一种用于河道生态修复的复合纤维组合式生态基及制作方法与流程

1.本发明涉及河道生态修复技术领域，更具体地说是一种用于河道生态修复的复合纤维组合式生态基及制作方法。


背景技术：

2.随着我国社会经济高速发展和人口规模持续膨胀，污废水的排放总量也在快速增长。单纯依靠污染物排放浓度的控制对策很难从根本上遏制水环境质量的退化趋势。水环境问题对社会和谐的负面影响更加突出，已经成为我国经济蓬勃健康快速发展的制约因素。尤其是对人口密集、工业化程度较高城市建成区，城市河湖同时承担着防洪、排涝、区域气候微调、提供景观、娱乐生态等多重功能的重要作用，因此往往导致点源污染与面源污染共存、生活污染与工业污染叠加、各种新旧污染与二次污染相互交织，进而导致城市水体环境问题频发。可见，探求城市河湖水污染控制方法，改善城市河湖生态环境，对人类的经济活动和受损生态系统的恢复和重建均具有重要的实践意义。
3.然而，现有河道污染控制相关的发明和技术，往往需要建造大型的工程设施，加剧了人工措施对河道生态系统的干扰。例如，拦污设施、调蓄池等工程构筑物使得进入水体的水动力不足，进而影响水体自然复氧。锁磷剂、除藻剂等成本较高，且化学药剂的施用对水生生态系统可能会产生负面影响，长期使用还可能导致藻类产生抗药性。人工湿地等措施则受水质、水量影响较大，季节、气候、历时等变化对其运行稳定性也有不利影响。而城市雨水、污水处理厂出水中有机污染物浓度较低，常规生物处理技术启动和稳定运行困难，也不宜用于作为受纳水体的城市河湖。更重要的是，上述工程技术多需要占据较大的水面面积或岸上土地、接入动力系统接入不便，并需要专人运行维护，这些都可能与城市土地资源日益紧缺、河湖须有快速防洪排涝功能、工程构筑物应与周边景观规划相协调、值守维护费用及人力短缺等现实问题相矛盾。
4.可见，在无动力要求、建造和运行费用较低、免值守维护、不影响城市河湖的防洪功能的条件下，通过一定的人为调控使城市河湖生态系统恢复至合理的内部结构、高效的系统自净功能和协调的内在生态关系，强调短期水质净化和长效维护河湖生态相结合，是我国城市综合河湖污染控制中亟需解决的重大问题之一。以生态的理念、思路和技术来探索切实有效的水体污染治理的新途径。
5.人工水草修复技术是一种生物膜载体技术，是人工湿地技术的一种仿生应用。该技术通过采用具有较大比表面积的仿水草材作为土著微生物及原生动物的附着载体，利用所形成的生物膜吸附、分解污染物，达到修复受污染水体的目的。人工水草修复技术同时具有不影响河流的航运和泄洪等功能、不破坏河流生态系统，适合河流复杂多变的水流条件；不溶出有害物质；成本低廉，施工简单，使用寿命长；免管理和维护等特点。因此非常适合于城市河湖的直接净化。
6.现有人工水草技术采用的多为无纺布、涤纶、尼龙、pvc、pp或维尼纶等材质，这些材料制成的草体尽管具有孔隙多、比较面积大等优势，但仍存在以下不足：(1)多数材料不
具有亲水基，加上其紧密的大分子链结构，不利于微生物附着，导致草体挂膜周期长、生物膜易脱落；(2)高分子材料对光、热稳定性较差，耐久性不足、使用寿命短，且不易降解，可能造成水体二次污染；(3)传统亲水改性工艺对草体机械强度损伤较大，亲水膜层稳定性较差，导致改性后的草体在使用过程中容易出现破损或在水压的作用下亲水膜层脱落。(4)复杂的亲水改性工艺使得草体的制作成本大幅提高。
7.可见，提供一种价格低廉、具有持续稳定的亲水性能、机械强度高的人工水草制作工艺及其应用，将进一步拓展人工水草技术在城市河湖生态修复中的应用，为城市污染河流水污染控制提供经济、节能、高效、同时又符合生态环保要求的工艺方法，对我国改善城市河湖生态环境、恢复城市河湖生态系统功能具有一定的参考、示范和推广意义。


技术实现要素：

8.为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种用于河道生态修复的复合纤维组合式生态基及制作方法。
9.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
10.一种用于河道生态修复的复合纤维组合式生态基，包括配重固定部、与配重固定部连接的人工水草；所述配重固定部为宾格石笼或石块或内部填充有重物的空心管；
11.当所述配重固定部为宾格石笼时：将人工水草固定于宾格石笼顶部，投放至待净化水体底部；宾格石笼内填装了多层生物填料，从上到下依次为卵石层、均质石英砂层、活性炭层、均质石英砂层和卵石层；并且，在宾格石笼内加入了若干个菌剂缓释球；
12.所述配重固定部为石块时；人工水草为辫带式生物绳，人工水草下段悬挂配重块，上部固定于浮球或人工浮岛或浮动式湿地底部；
13.所述配重固定部为填充有重物的空心管时；所述人工水草底端连接填充有重物的空心管；当人工水草顶端连接的空心管无配重时，空心管与浮球连接，人工水草上悬挂若干个菌剂缓释球；当人工水草顶端连接的空心管有填充有重物时，空心管上悬挂有若干个菌剂缓释球，通过调节重物的重量，可以整体呈悬浮状态。
14.所述宾格石笼内埋入多孔曝气管线，并与曝气机相连，则石笼内填装的级配滤料还可起到一定的过滤缓冲作用，可避免底泥堵塞曝气管，并减少曝气管受到的泥沙颗粒的冲刷。
15.所述菌剂缓释球为塑料材质的中空球，直径为8cm，菌剂缓释球的外壳包括开孔的外球壳和内球壳，外球壳和内球壳呈双层错孔结构，内装有2-3g固定化微生物纤维。
16.所述空心管两端封堵或一端可与曝气机相连，另一端封堵，与曝气机相连时，在空心管上设置多个均匀分布的小孔，则该帘式人工水草即可同时起到微生物挂膜净化水质和水体曝气增氧的目的。
17.一种用于河道生态修复的复合纤维组合式生态基制作方法，包括以下步骤：
18.(1)纤维氧化
19.将废旧纤维质材料制浆，将1～3份浆料，1～4.5份高碘酸钠、3～10份氯化钠混合，并加水至100份；在暗处慢速搅拌8-20h后，将处理后的浆料干物质滤出，用水清洗后冷藏备用；
20.(2)制备纤维分散液
21.将1～2份(1)制得的干物质取出，立刻加入到10～20份2～10％质量浓度的naoh溶液中,400-600rpm搅拌5-15分钟；
22.(3)制备壳聚糖分散液
23.在1份壳聚糖粉末中加入15-30份5-15％质量浓度的naoh溶液中，400-600rpm搅拌10-30分钟；
24.(4)制备人工水草凝胶
25.在每100份“纤维分散液”中加入5-15份“壳聚糖分散液”，室温下200-500rpm搅拌20-60min，并真空抽滤排出气泡；
26.(5)制备人工水草单体
27.将5-15份浓硫酸与8-12份硫酸钠混合，加水至100份，制得凝固浴；
28.将“人工水草凝胶”加入挤出机，挤出速度为0.5-3ml/min，根据待处理水体的水深，调节挤出机，形成不同长度及粗细的水草纤维丝单体，挤出至凝固浴中，停留3-20分钟；
29.(6)装配新型人工水草
30.用自来水轻柔洗去人工水草单体上残留的化学试剂，阴干后，根据水环境治理需要，制作成各种形式生物载体，用绑带或绑绳固定于宾格石笼或配重块的顶部；投放至待净化水体内。
31.经检测，本技术制得的人工水草纤维丝在干燥和潮湿状态下的拉伸强度差距不大，可至少分别达到为0.95和0.90cn/dtex，显著高于普通棉线纤维(0.30cn/dtex)和传统人造丝的拉伸强度(0.6cn/dtex)。说明本方法制得人工水草在自然环境下的耐久性更强，且其强度不会因吸水而有所降低，机械性能更加稳定。
32.经检测，本技术制得的人工水草纤维丝吸水性可达2.0g/g，显著高于普通棉线纤维(1.1g/g)，说明本方法制得人工水草具有非常良好的亲水性能，有助于微生物挂膜。
33.镜检结果表明，本技术制得的纤维表面呈多孔结构，横截面结构致密，说明本方法制得人工水草可提供较大的比表面积，为有益微生物挂膜提供更多点位，单位容积内生物量更高，可有效缩短水质净化时间。
34.所述废旧纤维质材料为秸秆、麦秆、棉绒、刨花木材、芦苇、麻、竹、碎纸、碎布、岩棉、面纱或箱包边角料中的一种或几种。
35.还包制备菌剂缓释球内装的固定化微生物纤维，固定化微生物纤维制作工艺如下：将本发明所制得的纤维丝浸渍于悬菌液中；悬菌液可以是市售菌粉配置或成品菌液；按照水质改善需要，菌种可以是光合细菌、硝化细菌、反硝化菌、厌氧氨氧化菌或活性污泥中的一种或几种；8-16小时后，取出纤维丝，沥去多余的水分，阴干后装入缓释球中。
36.本发明的技术效果和优点：
37.1、利用废旧含纤维素垃圾制作人工水草，开发了城市纤维素垃圾的新用途，达到了节能环保、废物利用的目的。
38.2、制作过程中避免使用有毒化学试剂，制作步骤简单、制作成本低廉、制作过程环保。
39.3、加工出的人工水草装配简单，方便加工为辫带式、条带式平板帘式等各种构型，适于多种水体环境。
40.4、所用高碘酸钠无需复杂回收步骤，可通过向滤后溶液中直接加入次氯酸钠实现
一步再生，进一步降低加工制作成本。
41.5、本技术制作的人工水草亲水性好、机械强度高、挂膜速度快，生物量大，不会影响河道流速，具备一定景观性。
42.6、功能多样，集颗粒物过滤、微生物净化和曝气增氧于一体，菌剂缓释球无需更换、曝气系统无阻塞之虞，维护简便。
附图说明
43.图1为实施例1结构示意图；
44.图2为图1的a-a结构示意图；
45.图3为菌剂缓释球结构示意图；
46.图4为实施例2结构示意图；
47.图5为实施例3结构示意图；
48.图6为实施例4结构示意图；
49.图7为实施例1结构示意图；
50.图8为实施例5结构示意图；
51.图9为图8中b-b结构示意图；
52.图10为图8中c-c结构示意图；
53.图11为条带式人工水草细部构造图；
54.图12为制备技术路线图；
55.图13为水草纤维镜检图。
具体实施方式
56.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
57.实施例1：
58.以废旧包装纸箱为原料制成纸浆，将20g原料制成的浆料、27g高碘酸钠、60g氯化钠溶解在1l自来水中，室温下缓慢搅拌(50rpm)12小时后，将氧化纤维素固体絮状物过滤出来，洗净掉残留化学药剂后，冷藏备用。
59.称取10g氧化纤维素，加入到100g6％质量浓度的naoh溶液中,冰水浴下猛烈搅拌10分钟。
60.将0.5g壳聚糖粉末加入到12g10％质量浓度的naoh溶液中,室温下猛烈搅拌20分钟后，全部倒入氧化纤维素的naoh分散液中，继续剧烈搅拌30min。
61.对形成的凝胶进行真空抽滤排出气泡后，加入挤出机，挤出直径为500μm、长度为50cm的纤维丝，并使之直接落于由凝固浴中。凝固浴溶液含12.5％质量浓度的h2so4和10％质量浓度的na2so4。
62.5min后，捞出纤维丝并用水轻柔洗去其上残留的化学试剂。阴凉处干燥后，如图1-图3所示，将制得的纤维丝捆扎成人工水草束11，用塑料绑带固定于宾格石笼12顶部，投放
至待净化水体底部。为增强净化效果，石笼内填装了多层生物填料。从上到下依次为卵石层、均质石英砂层、活性炭层、均质石英砂层和卵石层。并且，在石笼内加入了若干个直径为8cm的菌剂缓释球13。菌剂缓释球为塑料材质的中空球，菌剂缓释球的外壳包括均开孔的外球壳14和内球壳15，外球壳和内球壳呈双层错孔结构，内装有2-3g固定化微生物纤维16。
63.固定化微生物纤维制作工艺如下：
64.将本发明所制得的纤维丝浸渍于悬菌液中。悬菌液可以是市售菌粉配置或成品菌液。按照水质改善需要，菌种可以是光合细菌、硝化细菌、反硝化菌、厌氧氨氧化菌或活性污泥中的一种或几种。8-16小时后，取出纤维丝，沥去多余的水分，阴干后装入缓释球中。
65.在使用中，菌剂缓释球内的纤维丝富集了大量有益微生物，将首先完成挂膜。随着生物膜的增厚，外层附着不够紧密的微生物、以及受小球空间限制、生存空间不足的微生物都将在水流冲刷作用下，被带出菌剂缓释球，达到逐渐释放微生物的目的。由于微生物絮体比重较轻，上浮后将被位于石笼上部的人工水草截留，更有利于人工水草的早期快速挂膜。石笼中的错孔塑料球，使纤维丝维持形态、强度，为内部微生物在纤维丝上的快速繁殖提供稳定的环境条件。之后，填料球内纤维丝上的微生物将处于动态平衡，随着生物膜的脱落和更新，将为河道水环境源源不断的提供微生物种源。因此，本实施例内的菌剂缓释球无需更换。
66.实施例2：
67.以废旧棉麻布为原料制成浆料，将20g浆料、41g高碘酸钠、100g氯化钠溶解在1l自来水中，室温下缓慢搅拌(45rpm)16小时后，将混合液中的固体絮状物过滤出来，洗净掉残留化学药剂后，冷藏备用。
68.将上步中获得的固体絮状物，加入到200g 10％质量浓度的naoh溶液中,冰水浴下猛烈搅拌(500rpm)15分钟。
69.将1.0g壳聚糖粉末加入到20g 12％质量浓度的naoh溶液中,室温下猛烈搅拌10分钟后，全部倒入氧化纤维素的naoh分散液中，继续剧烈搅拌20min。
70.对形成的凝胶进行真空抽滤排出气泡后，加入挤出机，挤出直径为280μm、长度为50cm的纤维丝，并使之直接落于由凝固浴中。凝固浴溶液含7％质量浓度的h2so4和9％质量浓度的na2so4。
71.3min后，捞出纤维丝并用水轻柔洗去其上残留的化学试剂。阴凉处干燥后，如图4所示，将全部制得的纤维丝松散缠绕，制成辫带式生物绳21，浸渍于悬菌液中。悬菌液可以是市售菌粉配置或成品菌液。按照水质改善需要，菌种可以是光合细菌、硝化细菌、反硝化菌、厌氧氨氧化菌或活性污泥中的一种或几种。8-16小时后，取出生物绳，沥去多余的水分，阴干后下段悬挂配重块22、上部固定于浮球或人工浮岛23或浮动式湿地底部，投放至待净化水体。
72.实施例3：
73.以粉碎后的秸秆和麦秆为原料制成浆料，将40g浆料、120g高碘酸钠、160g氯化钠溶解在2l自来水中，室温下缓慢搅拌(30rpm)20小时后，将混合液中的固体絮状物过滤出来，洗净掉残留化学药剂后，冷藏备用。
74.将上步中获得的固体絮状物，加入到300g 5％质量浓度的naoh溶液中,冰水浴下猛烈搅拌(500rpm)10分钟。
75.将2g壳聚糖粉末加入到35g 12％质量浓度的naoh溶液中,室温下猛烈搅拌(400rpm)10分钟后，全部倒入氧化纤维素的naoh分散液中，继续剧烈搅拌(450rpm)40min。
76.对形成的凝胶进行真空抽滤排出气泡后，加入挤出机，挤出直径为800μm、长度为50cm的纤维丝，并使之直接落于大量凝固浴中。凝固浴由含10％质量浓度的h2so4和10％质量浓度的na2so4。
77.5min后，捞出纤维丝并用水轻柔洗去其上残留的化学试剂。阴凉处干燥后，将全部制得的纤维丝松散缠绕或编织成生物绳后，两端部分别固定于打孔的空心管上，形成帘式人工水草31。与实施例1类似，为加快挂膜速度，在上述帘式人工水草上可悬挂若干菌剂缓释球13。
78.在根据需要，可在一端(如图5所示)或两端(如图6所示)的pvc材质的空心管32内封堵砂石等重物33，起到固定生物绳位置的作用，投放至待净化水体底部。
79.实施例4：
80.纤维丝制作方式与实施例3类似。但如图7所示，pvc材质的空心管32一端可与曝气机41相连，另一端封堵，并在空心管上设置多个均匀分布的小孔42，则该帘式人工水草即可同时起到微生物挂膜净化水质和水体曝气增氧的目的。
81.实施例5：
82.纤维丝制作方式与实施例1类似，但如图8-图11所示，纤维丝被编制为厚约0.5cm宽约3cm的人工水草条带51，人工水草条带51下部设置车缝线54，车缝线上有固定环55，固定环55通过绑带52固定于宾格石笼53上，宾格石笼53内可填装卵石，起到固定水草条带，并防止底部泥沙损坏人工水草条带的目的。同样的，宾格石笼内也可埋入多孔曝气管线56，并与曝气机相连，则石笼内填装的级配滤料还可起到一定的过滤缓冲作用，可避免底泥堵塞曝气管，并减少曝气管受到的泥沙颗粒的冲刷。
83.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。