固定化微生物耦合循环井原位低碳修复系统及方法与流程

本发明涉及土壤地下水有机污染原位修复，尤其涉及固定化微生物耦合循环井原位低碳修复系统及方法。

背景技术：

1、地下水循环井（gcw）技术通过在一口井内形成垂向水力循环，驱动地下水在含水层中形成三维循环流场，无需将地下水抽取至地表处理。现有技术中，如中国专利cn121535032a公开了一种集成释氧、微生物与化学氧化三模块的循环井原位修复方案，其微生物模块采用游离态微生物直接注入含水层的方式；又如学术论文报道了将聚乙烯醇-海藻酸钠-活性炭水凝胶微球固定化微生物与地下水循环井耦合用于萘污染含水层修复的实验研究。此外，中国专利cn121576285a涉及循环井的抽注平衡水力控制方法，cn121449203a涉及生物电芬顿结合循环井的修复装置。

2、第一，采用游离态微生物的方案中，微生物随地下水流在含水层中易发生聚集流失，难以在目标修复区域维持有效的菌群浓度，且游离微生物无法回收利用，导致修复成本较高；第二，循环井的水力控制与微生物降解过程相互割裂，现有系统的水力参数通常依据经验设定为固定值或仅以水位平衡为目标进行调节，未能根据微生物降解过程中污染物浓度变化、溶解氧消耗等实际生化响应状态实时调整循环流量和停留时间，导致水力循环条件与微生物修复进程的需求不匹配，难以充分发挥二者的协同增效潜力；第三，现有的固定化载体材料采用活性炭作为功能性填料，其制备过程能耗高、碳足迹较大，且活性炭孔道结构相对单一，对疏水性有机污染物的吸附-传质性能有限；第四，以电化学氧化为主导的修复方案运行期间需持续消耗电能和化学试剂，碳排放较高，且可能产生二次污染，不符合绿色低碳修复的发展方向。

3、因此，针对上述提出的问题，本发明提出一种固定化微生物耦合循环井原位低碳修复系统及方法。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术中循环井水力调控与微生物降解过程缺乏实时反馈耦合、修复系统各组成部分未能形成协同增效的问题，本发明提出一种固定化微生物耦合循环井原位低碳修复系统及方法，该系统通过构建感知-决策-执行-反馈的闭环控制链路，将固定化微生物载体的材料特性、循环井的水力调控与微生物降解的生化过程统一纳入协同优化框架，实现地下水有机污染的高效与低碳原位修复。

2、本发明的技术方案为：固定化微生物耦合循环井原位低碳修复系统，包括：

3、实时感知层，包括部署在循环井上腔室、下腔室与含水层监测井中的多参数传感器，至少包括溶解氧传感器、污染物浓度传感器、氧化还原电位/ph传感器与水位传感器，用于采集含水层的水质参数和水位参数；

4、智能调控层，包括多变量模糊控制器及其下辖的抽注平衡调节模块和释氧速率调节模块，多变量模糊控制器以溶解氧偏差、污染物浓度变化率与上下腔室水位差三个变量为输入，基于预定义的模糊规则库和隶属度函数，同时输出水泵运转频率调整量和释氧速率调整量；其中，溶解氧偏差的论域为[-5,5]mg/l，污染物浓度变化率的论域为[-20,20]%/h，上下腔室水位差的论域为[-30,30]cm；输出变量泵频调整量的论域为[-20,20]hz，释氧速率调整量的论域为[-5,5]mg/(l·min)；模糊推理采用mamdani型，解模糊方法采用重心法；

5、执行层，包括变频水泵、调节阀组、释氧装置和上下封隔器，该变频水泵贯穿上下封隔器，从下腔室抽水至上腔室或反向运行，产生垂向水力梯度，驱动含水层中形成三维循环流场；调节阀组辅助水泵实现精确的抽注流量匹配；释氧装置布设在上腔室或循环井出流段，向循环水中释放溶解氧，其形式为微纳米曝气头或过氧化钙缓释装置；上下封隔器将循环井分隔为上腔室和下腔室，对应井壁设置与环境地下水连通的筛孔；

6、修复介质层，包括投放在含水层中的pva-sa-bc固定化微生物微球，该微球以聚乙烯醇（pva）和海藻酸钠（sa）为双网络凝胶骨架，以农业废弃物来源的生物炭（bc）为功能性多孔填料，通过化学交联和离子交联形成互穿网络水凝胶结构，内部负载有降解菌群。其优选配方为：聚乙烯醇6-10%（w/v）、海藻酸钠1-3%（w/v）、生物炭2-5%（w/v）、菌悬液5-15%（v/v），所述生物炭的粒径为50-200μm，所述微球的粒径为2-5mm。

7、上述系统中，所述多变量模糊控制器用于：

8、当溶解氧低于微生物降解最低需求阈值且污染物浓度下降速率低于预期时，同时调高释氧速率和降低泵速来延长水力停留时间；

9、当上下腔室水位差超限时，优先调低泵速或调节阀组来保证抽注平衡；

10、当溶解氧充足但污染物浓度下降缓慢时，提高泵速来扩大循环影响半径，同时维持当前释氧速率。

11、本发明还提供一种固定化微生物耦合循环井原位低碳修复方法，包括以下步骤：

12、s1，根据场地水文地质调查结果和污染羽分布确定循环井的井位、井深、筛孔段位置与封隔器设置深度；按上述配方制备pva-sa-bc固定化微生物微球，通过注入井或循环井自身在循环启动前投放至目标含水层区域；启动循环井系统，初始以设计流量60-80%的泵速运行，建立含水层三维循环流场；

13、s2，实时感知层的多参数传感器以预设时间间隔（5-15分钟）采集溶解氧、污染物浓度趋势、氧化还原电位、ph与上下腔室水位数据，传输至多变量模糊控制器；

14、s3，多变量模糊控制器以溶解氧偏差、污染物浓度变化率与上下腔室水位差三个变量为输入，基于预定义的模糊规则库和隶属度函数同时输出水泵运转频率调整量和释氧速率调整量，分别下达至变频器和释氧装置执行；其中，当溶解氧浓度充足（≥2.0mg/l）且污染物下降速率正常时，输出较高泵速以扩大循环影响半径；当溶解氧浓度偏低时，在调高释氧速率的同时降低泵速，延长含溶解氧水体在固定化微球区域的停留时间；当污染物浓度进入下降平台期、浓度下降速率持续低于预设阈值时，切换循环流向（由“下抽上注”切换为“上抽下注”或相反），改变水流路径接触新的污染区域；

15、s4，含溶解氧的循环水流经含水层中固定化微球分布区域，微球内生物炭的多级孔道结构吸附富集溶解态有机污染物，负载的降解菌群利用溶解氧进行好氧降解，降解引起的污染物浓度变化被感知层持续监测并反馈至控制层；

16、s5，重复s2至s4，直至污染物浓度降至修复目标值以下；

17、s6，降低系统运行功率至维持水平或停机，通过井内回收装置（网兜或反冲洗捕集器）捕集固定化微球，对回收微球进行活性检测后重新负载菌群再次投入使用。

18、上述方法中，所述释氧装置的基础释氧速率为0.5-2.0mg/(l·min)，应急强化释氧速率为3.0-5.0mg/(l·min)；所述循环井的循环流量为10-200l/min，抽注比由模糊控制器动态调节至0.95-1.05，水力停留时间为2-24h，影响半径为5-50m；

19、所述pva-sa-bc固定化微生物微球的制备方法包括：将聚乙烯醇、海藻酸钠、生物炭和菌悬液混合均匀，滴入饱和硼酸与1-2%（w/v）氯化钙的交联液中，于室温下交联4小时，经去离子水洗涤后制得。

20、本发明的有益效果：

21、1.本发明采用pva-sa-bc双网络水凝胶微球固定化微生物，以农业废弃物来源的生物炭替代传统活性炭作为功能性多孔填料，克服了游离态微生物易流失、不可回收的问题。

22、2.本发明首次将多变量模糊控制器引入循环井修复系统，以溶解氧偏差、污染物浓度变化率和上下腔室水位差为联合输入变量，同时输出水泵频率和释氧速率调整量，实现了循环井水力参数与微生物降解过程的实时双向反馈耦合，使水力循环条件能够根据微生物的实际生化需求自适应调节，解决了水力调控与降解过程长期割裂的问题，大幅提升了系统协同增效水平。

23、3.本发明以生物炭替代活性炭构建固定化载体，生物炭的多级孔道结构相比活性炭单一微孔结构更有利于微生物附着和污染物传质，且生物炭原料为农业废弃物、制备温度低于活性炭活化温度，在提升载体吸附-降解性能的同时降低了材料制备的能耗和碳足迹，实现了修复过程源头减碳。

24、4.本发明构建了以生物降解为主导、释氧为辅助、水力循环为传输纽带的三位一体低碳修复工艺，通过模糊控制器在溶解氧不足时自动执行增释氧与降泵速联合策略来延长停留时间并提高氧利用效率，在污染物下降平台期自动切换循环流向以打破传质限制，全程无需投加化学氧化药剂，避免了化学氧化方案的二次污染风险和持续化学试剂消耗带来的碳排放。