基于固定化細胞技術的污染地表水體綜合修復裝置及方法與流程

本發明屬于水質凈化領域，涉及污染地表水體修復凈化裝備及方法，具體涉及一種基于固定化細胞技術的污染地表水體綜合修復裝置及方法。

背景技術：

由于工農業的快速發展，有限的地表水資源遭受著不同程度的污染，水體生態環境日趨惡化，生物多樣性遭到嚴重破壞，影響人類生活也制約著經濟發展。因此，污染地表水的修復成為現實和迫切的環保問題。污染地表水體具有受污染途徑廣、流動性大、季節性強、污染濃度低等特征，常用生物修復法。傳統的生物修復法利用微生物對水中污染物的降解作用來凈化水體，但微生物缺少載體，導致其游離分散，難以形成優勢菌群，不能對水體進行高效處理，也存在溶解氧不足的問題。國內目前較多采用人工濕地及生態浮島法，但該類技術受植物和氣候的影響較大。曝氣充氧在污染地表水處理中較常用，通過曝氣來增加水中溶解氧以改善水質，但曝氣設備耗能巨大，投資費用高。

地表水污染問題是現代工農業高速發展的產物，尤其是化肥的普遍使用導致大量含氮化合物在自然環境中積累，造成地表水體嚴重富營養化。藻類和其他浮游生物的大量繁殖導致溶解氧量迅速下降，使其他水生生物因缺氧窒息而亡，直接破壞了水生生態系統，影響經濟效益，并且由于污染導致的水質型缺水現象逐漸加劇。因此，污染地表水的治理和修復已經成為現實及迫切的環保問題。

在大多數富營養化水體中，由于碳/氮比偏低，導致水中的氮、磷元素很難有效地去除。目前，很多國家都在廣泛應用生物處理措施處理污水，而污染地表水具有受污染途徑廣、流動性大、季節性強、污染濃度低等特征，成分更趨復雜，傳統生物修復技術顯現出很多的缺陷，例如微生物量不足及充氧不充分等問題。

技術實現要素：

針對現有技術存在的不足，本發明的目的在于，提供一種污染地表水體綜合修復裝置，解決傳統生物修復法的不足及單一技術的缺陷。

本發明的另一目的在于，提供一種基于固定化細胞技術的污染地表水體綜合修復方法，配合上述污染地表水體綜合修復裝置，更好地解決污染水體的生物修復問題。

為了解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案予以實現：

一種污染地表水體綜合修復裝置，包括固定架，所述的固定架中部安裝有控制箱，控制箱四周的固定架內對稱安裝有浮筒組，每個浮筒組頂部的固定架上安裝有太陽能電池板，每個浮筒組底部的固定架上安裝有生物箱，生物箱上均勻加工有多個邊壁小孔；

所述的控制箱內安裝有光伏控制器，光伏控制器將太陽能電池板與蓄電池連接在一起，蓄電池為曝氣機構供電。

本發明還具有如下區別技術特征：

進一步地，所述的生物箱底部設置有懸掛架，懸掛架上懸掛有人工水草。

具體的，所述的曝氣機構包括加工在控制箱側壁上的空氣入口，還包括安裝在控制箱內與蓄電池相連的電機，電機與中空攪拌軸的一端相連帶動中空攪拌軸轉動，控制箱內的中空攪拌軸上加工有通氣孔，通氣孔與中空攪拌軸的中空腔連通，中空攪拌軸的另一端伸出控制箱底部并且在端部連通有負壓腔，中空攪拌軸上還安裝有能夠使得負壓腔產生負壓的攪拌槳。

優選的，所述的中空攪拌軸為分段式結構，各段之間通過聯軸器相連。

優選的，所述的負壓腔為喇叭狀，負壓腔邊壁開有小孔。

優選的，所述的浮筒組為矩陣式對稱排列的四組。

本發明還提供一種基于固定化細胞技術的污染地表水體綜合修復方法，該方法采用了如上所述的污染地表水體綜合修復裝置對污染地表水體進行修復。

具體的，該方法具體包括以下步驟：

步驟一，基質溶液的制備：

配置基質溶液，所述的基質溶液中COD為500mg/L，氨氮濃度為20mg/L，磷酸鹽濃度為10mg/L；

步驟二，菌懸液的制備：

取待處理污染地表水當地污水廠的污泥混合液，本實例中所取混合液懸浮固體濃度為3000mg/L，將污泥混合液按30％的體積比例接種于含有步驟一制得的基質溶液的發酵罐中，加入營養物質，使得發酵罐中的酵母膏的濃度為50mg/L，發酵罐中的微量無機鹽為(NH₄)₂SO₄、KH₂PO₄、MgSO₄、FeSO₄和CaCl₂；

在30℃下恒溫曝氣馴化，每2～3天換一次水，檢測COD、氨氮和總磷含量，當馴化出的菌種對COD、氨氮和總磷的降解能力均達到90％以上后，進行擴大培養，將菌種接入LB培養基(酵母膏5g/L，NaCl 10g/L，蛋白胨10g/L)，在發酵罐中30℃恒溫曝氣培養2d，將培養后的菌液靜置沉淀24h，棄去上清液，用磷酸鹽緩沖液洗滌，同樣靜置沉淀后棄去上清液，使菌體懸浮于磷酸鹽緩沖液中，形成菌懸液，菌懸液中的微生物含量為20×10¹¹～30×10¹¹個.mL^-1；

步驟三，微生物的包埋和固定：

配制濃度為4％的海藻酸鈉溶液，作為包埋材料，待其徹底溶解后與步驟二制得的菌懸液等體積均勻混合。將混合液灌進長度約為30cm的絲瓜瓤內部，然后將其放入濃度為4％的CaCl₂溶液中交聯18h。交聯結束后，用無菌水沖洗絲瓜瓤，得到吸附有固定化微生物的絲瓜瓤；

步驟四，修復：

將步驟三得到的吸附有固定化微生物的絲瓜瓤裝滿生物箱，然后將污染地表水體綜合修復裝置放入污染地表水體中懸浮，開啟曝氣機構，進行修復。

優選的，每個生物箱的下方掛4根人工水草，所述的人工水草的直徑為5cm，長度為1.5m。

優選的，所述的曝氣機構使得裝置周圍水體中溶解氧含量維持在4mg/L以上。

本發明與現有技術相比，具有如下技術效果：

(Ⅰ)本發明的裝置安裝操作簡單，能夠對水體進行原位生物修復，本裝置能夠輔助固定化細胞技術，使得微生物不會游離分散，體現和發揮優勢菌群的作用。此外，利用曝氣設備來提供足夠氧氣，更優化了水下處理環境。太陽能電池板的應用突顯了本裝置零能耗、綠色環保的特征。對于低碳/氮比，富營養化較嚴重的地表水體，該裝置綜合性高，修復效果顯著。

(Ⅱ)人工水草是一種生物膜載體技術，正在日益興起且發展前景良好，在本裝置中將其固定在水下，與固定化微生物一起在水下不同深度發揮作用。在改善水體生態環境的同時，還可提高微生物活力，富集優勢菌群生長。由生物箱邊壁小孔流出的優勢菌群可在人工水草上富集，更能加強對水體的修復效果。人工水草適用范圍廣、凈化效果好、投資低、運行管理簡單且見效快。并且，該技術不受生長時間和氣候的影響，無需專門打理，操作管理方便。

(Ⅲ)利用凝膠包埋固定方法，將微生物進行固定化處理。該方法操作簡單、對細胞活性影響小，且制作的固定化細胞球的強度較高。利用氧擴散的限制，在固定化細胞顆粒中存在著好氧區和缺氧區，滿足硝化和反硝化反應對環境條件的不同要求。污染物在原地被降解消除，不會形成二次污染或導致污染物的轉移。此外，修復費用較少，僅為化學修復、物理修復的30％～50％。

(Ⅳ)選擇絲瓜瓤作為吸附載體，將培養好的微生物經過包埋劑包埋后固定于絲瓜瓤中，絲瓜瓤內部有許多微囊孔，微生物可吸附生長于這些微囊中，避免了因吸附力小而導致固定化菌大量流失的現象。此外，這種微囊結構使得載體本身具有較大的比表面積，更增強了細菌對污染物的吸附能力。絲瓜瓤子經濟、環保易獲取，是優良的吸附載體。

(Ⅴ)本發明能使微生物在絲瓜瓤載體上大量附著生長，并易形成優勢菌群；人工水草利用自身大比表面積作為生物膜載體；水下曝氣增加水中氧氣含量，促進好氧微生物生長繁殖，增強人工水草掛膜效果。三者結合在水下不同深度處對水中有機物、氮、磷等元素進行有效的去除，處理效果更好、更快。

(Ⅵ)單一的污水處理技術已經不能滿足人們對水質的要求，為克服單一技術的缺點，本發明將固定化細胞技術、人工水草和曝氣充氧這三種工藝技術組合，充分發揮各工藝的特點，在達到良好處理效果的同時，還能減少投資。

附圖說明

圖1是本發明的整體結構示意圖。

圖2是圖1的A-A剖視結構示意圖。

圖3是圖1的B-B剖視結構示意圖。

圖4是圖1的左視結構示意圖。

圖中各個標號的含義為：1-固定架，2-控制箱，3-浮筒組，4-太陽能電池板，5-生物箱，6-邊壁小孔，7-光伏控制器，8-蓄電池，9-曝氣機構，10-懸掛架，11-人工水草，12-固定化微生物，13-氣體；

(9-1)-空氣入口，(9-2)-電機，(9-3)-中空攪拌軸，(9-4)-通氣孔，(9-5)-負壓腔，(9-6)-攪拌槳，(9-7)-聯軸器。

以下結合實施例對本發明的具體內容作進一步詳細解釋說明。

具體實施方式

固定化細胞技術是指利用物理或化學手段將完整細胞定位于限定的空間區域并使其保持活性和能夠反復使用的一種基礎技術。固定化細胞技術創造的固定化環境對微生物細胞起保護作用，避免其他細菌和有毒物質等對細胞的侵害，以及人為對生物酶活性的破壞，加強了生化反應的穩定型，修復效果明顯優于游離菌。其關鍵是篩選適宜的載體材料和確定優化的固定化工藝條件。

人工水草是一種新型人工合成材料接觸氧化技術，用具有耐污、耐腐蝕、彈性、韌性和柔性都很強的材料仿照自然水草設計而成的仿生水草材料，是具有較大比表面積的載體。通過微生物自身的演替，在載體表面形成立體微生物生態系統，其表面大量的微生物物種和完善的食物網，使得微生物群落對有機污染物的代謝效率較高，脫氮除磷效果明顯。

曝氣充氧通過曝氣設備向水體充氧以加速土著好氧微生物生物繁殖而加強水體自凈能力。但在流動水體中微生物缺少載體，流失嚴重，使得曝氣充氧修復效果差。

本發明通過設計綜合裝置，將三種技術結合，在克服傳統修復方法缺陷的同時，充分發揮各工藝的性能，突出和優化了結合的效果，處理方式更具有綜合性。

以下給出本發明的具體實施例，需要說明的是本發明并不局限于以下具體實施例，凡在本申請技術方案基礎上做的等同變換均落入本發明的保護范圍。

實施例1：

遵從上述技術方案，如圖1至圖4所示，本實施例給出一種污染地表水體綜合修復裝置，包括固定架1，所述的固定架1中部安裝有控制箱2，控制箱2四周的固定架1內對稱安裝有浮筒組3，每個浮筒組3頂部的固定架1上安裝有太陽能電池板4，每個浮筒組3底部的固定架1上安裝有生物箱5，生物箱5上均勻加工有多個邊壁小孔6；

所述的控制箱2內安裝有光伏控制器7，光伏控制器7將太陽能電池板4與蓄電池8連接在一起，蓄電池8為曝氣機構9供電。

太陽能電池板4的尺寸為1200×1000×50mm，安裝傾角為34.30度。

光伏控制器7是用于太陽能發電系統中，控制多路太陽能電池方陣對蓄電池充電以及蓄電池給太陽能逆變器負載供電的自動控制設備。光伏控制器7采用本領域常用的光伏控制器即可。

浮筒組3采用浮筒組成，浮筒為高密度實芯圓柱形泡沫浮筒，每個浮筒浮力能達120kg，每塊太陽能電池板4下面安裝三個浮筒。整個裝置重量約為240kg，總重遠小于浮筒的浮力。

本實施例中，作為一種優選情況，浮筒組3為矩陣式對稱排列的四組，對應的太陽能電池板4共安裝四塊，太陽能電池板4在整個裝置的最上面，通過吸收太陽光，將太陽輻射能轉化為電能，由此帶動曝氣機構9運轉，以增加水中的溶解氧。

固定化微生物12放置在生物箱5內，生物箱5的箱體由輕質材料制作，生物箱5側方蓋可打開，便于放置固定化微生物12。通過邊壁小孔6，水體可以自由進出生物箱5，固定化微生物12載體無法通過，從而高效發揮微生物降解污染物的作用，對水體進行修復。

生物箱5的尺寸為600×600×300mm，作為一種優選，每個生物箱5上的邊壁小孔6的個數為36。

固定化微生物12通過細胞包埋的方法固定，并使其在特定生物載體上生存。

生物箱5底部設置有懸掛架10，懸掛架10上懸掛有人工水草11。人工水草11為辮帶式人工水草，充氧時管狀直徑可變，無堵塞。綁好之后可利用三年以上，無需專門打理。人工水草可根據具體的情況選擇懸掛的條數和長度。生物箱5內逸出的微生物可被人工水草11富集，從而加強優勢菌群的作用。

由于曝氣的作用，使人工水草11能在充氧的環境中更好的掛膜，形成仿生系統，對水體進行凈化。作為本實施例的優選，人工水草11的比表面積在2000m²/m³以上，每個生物箱下方懸掛四根人工水草11。

曝氣機構9包括加工在控制箱2側壁上的空氣入口9-1，還包括安裝在控制箱2內與蓄電池8相連的電機9-2，電機9-2與中空攪拌軸9-3的一端相連帶動中空攪拌軸9-3轉動，控制箱2內的中空攪拌軸9-3上加工有通氣孔9-4，通氣孔9-4與中空攪拌軸9-3的中空腔連通，中空攪拌軸9-3的另一端伸出控制箱2底部并且在端部連通有底端開放的負壓腔9-5，中空攪拌軸9-3上還安裝有能夠使得負壓腔9-5產生負壓的攪拌槳9-6。

中空攪拌軸9-3為分段式結構，各段之間通過聯軸器9-7相連。

負壓腔9-5為喇叭狀，便于形成負壓環境和空氣的排出。

本發明的裝置使用時，將固定化微生物12裝入生物箱5中，將整個裝置漂浮在水中，太陽能電池板4將太陽能轉換為電能存儲在蓄電池8中，蓄電池8帶動中空攪拌軸9-3轉動，攪拌槳9-6的隨之轉動使得攪拌槳9-6的下方水體形成負壓，進而使得負壓腔9-5中形成負壓，空氣在負壓的作用下從空氣入口9-1中吸入至中空攪拌軸9-3的中空腔中，并從負壓腔9-5中溢出，以增加水中的含氧量。固定化微生物12在生物箱5中生長繁殖，隨著繁殖量的增加，有一部分微生物會從邊壁小孔6中逸出，在人工水草11上富集，從而加強優勢菌群的作用，提高微生物對污染水體的修復效果。

本發明針對污染地表水的特征和傳統生物修復法的不足，將曝氣技術、固定化細胞技術及人工水草技術結合，利用太陽能電池板供電進行曝氣，設計了一種污染地表水體綜合修復裝置，有效的解決了微生物量不足，水生植物不易存活和難管理的問題，克服了單一生物修復的缺陷，適應性強，并且環保無能耗，修復效果顯著。

下述實施例和對比例中的試驗均在西安某一受污染的湖泊水中同時進行，湖水pH＝7.4，初始溶解氧濃度為0.7mg/L，總氮濃度為2.4mg/L，處于地表劣Ⅴ類水平，COD為35mg/L，總磷濃度為0.13mg/L，處于地表類Ⅴ類水平。

實施例2：

本實施例給出一種基于固定化細胞技術的污染地表水體綜合修復方法，該方法采用如權利要求1所述的污染地表水體綜合修復裝置對污染地表水體進行修復，該方法具體包括以下步驟：

步驟一，基質溶液的制備：

配置基質溶液，所述的基質溶液中COD(化學需氧量)為500mg/L，氨氮濃度為20mg/L，磷酸鹽濃度為10mg/L；基質溶液中COD的調配是通過常規的有機物進行調配的，只需要基質溶液中COD滿足要求濃度即可。

步驟二，菌懸液的制備：

取待處理污染地表水當地污水廠的污泥混合液，本實例中所取混合液懸浮固體濃度為3000mg/L，將污泥混合液按30％的體積比例接種于含有步驟一制得的基質溶液的發酵罐中，加入營養物質，使得發酵罐中的酵母膏的濃度為50mg/L，發酵罐中的微量無機鹽為(NH₄)₂SO4、KH₂PO4、MgSO4、FeSO₄和CaCl₂；

在30℃下恒溫曝氣馴化，每2～3天換一次水，檢測COD、氨氮和總磷含量，當馴化出的菌種對COD、氨氮和總磷的降解能力均達到90％以上后，進行擴大培養，將菌種接入LB培養基(酵母膏5g/L，NaCl 10g/L，蛋白胨10g/L)，在發酵罐中30℃恒溫曝氣培養2d，將培養后的菌液靜置沉淀24h，棄去上清液，用0.1mol/L磷酸鹽緩沖液洗滌，同樣靜置沉淀后棄去上清液，使菌體懸浮于磷酸鹽緩沖液中，形成菌懸液，菌懸液中的微生物含量為20×10¹¹～30×10¹¹個.mL^-1；

步驟三，微生物的包埋和固定：

配制濃度為4％的海藻酸鈉溶液，作為包埋材料，待其徹底溶解后與步驟二制得的菌懸液等體積均勻混合。將混合液灌進長度約為30cm的絲瓜瓤內部，然后將其放入濃度為4％的CaCl₂溶液中交聯18h。交聯結束后，用無菌水沖洗絲瓜瓤，得到吸附有固定化微生物的絲瓜瓤；

步驟四，修復：

將步驟三得到的吸附有固定化微生物的絲瓜瓤裝滿生物箱，每個生物箱的下方掛4根人工水草，所述的人工水草的直徑為5cm，長度為1.5m，然后將污染地表水體綜合修復裝置放入污染地表水體中懸浮，開啟曝氣機構，所述的曝氣機構使得裝置周圍水體中溶解氧含量維持在4mg/L以上，轉速一般控制在1500rpm，進行修復。

經過1個月的修復，對生物箱下方6m處水質進行檢測，溶解氧濃度上升到4mg/L，總氮濃度為1.5mg/L，達到地表Ⅳ類標準，COD為20mg/L，總磷濃度為0.05mg/L，達到地表Ⅲ類標準。

實施例3：

本實施例給出一種基于固定化細胞技術的污染地表水體綜合修復方法，該方法的過程步驟與實施例1相同，區別僅僅在于，在生物箱底部不懸掛人工水草。

經過1個月的修復，對生物箱下方6m處水質進行檢測，溶解氧濃度為4.1mg/L，總氮濃度為1.3mg/L，COD為28mg/L，總磷濃度為0.07mg/L，與原水質相比有了較大改善，但改善效果不及實施例2，說明人工水草也促進了水質修復效果。

對比例1：

本對比例給出一種污染地表水體的修復方法，該方法其他步驟與實施例2相同，區別在于，本對比例中沒有實施例2中的步驟一至步驟三的內容，僅將同等數量絲瓜瓤放入生物箱內，每個生物箱的下方掛4根人工水草，所述的人工水草的直徑為5cm，長度為1.5m，然后將污染地表水體綜合修復裝置放入污染地表水體中懸浮，進行修復。

經過1個月的修復，對生物箱下方6m處水質進行檢測，溶解氧濃度上升到3.7mg/L，總氮濃度為1.8mg/L，COD為25mg/L，總磷濃度為0.08mg/L，與原水質相比有了較大改善，但改善效果不及實施例，說明固定化微生物對水質修復有很強的促進作用。

對比例2：

本對比例給出一種污染地表水體的修復方法，該方法其他步驟與實施例2相同，區別在于，本對比例中沒有實施例2中的步驟一至步驟三的內容，也不向生物箱中放入絲瓜瓤，生物箱的下方也不懸掛人工水草，然后將污染地表水體綜合修復裝置放入污染地表水體中懸浮，進行修復。

經過1個月的修復，對生物箱下方6m處水質進行檢測，溶解氧濃度為3.8mg/L，總氮濃度為1.3mg/L，COD為30mg/L，總磷濃度為0.11mg/L，與原水質相比水質有所改善，但改善不及實施例2和3，說明曝氣能一定程度修復水質，而固定化微生物和人工水草結合對水質改善效果明顯。

對比例3：

本對比例給出一種污染地表水體的修復方法，該方法其他步驟與實施例2相同，區別在于，本對比例中沒有實施例2中的步驟一至步驟三的內容，僅將同等數量絲瓜瓤放入生物箱內，生物箱的下方也不懸掛人工水草，然后將污染地表水體綜合修復裝置放入污染地表水體中懸浮，進行修復。

經過1個月的修復，對生物箱下方6m處水質進行檢測，溶解氧濃度上升到4mg/L，總氮濃度為1.2mg/L，COD為28mg/L，總磷濃度為0.09mg/L，和對比例2相比，水質有所提高，說明絲瓜瓤的吸附特性對水質有改善作用，但改善較小。

對比例4：

本對比例給出一種污染地表水體的修復方法，該方法其他步驟與實施例2相同，區別在于，本對比例中沒有實施例2中的步驟一至步驟三的內容，也不向生物箱中放入絲瓜瓤，僅僅在生物箱的下方懸掛人工水草，所述的人工水草的直徑為5cm，長度為1.5m，然后將污染地表水體綜合修復裝置放入污染地表水體中懸浮，進行修復。

經過1個月的修復，對生物箱下方6m處水質進行檢測，溶解氧濃度上升到4.1mg/L，總氮濃度為1.1mg/L，COD為24mg/L，總磷濃度為0.08mg/L。和對比例2相比，水質有所提高，但不及實施例2，說明了人工水草對水質修復有促進作用，也體現了固定化微生物對水的凈化效果明顯。

對比例5：

本對比例給出一種污染地表水體的修復方法，該方法其他步驟與實施例2相同，區別在于，本對比例中關掉攪拌槳，不向水體中進行曝氣，不額外提高水中的氧含量。

經過1個月的修復發現，生物箱內的載體已經徹底解體，對裝置6m處水質進行檢測，溶解氧濃度為1.3mg/L，總氮濃度為1.2mg/L，COD為31mg/L，總磷濃度為0.08mg/L，和原水質相比有所改善，說明固定化微生物和人工水草能改善水質，但曝氣起到很強的促進作用。