水体生态系统不同营养级之间的物质流转移，促使水体恢复自我净化调节能力，实现水体原位生态修复。本发明还公开了实现所述的富营养化水体的生态净化方法的系统，以及其中使用的特异性微生物活化填充料及其制备方法。本发明所需设备少、管理运行方便、能耗低，可为景观水体治理提供技术支持，具有良好的社会、经济与环境效益。

说明书

技术领域

本发明属于环境工程技术领域，涉及用于富营养化水体生态修复的微生物活化工艺系统。

背景技术

随着经济社会的快速发展，一些地表水体受到了不同程度的污染与破坏，诸如富营养化 严重、透明度降低、散发恶臭等。富营养化是当前水体常规污染中的重要表现，即水体中氮、 磷等营养元素物质大量积累，其本质问题是水体生物多样性的破坏，由此造成系统丧失自我 维持、自我调节的能力与系统平衡失稳，并最终导致水生生态系统的破坏和环境问题的进一 步加剧。随着人类对环境资源利用活动日益增加，特别是工农业生产大规模发展，大量含有 氮、磷营养元素的生活污水排入附近的湖泊、河流和海洋，增加了水体的营养物质负荷量， 污染失衡现象时有发生，水污染危害逐年加剧。水中含氮、磷等有害物质已成为我国水环境 灾害的主要污染物，且成为制约社会和经济可持续发展的重要因素。为提高生态环境质量水 平，以富营养化为代表的地表水体污染问题必须得到解决。随着国家“水十条”政策的颁布， 国家已将此技术攻关列入科技规划中的专项重点课题，相关技术具有广阔的市场应用前景与 重要的社会环境效益。

富营养化河流治理是一项复杂的系统工程，纵观目前国内外已在使用或已使用的河道污 染控制与修复的技术，依据处理的原理不同可分为物理法、化学法、生物法、生态修复法四 大类。

物理法水体修复技术包括疏浚，引清调水，曝气充氧等。底泥疏浚技术往往工程量巨大, 且容易带来二次污染问题；引清换水、稀释水中的杂质浓度通过引水换水来治理水污染是比较 常用的方法，但对于孤立的偏远封闭水体,引清释浊往往变得困难；曝气充氧可以提高水体溶 解氧，改善黑臭水体，但很难从根本上去除污染物质，往往治标不治本，污染物只是得到了 转移并没有消除，水体自净能力未得到有效恢复。如郑正等人在申请号为CN204079637U的 专利中提出了一种湖泊藻水分离工艺，该工艺包括预处理部分和分离部分，但其采用的溶气 也是借助于空压机和溶气罐，溶气效率低，而且专利说明书部分并没有清楚说明该技术处理 后的改善情况。

化学方法：如加入化学药剂杀藻，加入铁盐促进磷沉淀，加入石灰脱氮等，但是易造成 二次污染，且运行成本极高，通常只可作为对付突发性水体污染的应急措施。蒋晓嵘等人在 公开号为CN202519104U的专利中提出利用一种工艺处理景观水体，其工艺路线为：景观水 体通过水泵提升进入絮凝反应池，在絮凝反应池进水管道上设有混合器便于加药，其后水经 过接触室，气浮分离器。此工艺与传统气浮方法相同，但增加了化学投药装置，引入大量氯 离子二次污染，且工序繁琐。

传统的生物旁通水处理工艺，可以有效的去除废水中的有机C、N、P，但其生物去除机 制是在封闭的微生物作用单元内完成，并且磷的去除主要通过污泥的排放完成，大量污泥的 产生不仅造成了二次污染，投资和运行费用也极高，如何有效的处理处置大量过剩的活性污 泥成为现代污水处理厂的发展瓶颈。以活性污泥法为代表的传统生物处理工艺难以应用于河 道及景观水体的修复中。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种工艺流程简单、见效快、能耗费用低 的适用景观水体的净化工艺。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种富营养化水体的生态净化方法，通过激活水体本土微生物，特异性微生物数量呈几 何级数增殖，用水体本身代替传统的有限生物反应器，大大释放了微生物生长空间，充分发 挥微生物大量繁殖过程中对水体中污染物质(C、N、P等)产生的强大的分解能力，提高微 生物的有效生物量和功能性，重组、完善和优化水体微生物生态系统，进而强化建立微生物 中心枢纽作用，实现污染物沿水体生态系统不同营养级之间的物质流传递，促使水体恢复自 我净化调节能力，从而高效去除诱发藻类过度生长的N、P等相关污染物，有效降低水体中的 悬浮藻类、悬浮颗粒含量，降低浊度，增加透明度，提升水体溶解氧水平，从根本上改善水 质与水体生态系统的物料平衡状态，最终达到并保持水体自净的生态修复目的。

本技术所采用的关键技术核心是：缺氧区、好氧区体积比为1:3～1:5，反应器总体积 0.3～0.8m³，缺氧区填充颗粒状、悬浮型、特异性微生物活化填充料(工艺起始阶段一次性投 加量为1000～4000mg/L，好氧区采用固定式纤维状填料(填料比表面积10～15m²/g)，控制水 力停留时间8～10h，工艺起始阶段系统内部自循环24h实现微生物挂膜培养，正常运行时进 水流量0.05～0.1m³/h，控制系统名义水力停留时间6～12h，通过调节阀门(1)和阀门(2)控 制进出水比例，进而设置目标内循环比，以保证待活化微生物在系统中的停留时间，通常内 循环比为400％～500％，采用可编程逻辑控制系统控制好氧区溶解氧为2～3mg/L。

前文所述特异性微生物活化填充料，由包括以下质量比例的各组分制成

所述微生物激活剂为硝化细菌、反硝化细菌、氨基酸、多糖、蛋白质、蛋白酶、腐殖酸 或小分子有机酸等中的一种或一种以上。

所述无机搭载体为蒙脱石、膨润土、硅藻土的一种或一种以上。

所述有机高分子聚合物为聚乙烯醇、聚丙烯或纤维素中的一种或一种以上。

所述无机絮凝物为聚合硫酸铝、聚合硫酸铁、聚硅硫酸铝中的一种或一种以上。

所述无机金属盐为NaCl、KCl、MgSO₄.7H₂O中的一种或一种以上。

上述特异性微生物活化填充料的制备方法，包括以下步骤：

将质量比为(1～8):(0～0.5):(0～0.5):(2～4)的无机搭载体、无机絮凝物、无机金属 盐、活性炭，将其充分混合分散于60～80℃水中，待上述悬浊液冷却至30～40℃，加入微生物 激活剂，控制其与无机搭载体的比例为0～0.3:1～8，然后在充分搅拌的同时以1～3mL/min的速 率滴入溶解于75～95℃水中的有机高分子聚合物用于固定微生物激活剂于无机搭载体表面， 最终实现有机高分子聚合物与无机搭载体的质量比为(0～0.5):(1～8)，待混合液冷却至室温 沉淀后，弃去上清液，即可获得下部沉积物制得的特异性微生物活化填充料。

由于采用上述技术方案，本发明获得的有益效果包括：

突破传统水体净化采用的旁通单元式封闭水处理工艺，通过激活水体本土微生物，特异 性微生物数量呈几何级数增殖，用水体本身代替传统的有限生物反应器，大大释放了微生物 生长空间，充分发挥微生物大量繁殖过程中对水体中污染物质(C、N、P)产生的强大的分解 能力，提高微生物的有效生物量和功能性，重组、完善和优化水体微生物生态系统，进而强 化建立微生物中心枢纽作用，重组、完善和优化了微生物的生态系统，实现有机、N、P污染 物沿水体生态系统不同营养级之间的物质流转移，促使水体恢复自我净化调节能力，达到水 体原位生态修复目的。

本发明工艺简单，占地面积小，运行管理方便，投资和运行费用低，适应条件范围广， 可在河道及景观水体的生态修复中广泛应用。

附图说明

图1为本发明实施例的方法、系统原理示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种富营养化水体的净化工艺及系统，工艺主体部分为一种用于富 营养化水体生态修复的微生物活化工艺系统，系统组成包括缺氧区和好氧区，在缺氧区投加 特异性微生物活化填充料，活化特异性微生物，使之排放入自然水体改善水体水质，调节水 生态系统物质和能量平衡，最终实现水体自净，在好氧区设有微纳米气泡发生器。

工艺附属设备包括：自吸泵，进水管干管、出水干管，内回流管、进水调节阀、回流调 节阀，自吸泵的进水管与待净化处理的富营养化水体连接，以便抽取待处理水体中的水；自 吸泵进水管还与反应器好氧区出水堰相连接，好氧区出水与湖体中抽取的水在进水管充分混 合均匀。

自吸泵的出水管分为两路：一路经缺氧区进水控制阀1，将待处理水体输送到缺氧区中 进行活化培养；另一路经出水排放控制阀2排放，此路径排放的水包括经活化后水体与原水 的混合，释放于原水体可实现经活化后微生物在水体中的最大限度增殖生长，同时与原水中 微生物共存的竞争抑制作用可进一步改善水体微生物群落结构，削减无益微生物量，增加水 体自净益生菌含量。上述管路设计的另一优点是可实现一台自吸泵完成反应器的进水、出水 与内循环，避免了为内循环单独设置循环水泵，简化了工艺组成、工艺控制与能耗。

所述缺氧区中设有填充料，缺氧区通过特异性微生物碳源的作用，高效实现包括多种脱 氮除磷COD降解菌在内的特异性微生物活化，通过定量聚合酶链锁反应检测可以判断 (Real-timePolymeraseChainReaction，简称Real-timePCR或PCR)，特异性微生物核 糖核酸含量可达总微生物组分相应核糖核酸含量的80％以上，经特异性微生物活化后水被输 送到好氧区，缺氧区出水通过缺氧区与好氧区之间隔墙上的布水堰均匀流入好氧区，所述好 氧区中设有高空隙填料，高空隙填料下方设有气泡发生器，实现水体的高效充氧，通过风机 向气泡发生器里鼓气，气体从气泡发生器小孔冒出形成气泡与好氧区中水体接触，实现对好 氧区中水体的高效充氧，在曝气功率小于200W的情况下，好氧区溶解氧含量达2～3mg/L。

所述一种用于富营养化水体生态修复的微生物活化工艺系统运行时进出水管分区布设: 对于封闭水体采取中心抽水周边布水的形式；对于河道采取分段式处理，处理段采用中间抽 水两段出水模式。

所述在一种用于富营养化水体生态修复的微生物活化工艺系统缺氧区特异性微生物活化 填充料，依据水质情况和处理要求，药剂量工艺起始时一次性投加，投加量控制在 1000～4000mg/L。

反应器进水、出水、内循环由一台泵同步完成，回流比控制在400％～500％。

好氧区其溶解氧浓度大于2～3mg/L。

实施例1

实验选择上海杨浦区一景观水体，面积8000m²，为半封闭型湖体。由于地表径流污染， 以及岸边树叶不断落入湖中，湖底淤泥较厚，近些年水体富营养化程度严重、透明度下降， 水质恶化严重。

实验现场具体情况：

缺氧区、好氧区体积比为1:5，反应器总体积0.6m³，缺氧区添加颗粒状悬浮型特异性微 生物活化填充料(工艺起始阶段一次性投加量为3000mg/L)，实现微生物培养，好氧区采用 固定式纤维状填料(填料比表面积11.5m²/g)，工艺起始阶段控制水力停留时间10h，系统内 部自循环24h实现微生物培养，正常运行时进水流量为0.075m³/h，控制系统名义水力停留时 间8h，通过调节阀门1和阀门2控制进出水比例，设置本实施例内循环比为400％，内循环 比，以保证待活化微生物在系统中的停留时间，采用可编程逻辑控制系统控制好氧区溶解氧 为3mg/L。

本实施例所用特异性微生物活化填充料制备步骤如下：

将质量比为8:0.2:0.5:0.5的蒙脱石、聚合硫酸铁、MgSO₄.7H₂O、活性炭，将其充分混合 分散于70℃水中，待上述悬浊液冷却至30～40℃，加入微生物激活剂，控制其与无机搭载体 的比例为0.3:8，然后在充分搅拌的同时以3mL/min的速率滴入溶解于95℃水中的有机高分 子聚合物用于固定微生物激活剂于无机搭载体表面，最终实现有机高分子聚合物与无机搭载 体的质量比为0.5:8，待混合液冷却至室温沉淀后，弃去上清液，下部沉积物制得的特异性微 生物活化填充料。

系统运行稳定后30天、60天后，分别监测待修复水体水质指标，检测结果如下表(mg/L)：

由上表中数据可知，本发明系统运行30天后TN、TP、COD等主要污染指标明显下降， 水体浊度、色度大幅降低，水体景观效应明显提升，运行60天后各类指标接近II类地表水 体标准，污染物控制、水质指标提升等水体生态修复效果明显。

本发明突破传统水体净化采用的旁通封闭单元式水处理工艺，通过激活水体本土微生物， 用水体本身代替传统的有限生物反应器，大大释放了微生物生长空间，提高微生物的有效生 物量和功能性，重组、完善和优化水体微生物生态系统，最终实现水体自净能力。

实施例2

实验选择安徽省合肥市一景观水体，面积10000m²，为半封闭型湖体。由于地表径流污染， 以及无意识污染源排放入湖中，湖底淤泥较厚，近些年水体富营养化程度严重、透明度下降， 水质恶化严重。

实验现场具体情况：

缺氧区、好氧区体积比为1:3，反应器总体积0.8m³，缺氧区填充颗粒状、悬浮型、特异 性微生物活化填充料(工艺起始阶段一次性投加量为4000mg/L，好氧区采用固定式纤维状填 料(填料比表面积15m²/g)，控制水力停留时间8h，工艺起始阶段系统内部自循环24h实现 微生物挂膜培养，正常运行时进水流量0.1m³/h，控制系统名义水力停留时间6h，通过调节阀 门(1)和阀门(2)控制进出水比例，进而设置目标内循环比，以保证待活化微生物在系统 中的停留时间，通常内循环比为500％，采用可编程逻辑控制系统控制好氧区溶解氧为2mg/L。

本实施例所用特异性微生物活化填充料制备步骤如下：

将质量比为8:0.3:0.3:1的蒙脱石、聚合硫酸铝、NaCl与KCl等质量混合物、活性炭，将 其充分混合分散于60℃水中，待上述悬浊液冷却至30℃，加入微生物激活剂，控制其与无机 搭载体的比例为0.3:8，然后在充分搅拌的同时以1mL/min的速率滴入溶解于75℃水中的有 机高分子聚合物用于固定微生物激活剂于无机搭载体表面，最终实现有机高分子聚合物与无 机搭载体的质量比为0.1:8，待混合液冷却至室温沉淀后，弃去上清液，下部沉积物制得的特 异性微生物活化填充料。

系统运行稳定后60天后，分别监测待修复水体水质指标，检测结果如下表(mg/L)：

由上表中数据可知，本发明系统运行60天后TN、TP、COD等主要污染指标明显下降， 水体浊度、色度大幅降低，水体景观效应明显提升，各类指标满足III类地表水体标准，污染 物控制、水质指标提升等水体生态修复效果明显。

实施例3

实验选择山东省东营市一封闭河道，水域面积5000m²。由于地表径流污染，以及无意识 污染源排放入湖中，湖底淤泥较厚，近些年水体富营养化程度严重、水体浑浊，水质恶化严 重。

实验现场具体情况：

缺氧区、好氧区体积比为1:4，反应器总体积0.3m³，缺氧区填充颗粒状、悬浮型、特异 性微生物活化填充料(工艺起始阶段一次性投加量为1000mg/L，好氧区采用固定式纤维状填 料(填料比表面积10m²/g)，控制水力停留时间9h，工艺起始阶段系统内部自循环24h实现 微生物挂膜培养，正常运行时进水流量0.05m³/h，控制系统名义水力停留时间6h，通过调节 阀门(1)和阀门(2)控制进出水比例，进而设置目标内循环比，以保证待活化微生物在系 统中的停留时间，通常内循环比为500％，采用可编程逻辑控制系统控制好氧区溶解氧为 2.5mg/L。

本实施例所用特异性微生物活化填充料制备步骤如下：

将质量比为6:0.5:0.1:3的蒙脱石、聚硅硫酸铝、MgSO₄.7H₂O、活性炭，将其充分混合分 散于80℃水中，待上述悬浊液冷却至30℃，加入微生物激活剂，控制其与无机搭载体的比例 为0.1:6，然后在充分搅拌的同时以2mL/min的速率滴入溶解于85℃水中的有机高分子聚合 物用于固定微生物激活剂于无机搭载体表面，最终实现有机高分子聚合物与无机搭载体的质 量比为0.3:6，待混合液冷却至室温沉淀后，弃去上清液，下部沉积物制得的特异性微生物活 化填充料。

系统运行稳定后60天后，分别监测待修复水体水质指标，检测结果如下表(mg/L)：

由上表中数据可知，本发明系统运行60天后TN、TP、COD等主要污染指标明显下降， 水体浊度、色度大幅降低，水体景观效应明显提升，各类指标满足III类地表水体标准，污染 物控制、水质指标提升等水体生态修复效果明显。

综上所述，本发明公开了一种富营养化水体的生态净化方法，该方法能够突破传统水体 净化采用的旁通封闭单元式水处理工艺，通过激活水体本土微生物，用水体本身代替传统的 有限生物反应器，大大释放了微生物生长空间，充分发挥微生物大量繁殖过程中对水体中污 染物质(C、N、P)产生的强大的分解能力，提高微生物的有效生物量和功能性，重组、完善 和优化水体微生物生态系统，进而强化建立微生物中心枢纽作用，实现污染物沿水体生态系 统不同营养级之间的物质流传递，促使水体恢复自我净化调节能力，从而高效去除诱发藻类 过度生长的N、P等相关污染物，有效降低水体中的悬浮藻类、悬浮颗粒含量，降低浊度，增 加透明度，提升水体溶解氧水平，从根本上改善水质与水体生态系统的物料平衡状态，最终 达到并保持水体自净的生态修复目的。本发明用于富营养化水体生态修复的微生物活化工艺 系统包括缺氧区和好氧区两个组成部分，具体工艺流程如下：景观水通过自吸泵进入一体化 微生物活化处理系统，一部分进入缺氧区进行活化培养，另一部分排放至景观水体，缺氧区 通过特异性微生物碳源的作用，实现高效脱氮微生物的活化，后续的好氧区则用于特异性微 生物强化生长以及有机污染物与氨氮的高效定向转化，最终出水溢流出反应器，与进水一起 混合后进入反应器缺氧区；其中，在好氧区设有微纳米气泡发生器，实现水体的高效充氧。 独特的工艺设计，利用一台自吸泵同步实现进水、出水、内循环，反应器进水、出水自平衡， 本工艺设备少，管理运行方便，能耗低，可为景观水体治理提供技术支持，具有良好的社会、 经济与环境效益。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉 本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应 用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技 术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范 围之内。