CN209923026U

CN209923026U - 水质净化微生物生态单元、水质净化微生物生态系统

Info

Publication number: CN209923026U
Application number: CN201920058656.7U
Authority: CN
Inventors: 丁林贤; 苏晓梅; 付惠玲
Original assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Priority date: 2019-01-14
Filing date: 2019-01-14
Publication date: 2020-01-10
Anticipated expiration: 2029-01-14

Abstract

本实用新型公开了一种水质净化微生物生态单元、水质净化微生物生态系统，该水质净化微生物生态单元包括框架，框架的底端外壁面上分别设有进水口、出水口，框架内设有滤材层以及与出水管道；滤材层自上到下将框架分割成第一容纳腔、第二容纳腔，出水管道具有进水端以及出水端，进水端位于第一容纳腔内，且进水端相对于水平面的高度小于框架顶端相对于水平面的高度，出水端与出水口连通，第二容纳腔与进水口连通，滤材层由若干个火山灰性土质颗粒堆积而成，火山灰性土质颗粒内植入含有脱氮除磷的VBNC菌种。通过在火山灰性土质颗粒内植入异养反硝化聚磷菌群，提高调控本地功能微生物的活性化，形成了稳定的优势菌群，达到提高水质净化效果的目的。

Description

水质净化微生物生态单元、水质净化微生物生态系统

技术领域

本实用新型实施例涉及水处理技术领域，特别涉及水质净化微生物生态单元、水质净化微生物生态系统。

背景技术

水是生命之源，人体的百分之七十左右由水构成，因此污染水体的净化，自然生态环境的修复功在当代利在千秋意义深远。水体富营养化的原因主要来自外源性与内源性污染，前者包括来自工农业、城市乡镇农村富含氮磷营养的生活污水以及路面径流进入水域包括农村门口塘、河流以及湖泊，后者主要是富营养化后导致浮游藻类爆发，富营养的动植物性遗骸残体沉积于淤泥最终形成富营养化水体。目前针对富营养化水体治理主要措施：一是利用物理处理方法，包括环境整治的排污纳管雨污分流、底泥清淤、引外来清洁水源稀释、强化增氧曝气等，能够达到暂时或缓慢的自然净化效果，但实践表明单纯用物理方法尚不能有效解决富营养化水体的水质净化问题。二是利用动植物的生物处理方法，目前生物处理方法的主要方法包括：一是安装水泵使水体流动循环增强水中溶氧提高好氧细菌水质净化的效率，但是利用水泵提高水循环曝气增氧、耗能的同时没有通过微生物载体过滤，加之大量处于不起功能的VBNC状态微生物难以达到综合效果；二是投放硝化反硝化细菌，调整水中微生物组成增强脱氮除磷水质净化效果，但是引进外来菌种直接投放水域，因没有可资稳定栖息的载体以及缺乏与本地土著微生物群体之间的相容、难以形成优势菌群而逐渐退化消亡，不能达成稳定可持续效果；三是种植景观植物，包括直接种植水生植物以及基于人工浮岛的圈养植物吸收氮磷营养、改善水体溶氧达到一定水质净化效果，但是大量圈养人工浮岛植物容易导致二次污染，季节性种植以及清除植物遗骸成本较高；四是蓝藻大发生时投放人工养殖的食藻虫，虽有明显洁水感官效果，但不能调控水质，研究表明由于蓝藻爆发留存富含蛋白有机质遗骸累积于水域底泥，厌氧发酵产生大量剧毒H₂S，通常沉于底泥的食藻虫越冬卵一旦接触水域底泥有毒物质H₂S、卵直接死亡或孵化后幼体中毒死亡，种群逐渐消亡，最终导致生态食物链断裂。目前的富营养化水体的生物处理方法中虽然已经意识到投加食藻虫能够减少蓝藻细胞总量，提高水体透明度的感官效果，但是①投加的食藻虫仍然面临不能安全越冬之虐，种群基数难以维持、治标不治本；②虽减少了蓝藻细胞总量但不能有效调控水质，不能形成可持续的生态食物链锁关系。且目前的方法都是零散的净化方式，对流动水体水域效果并不理想，且对非流动水体水域效果也极为缓慢，通常需要2年以上且持续投加外来微生物才能维持一定效果，无法实现可持续地水质净化目的。

发明内容

本实用新型实施例的目的在于提供一种水质净化微生物生态单元、水质净化微生物生态系统及其方法，解决富营养化水体的可持续水质净化问题。

为解决上述技术问题，本实用新型的实施例提供了一种水质净化微生物生态单元，包括框架，框架的底端外壁面上分别设有进水口、出水口，框架内设有滤材层以及与出水管道；滤材层自上到下将框架分割成第一容纳腔、第二容纳腔，出水管道具有进水端以及出水端，进水端位于第一容纳腔内，且进水端相对于水平面的高度小于框架顶端相对于水平面的高度，出水端与出水口连通，第二容纳腔与进水口连通，滤材层由若干个火山灰性土质颗粒堆积而成，火山灰性土质颗粒内植入含有脱氮除磷的VBNC菌种。

本发明的实施例还提供了一种水质净化微生物生态系统，包括若干个如上的水质净化微生物生态单元，其中，若干个所述的水质净化微生物生态单元共用同一个水循环流动水泵，相邻的2个的水质净化微生物生态单元的出水口彼此连通，水循环流动水泵通过抽取一个所述水质净化微生物生态单元中出水口中的水实现整个水质净化微生物生态系统的水循环。。

本发明的实施例还提供了一种采用如上的水质净化微生物生态的方法，待净化水体自进水口流入第二容纳腔内，然后由滤材层过滤后进入第一容纳腔内，由出水管道的进水端流至出水口，最后由水循环流动水泵抽出。

本实用新型实施例相对于现有技术而言，具有以下优势：

1、通过在火山灰性土质颗粒内植入含有可培养化的VBNC异养反硝化聚磷菌群，提高调控本地功能微生物的活性化，形成了稳定的优势菌群，达到提高水质净化效果的目的；

2、使用高比表面积的火山灰性土质颗粒(通透性优于活性炭、具有2万M²/L相当于每升载体的比表面积可达40个网球场)，不仅适于高效降解性微生物栖息，而且极大提高有效生物膜的比表面积、提升水质净化效率，同时增大富营养化水体与火山灰性土质颗粒接触面积，实现低耗能高效率循环的水质净化系统；

3、在第一容纳腔内形成半封闭悬空复合人工浮岛装置，使得食藻虫远离毒性物质发生源底泥，该装置完全不同于普通开放式人工浮岛，其内部上层圈养吸收氮磷营养物质并有较好景观感官效果的植物、下层及底部不仅适合食藻虫繁殖，而且避免食藻虫冬季形成的卵沉入有毒底泥而在水质净化微生物生态单元内安全越冬。同时半封闭悬空人工浮岛装置能阻止滤食性鱼类进入，保持能与蓝藻发生动态相向一定基数的种群数量，逐步实现可持续的自然生态食物链锁关系，因而从根本上有效恢复自然生态净化功能；

4、将高比表面积火山灰性土质颗粒、具有脱氮除磷的VBNC菌种以及食藻虫安全越冬人工浮岛装置结合，形成了一体化的多重生态水质净化系统，达到了可持续的富营养化水质净化目标。

另外，含有脱氮除磷的VBNC菌种包含节杆菌属菌种、红球菌属菌种、拟无枝酸菌菌种、微球菌属、苍白杆菌属、斯氏假单胞菌种、产碱杆菌种、莫拉菌种、不动杆菌种、蜡样芽孢杆菌种的一种或多种的组合，这些菌种是目前非一般传统微生物分离方法所能发现及其获得的可培养化VBNC菌种，通过微球菌属的一种菌种所分泌的活性信号蛋白(复苏促进因子Rpf)的复苏促进作用，使得活性化VBNC菌种的细胞数量从5.3×10⁷(个/g载体)增强到 2.1×10¹⁰(个/g载体)，增强了2-3个数量级的活性化细胞总量，从而实现了更高的脱氮除磷效果。

另外，火山灰性土质颗粒的直径为每2～6mm，每升火山灰性土质颗粒的比表面积1～5 万M²。

另外，滤材层包括自上而下层叠设置的第一层以及第二层，第一层中的火山灰性土质颗粒的粒径小于第二层中的火山灰性土质颗粒的粒径。

另外，第一层中的火山灰性土质颗粒的粒径为2～4mm，第二层中的火山灰性土质颗粒的粒径为4～6mm。

另外，框架的横截面呈方形，框架的底端部分外壁呈栅栏状，相邻的2个栅栏之间的间隙形成进水口。

另外，框架由砖块堆砌而成，且框架的底部固定于底座上，底座由水泥砌成。

另外，包括于出水口上安装的水循环流动水泵，框架上设置用于种植植物的支架，支架的边缘固定于框架的内壁上。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是本实用新型实施例1中的水质净化微生物生态单元结构示意图；

图2是本实用新型实施例1中的水质净化微生物生态单元结构截面图；

图3是本实用新型实施例1中的火山灰性土质颗粒的扫描电子显微镜图片；

图4是本实用新型实施例2中的水质净化微生物生态系统结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本实用新型各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

实施例1

一种水质净化微生物生态单元，如图1～2所示，该水质净化微生物生态单元包括框架1，框架1的底端外壁面上分别设有进水口1-1、出水口1-2，框架1的横截面呈方形，框架1 的底端部分外壁呈栅栏状，相邻的2个栅栏之间的间隙形成进水口1-1。框架1内设有滤材层2以及与出水管道3；滤材层2自上到下将框架分割成第一容纳腔1-3、第二容纳腔1-4，出水管道3具有进水端3-1以及出水端3-2，进水端3-1位于第一容纳腔1-3内，且进水端 3-1相对于水平面的高度小于框架1顶端相对于水平面的高度，出水端3-2与出水口1-2连通，第二容纳腔1-4与进水口1-1连通，滤材层2由若干个火山灰性土质颗粒4堆积而成，火山灰性土质颗粒4内植入含有脱氮除磷的VBNC菌种。

需要说明的是，利用传统的常规培养法从富营养化水体(富营养化水体指的是在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口以及海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降，水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡的现象)中只能分离到0.01～10％的可培养微生物，绝大部分微生物都处在活的但非可培养 (VBNC)状态，本实施例使用复苏促进因子Rpf从富营养化水体中发现并且分离得到脱氮除磷的VBNC菌种，具体地，VBNC菌种可以在复苏促进因子Rpf的刺激诱导下能够恢复活性进行代谢繁殖。

优选地，具有脱氮除磷的VBNC菌种选自节杆菌属菌种、红球菌属菌种、拟无枝酸菌菌种、微球菌属、苍白杆菌属、斯氏假单胞菌种、产碱杆菌种、莫拉菌种、不动杆菌种、蜡样芽孢杆菌种的一种或多种的组合，具体地，这些菌种是目前非一般传统微生物分离方法所能发现及其获得的可培养化VBNC菌种，通过微球菌属的一种菌种所分泌的活性信号蛋白(复苏促进因子Rpf)的复苏促进作用，使得活性化VBNC菌种的细胞数量从5.3×10⁷(个/g载体)增强到2.1×10¹⁰(个/g载体)，增强了2-3个数量级的活性化细胞总量，从而实现了更高的脱氮除磷效果。

值得一提的是，火山灰土质颗粒主要成分由强物理吸附性能不溶于水的火山灰土以及适量膨润土与沸石等组成，经低温烧结形成的颗粒状过滤载体材料，具有良好的物理吸附、化学中和性能(处理一般富营养水体运行10个月，其pH能稳定在5.5～7.0之间)。如图3所示，火山灰性土质颗粒4的直径为每2～6mm，每升火山灰性土质颗粒4的比表面积1～5万M²。具体地，本实施例中的火山灰性土质颗粒4的比表面积为2万M²/L，相当于每升载体的比表面积可达40个网球场，不仅适于高效降解性微生物栖息、而且极大提高滤材层的比表面积、提升水质净化效率，同时利用多重好氧(部分厌氧)工程工艺、提高富营养化水体与滤材层的接触通量，实现低耗能高效率循环的水质净化系统。

另外，滤材层2包括自上而下层叠设置的第一层2-1以及第二层2-2，第一层2-1中的火山灰性土质颗粒4的粒径小于第二层2-2中的火山灰性土质颗粒4的粒径。具体地，第一层 2-1中的火山灰性土质颗粒4的粒径为2～4mm，第二层2-2中的火山灰性土质颗粒4的粒径为4～6mm。

具体地，框架1可以由砖块堆砌而成，且框架1的底部固定于底座5上，底座5可以由水泥砌成，当然，框架1也可以使用其他材料制作，比如木材、塑料、不锈钢或者它们的组合，本实用新型实施例在此不做限定。框架1通过底座5固定于富营养水域的水底，增强了框架1的强度。

此外，框架1上设置用于种植植物6的支架7，支架7的边缘固定于框架1的内壁上。

值得注意的是，水质净化微生物生态单元还设有污泥排出备用管8以及与污泥排出备用管8相连的污泥排出备用管泵9，污泥排出备用管8穿过底座5。具体地，在突发性超负荷外源性污染干扰情况下，形成一定数量的污泥时，需要启动污泥排出备用管泵9排污，延长水质净化微生物生态单元运行时间。

此外，本实施例中的水质净化微生物生态单元还在框架1内部设置微生物强化的投加备用管10，具体地，微生物强化的投加备用管10的开口位于框架1的顶端，微生物强化的投加备用管10的另外一个开口位于滤材层2上，当出现外源性污染强负荷时，可以通过微生物强化的投加备用管10投放具有脱氮除磷的VBNC菌种，以延长水质净化的时间。

此外，本实施例中的出水管道3呈倒T字形，其中，进水端位于T字形的“I”的末端，出口端分别位于T字形的“一”的两侧，另外，本实施例的水质净化微生物生态单元还包括与一出口端相连的水循环流动水泵11、与水循环流动水泵11相连的低扬程循环出水口12、与水循环流动水泵11相连的景观喷水备用出水口13，具体的，水循环流动水泵11将出水管道3中流出的水抽出，一部分出水通过低扬程循环出水口12实现二次循环过滤净化，另外一部分水通过景观喷水备用出水口13形成景观喷水。

具体地，水质净化微生物生态单元在处理富营养化水域时，框架1的顶端高于水位，进水端3-1的高度低于水位，利用框架1内外的水压将富营养化水体自然从进水口1-1进入框体1内，带有食藻虫的富营养化水体经过火山灰性土质颗粒4以及其中附着的具有脱氮除磷的VBNC菌种吸收降解，通过一次性净化后的水经过进水端3-1流向出水口1-2，进而排出框架1之外。需要说明的是，进水端3-1低于水面的水位，这样才能保证经过净化的水可以通过进水端3-1流出。

需要注意的是，由于框架1内的水是流动的，一直通过进水端3-1流出出水口1-2，这样在框架1内水面与框架1的顶端之间形成一半封闭悬空复合人工浮岛，人工浮岛的内部上层圈养吸收氮磷营养物质的植物、下层及底部不仅适合食藻虫繁殖、而且冬季形成的卵不致于沉入有毒底泥而在人工浮岛内安全越冬。同时半封闭悬空人工浮岛装置能阻止滤食鱼类进入、保持能与蓝藻发生动态相向一定基数的种群数量，逐步实现可持续的自然生态食物链锁关系。因而能从根本上有效恢复自然生态净化功能。

实施例2

一种水质净化微生物生态系统，如图4所示，包括若干个如实施例1中所述的水质净化微生物生态单元，其中，若干个水质净化微生物生态单元共用同一个水循环流动水泵，相邻的2个的水质净化微生物生态单元的出水口彼此连通，水循环流动水泵通过抽取一个水质净化微生物生态单元中出水口中的水实现整个水质净化微生物生态系统的水循环。

将多个水质净化微生物生态单元串联起来提高了污水处理效率，且可以根据水质污染情况以及污染水域面积来适应性设置水质净化微生物生态单元的串联数量，另外，一个水循环流动水泵控制整个水质净化微生物生态系统的水循环，提高了水质净化微生物生态系统的水循环速度，且避免使用多个水循环流动水泵，节约了成本。

实施例3

富营养水体室内净化实验

将使用人工配方设计得到的富营养水、接种天然蓝绿藻类后在生物反应器进行连续流中试实验，进水水样的总磷、总氮、叶绿素a浓度分别为(22.1±1.9)mg/L，(16.1±2.1)mg/L， (220.1±23.5)μg/L，经90天运行后总磷(TP)、总氮(TN)、叶绿素a(Chla)的平均去除率分别达到94.2％，91.0％和93.9％，持续调试运行24个月，三项指标均能维持在90％以上的稳定效果。

实施例4

基于生物反应器对印染废水室内连续流运行实验

经过植入具有脱氮除磷的VBNC菌种火山灰性土质颗粒过滤后，结果发现Rpf产生菌流加装置产生的复苏活性化Rpf信号蛋白(1000pmol)至少可使大型生物工程处理后排放的印染废水的CODcr150mg/L下降20-30％，提高生物反应器中机能性微生物活性与降解效果。

经室内实验，反应器中利用复苏促进因子Rpf，发现细菌检出总量：对照组5.3×107－ 2.4×109，而实验组为2.9×109－2.1×1010，细菌检出丰度提高了8.7－54.7倍。经取样分离首次发现反应器中存在有大量的、用常规分离方法分离不到的、处于类似于休眠状态对 Rpf敏感的VBNC(viable but non-culturable，活的但非可培养状态)微生物，其中与伯克霍尔德氏菌Burkholderia sp.、蜡样芽孢杆菌Bacillus sp.、赖氨酸芽孢杆菌Lysinibacillus sp.、类芽孢杆菌Paenibacillussp.、短芽孢杆菌属Brevibacillus sp.、苍白杆菌Ochrobactrum sp.、鞘脂单胞菌Sphingomonas sp.、肠杆菌属Enterobacter sp.等近缘的菌种具有聚磷机能；而与蜡样芽孢杆菌Bacillus sp.、肠杆菌属Enterobactersp.和假单胞菌Pseudomonas sp.等近缘的菌种属于反硝化脱氮机能菌群(16S rDNA序列相似性97.6-99.9％)。反应器经三个月连续运行，总磷、总氮平均去除率分别达到95.9％和92.4％(总磷、总氮起始浓度分别为21.6(±1.9)mg/L 和16.8(±1.2)mg/L)。

实施例5

在100L人工富营养水中(初始CODcr总量90mg/L，叶绿素总量0.48mg/L)，沉水种植水蓉、铁皇冠等植物，放养枝角类食藻虫100头(1头/L)经5天食藻虫总量约达10万头 (1000头/L)、测定CODcr总量18.4mg/L，去除率为79.6％；叶绿素总量0.09mg/L，去除率达81.3％。在人工浮岛内食藻虫卵能在室外安全越冬，次年春夏季水温15℃以上时见有经历越冬后的食藻虫成虫。

实施例6

在水塘中应用水质净化微生物生态系统

水塘水质从最新的外来注水三级水质逐渐变成劣V类水质。经连续运行三个月后水质逐渐恢复到III-IV类。依据冬季12-3月的3-4个月低温不利于蓝藻发生的实际情况(有室内实验数据依托)，间隙停止运行后，没有出现蓝藻，但水质指标逐渐回复至IV-V类。随4月气温升高进行连续运行，水体经过在门口水塘中应用水质净化微生物生态系统运行3个月后达到IV级以下水质指标，实现设计的目标。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施例是实现本实用新型的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本实用新型的精神和范围。

Claims

1.一种水质净化微生物生态单元，其特征在于，包括框架，所述框架的底端外壁面上分别设有进水口、出水口，所述框架内设有滤材层以及与出水管道；所述滤材层自上到下将所述框架分割成第一容纳腔、第二容纳腔，所述出水管道具有进水端以及出水端，所述进水端位于所述第一容纳腔内，且所述进水端相对于水平面的高度小于所述框架顶端相对于所述水平面的高度，所述出水端与所述出水口连通，所述第二容纳腔与所述进水口连通，所述滤材层由若干个火山灰性土质颗粒堆积而成，所述火山灰性土质颗粒内植入含有脱氮除磷的VBNC菌种。

2.根据权利要求1所述的水质净化微生物生态单元，其特征在于，所述脱氮除磷的VBNC菌种包括节杆菌属菌种、红球菌属菌种、拟无枝酸菌菌种、微球菌属、苍白杆菌属、斯氏假单胞菌种、产碱杆菌种、莫拉菌种、不动杆菌种、蜡样芽孢杆菌种的一种或多种的组合。

3.根据权利要求1所述的水质净化微生物生态单元，其特征在于，所述火山灰性土质颗粒的直径为2～6mm，每升所述火山灰性土质颗粒的比表面积1～5万M²。

4.根据权利要求3所述的水质净化微生物生态单元，其特征在于，所述滤材层包括自上而下层叠设置的第一层以及第二层，所述第一层中的所述火山灰性土质颗粒的粒径小于所述第二层中的所述火山灰性土质颗粒的粒径。

5.根据权利要求4所述的水质净化微生物生态单元，其特征在于，所述第一层中的所述火山灰性土质颗粒的粒径为2～4mm，所述第二层中的所述火山灰性土质颗粒的粒径为4～6mm。

6.根据权利要求1所述的水质净化微生物生态单元，其特征在于，所述框架的横截面呈方形，所述框架的底端部分外壁呈栅栏状，相邻的2个栅栏之间的间隙形成所述进水口。

7.根据权利要求6所述的水质净化微生物生态单元，其特征在于，所述框架由砖块堆砌而成，且所述框架的底部固定于底座上，所述底座由水泥砌成。

8.根据权利要求1～7任一项所述的水质净化微生物生态单元，其特征在于，包括于所述出水口上安装的水循环流动水泵，所述框架上设置用于种植植物的支架，所述支架的边缘固定于所述框架的内壁上。

9.一种水质净化微生物生态系统，其特征在于，包括若干个如权利要求1～8任一项所述的水质净化微生物生态单元，其中，若干个所述的水质净化微生物生态单元共用同一个水循环流动水泵，相邻的2个所述的水质净化微生物生态单元的出水口彼此连通，所述水循环流动水泵通过抽取一个所述水质净化微生物生态单元中出水口中的水实现整个水质净化微生物生态系统的水循环。