一种底泥深层厌氧降解菌筛选与生物强化修复方法及其多级分层释放系统

本发明涉及生态环境治理与修复，具体涉及一种底泥深层厌氧降解菌筛选与生物强化修复方法及其多级分层释放系统。

背景技术：

1、河湖、水库、港池及人工水体中的底泥能够吸附并累积有机污染物及其他可生物转化污染物。对于位于底泥深层且处于低氧或无氧环境中的污染物，可利用具有相应代谢能力的厌氧降解菌进行原位生物强化修复。实施该类修复时，通常需要从目标水域底泥中获得适应当地底泥条件的菌株，完成扩培后再通过注入设备将菌液输送至污染层位。

2、带有层理构造的底泥在垂直方向上具有不同的紧实度、孔隙率和渗透条件。多个深度的释放节点同时开启时，底端节点处形成的流体压力可能尚未沿水平方向消散，上方节点即开始注入，导致不同节点的压力在垂直方向叠加。部分菌液可能沿释放设备外壁与底泥之间的间隙、底泥的垂直裂隙或高渗透层理向上迁移，从而改变深层底泥原有的厌氧环境，并使尚未在底泥颗粒表面附着的菌体偏离预定修复层位。

3、此外，不同修复区域的硬质层界面深度和污染浓度峰值位置并不一致，采用固定贯入深度和固定节点间距难以使各释放节点对应实际污染富集层。因而，有必要在保留菌株筛选、厌氧扩培和深层注入连续工艺链的基础上，根据底泥空间条件配置释放层位，并根据各深度注入过程中压力衰减所反映的横向渗透状态，确定相邻节点的开启时序。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种底泥深层厌氧降解菌筛选与生物强化修复方法及其多级分层释放系统，以解决不同污染层位采用固定节点间距时释放位置与污染富集层不对应，以及多层注入的高压阶段在时间上重叠而引起菌液垂直窜流的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种底泥深层厌氧降解菌筛选与生物强化修复方法，应用于设有多个释放节点的多级分层释放系统，包括：

3、从深层污染底泥样本中分离菌落，依据各菌落对应的污染物降解透明圈与中心菌落的尺寸关系确定降解效率因子，并根据所述降解效率因子筛选目标降解菌株；

4、对所述目标降解菌株进行厌氧富集扩培，获得待释放菌液；

5、获取目标修复区域的底泥紧实度参数和污染浓度垂直梯度，依据所述底泥紧实度参数确定所述多级分层释放系统的目标贯入深度，依据所述污染浓度垂直梯度确定按深度顺序排列的多个目标释放层位以及各相邻目标释放层位之间的目标节点间距，并按照各目标节点间距调整所述多个释放节点的垂直位置；

6、控制所述多级分层释放系统下潜至所述目标贯入深度，由位于最深目标释放层位的首位释放节点执行所述待释放菌液的初始注入，采集所述首位释放节点注入过程中的压力数据序列，根据所述压力数据序列获得注入阻力衰减斜率；

7、根据所述注入阻力衰减斜率确定所述待释放菌液在所述首位释放节点所在深度处的横向渗透时间窗口；

8、在所述横向渗透时间窗口结束前，拦截向位于所述首位释放节点相邻上方的次位释放节点发送的开启指令；在所述首位释放节点完成当前层注入后保持所述首位释放节点关闭，并在所述横向渗透时间窗口结束后放行所述开启指令，使所述次位释放节点执行后续注入；

9、将所述次位释放节点更新为新的首位释放节点，并将位于所述新的首位释放节点相邻上方的释放节点确定为新的次位释放节点，重复获得注入阻力衰减斜率、确定横向渗透时间窗口以及拦截和放行开启指令的步骤，直至完成各释放节点的分层注入。

10、可选地，所述从深层污染底泥样本中分离菌落，依据各菌落对应的污染物降解透明圈与中心菌落的尺寸关系确定降解效率因子，包括：

11、在维持无氧环境的条件下，将所述深层污染底泥样本与脱氧生理盐水混合，并通过超声振荡使附着于底泥颗粒的微生物细胞进入悬浮状态，获得初始悬浮液；

12、对所述初始悬浮液进行梯度稀释，将得到的梯度稀释液分别接种至含目标污染物的固体培养基并进行厌氧培养；

13、获取培养后的培养基图像，分别提取各菌落对应的污染物降解透明圈闭合轮廓和中心菌落闭合轮廓，计算所述污染物降解透明圈的等效直径与所述中心菌落的等效直径之间的比值，并将所述比值确定为所述降解效率因子。

14、可选地，所述对所述目标降解菌株进行厌氧富集扩培，获得待释放菌液，包括：

15、将所述目标降解菌株接种至密闭发酵罐的培养基中，调节所述密闭发酵罐的温度、供氮流量和搅拌状态，以维持所述目标降解菌株的厌氧增殖条件；

16、采集所述密闭发酵罐内发酵液的光学浊度数据，根据预先标定的浊度与活菌浓度对应关系获得活菌浓度时间序列；

17、根据所述活菌浓度时间序列计算活菌浓度随时间变化的浓度斜率，当所述活菌浓度达到排料浓度阈值，且在预设持续时段内所述浓度斜率的绝对值不大于平稳判定阈值时，停止扩培并将发酵液排入无氧菌液储运容器，形成所述待释放菌液。

18、可选地，所述依据所述底泥紧实度参数确定所述多级分层释放系统的目标贯入深度，依据所述污染浓度垂直梯度确定所述多个目标释放层位和各目标节点间距，包括：

19、对勘测探头贯入过程中获得的深度数据、锥尖阻力数据和侧壁摩擦阻力数据进行平滑处理，形成深度与紧实度之间的对应关系；

20、在紧实度随深度的变化率出现正向阶跃且紧实度连续高于硬层判定阈值时，确定硬质层界面深度，并将所述硬质层界面深度向上偏移安全缓冲距离，得到所述目标贯入深度；

21、对分层采集的底泥样品进行目标污染物浓度测定并拟合所述污染浓度垂直梯度，根据所述污染浓度垂直梯度确定按深度顺序排列的多个目标释放层位，并将各相邻目标释放层位之间的深度差确定为对应的目标节点间距。

22、可选地，还包括：

23、控制垂直调节机构驱动所述多个释放节点沿多级释放管网的轴向移动，并根据位移传感器反馈的节点位置对所述垂直调节机构进行闭环控制，直至各实际节点间距与对应目标节点间距之间的误差进入位置容差范围；

24、根据各目标节点间距、目标修复区域底泥的有效孔隙率和扩散体积修正系数，分别确定在相邻释放节点的目标扩散边界不发生纵向重叠条件下的单节点容许注入体积，并根据各单节点容许注入体积和对应节点的计划注入时长确定基础注入流量。

25、可选地，所述根据所述压力数据序列获得注入阻力衰减斜率，包括：

26、按照预设采样频率获取所述首位释放节点注入过程中的多个压力采样值；

27、从各压力采样值中扣除注入前背景压力以及与当前注入流量对应的管路本底压降，得到注入阻力压力序列；在所述注入阻力压力序列达到峰值后的连续下降区间内，将连续的多个注入阻力压力值划分为依时间排列的多个采样窗口，并分别计算各采样窗口的压力代表值；

28、以时间戳为自变量、所述压力代表值为因变量进行线性拟合，在拟合斜率为负且拟合优度达到预设阈值时，将所述拟合斜率的绝对值确定为所述注入阻力衰减斜率。

29、可选地，所述根据所述注入阻力衰减斜率确定所述待释放菌液在所述首位释放节点所在深度处的横向渗透时间窗口，包括：

30、将所述注入阻力衰减斜率、释放节点注液孔的等效水力半径以及所述目标修复区域底泥的流变参数输入预先标定的底泥孔隙流变映射模型，获得所述待释放菌液的理论前缘推进速率；

31、根据目标横向扩散半径与所述理论前缘推进速率之间的比值确定渗透基准时长，并根据目标修复区域底泥的非均质程度和所述底泥孔隙流变映射模型的标定误差对所述渗透基准时长附加安全缓冲时长，获得所述横向渗透时间窗口。

32、可选地，所述拦截向位于所述首位释放节点相邻上方的次位释放节点发送的开启指令，在所述横向渗透时间窗口结束后放行所述开启指令，包括：

33、在所述首位释放节点开始注入时记录注入起始时刻，并将所述次位释放节点的控制状态设置为禁止开启状态；在获得所述横向渗透时间窗口后，将所述注入起始时刻与所述横向渗透时间窗口之和确定为窗口结束时刻；

34、在到达所述窗口结束时刻前，将针对所述次位释放节点的开启指令保持于待执行队列，并在所述首位释放节点完成当前层注入后维持所述首位释放节点和所述次位释放节点关闭；

35、到达所述窗口结束时刻后，读取所述首位释放节点对应的当前压力；当所述当前压力进入由注入前背景压力和允许波动范围确定的稳定区间时，将所述次位释放节点的控制状态切换为允许开启状态，并从所述待执行队列中释放所述开启指令；当所述当前压力未进入所述稳定区间时，在预设最大附加等待时长内继续维持所述次位释放节点关闭。

36、可选地，所述将所述次位释放节点更新为新的首位释放节点，并将位于所述新的首位释放节点相邻上方的释放节点确定为新的次位释放节点，包括：

37、在各释放节点的节点标识、深度坐标和控制状态之间建立节点组态映射关系；

38、在所述次位释放节点开始注入后，取消原首位释放节点的当前活动节点标识，将所述次位释放节点标记为新的首位释放节点；

39、按照深度坐标由深至浅的顺序检索所述节点组态映射关系，将深度坐标紧邻所述新的首位释放节点且位于其上方的释放节点确定为新的次位释放节点；当不存在所述新的次位释放节点时，结束所述分层注入。

40、本发明还提供一种用于底泥深层生物强化修复的多级分层释放系统，包括数据处理主机、供液单元、多级释放管网、垂直调节机构、锚定机构和感知监测组件；

41、所述供液单元分别与存储待释放菌液的无氧菌液储运容器和所述多级释放管网连通；

42、所述多级释放管网设有中心主管和沿所述中心主管的轴向间隔布置的多个释放节点，各释放节点分别设有可独立控制的阀门执行机构，所述多个释放节点通过所述垂直调节机构调整轴向位置，以形成与多个目标释放层位对应的各目标节点间距；

43、所述锚定机构设置于所述多级释放管网的下部，用于在所述多级释放管网到达目标贯入深度后向底泥内伸出并限制所述多级释放管网的轴向位移；

44、所述感知监测组件包括用于采集注入压力的压力传感器、用于采集所述多级释放管网贯入深度的深度传感器以及用于采集各释放节点轴向位置的位移传感器；

45、所述数据处理主机分别与所述供液单元、各阀门执行机构、所述垂直调节机构、所述锚定机构和所述感知监测组件通信连接，并被配置为：根据底泥紧实度参数和污染浓度垂直梯度确定目标贯入深度、多个目标释放层位和各目标节点间距；控制位于最深目标释放层位的首位释放节点注入，并根据扣除背景压力和管路本底压降后的压力数据获得注入阻力衰减斜率；根据所述注入阻力衰减斜率确定横向渗透时间窗口；在所述横向渗透时间窗口结束前阻止相邻上方的次位释放节点开启，在所述横向渗透时间窗口结束后控制所述次位释放节点开启，并按照由深至浅的顺序控制所述多个释放节点依次注入。

46、本发明取得了如下有益效果：

47、从目标底泥中筛选并扩培适应深层厌氧环境的降解菌株，使菌液来源与修复环境相匹配；根据底泥紧实度和污染浓度垂直梯度配置目标贯入深度、目标释放层位和节点间距，使释放位置对应实际污染分布；对压力数据扣除背景压力和管路本底压降后计算注入阻力衰减斜率，并据此确定横向渗透时间窗口，在该时间窗口内保持相邻上方节点关闭，使下层菌液获得横向扩散和孔隙压力回落所需的时间，再逐级放行上方节点，从而降低层间压力叠加和垂直窜流对菌液分层定植的影响。