CN103991971B - 一种阻控稻田退水中氨氮的沟渠基质及其配制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及农田面源污染控制技术，目的在于针对稻田退水沟渠底部基质对氨氮净化效果差的问题，提供一种阻控稻田退水中氨氮的沟渠基质及其配制方法。基质由草甸棕壤土、砂子、活性污泥、煤炉渣和脱氮副球菌Paracouccus？denitrification？sp.组成，具体配制方法为，先将砂子、草甸棕壤土、活性污泥处理、将脱氮副球菌培养好后，将砂子添加到草甸棕壤土中，再向其中添加活性污泥，再向混合物添加煤炉渣，再向其中接种菌液，将混合物混合均匀，即得到了阻控稻田退水中氨氮的沟渠基质。该新型基质对氨氮吸附性能好、能为脱氮微生物提供良好代谢环境，使得氨氮被吸附后，可以同步完成微生物降解，产生被完全净化的结果。

Description

一种阻控稻田退水中氨氮的沟渠基质及其配制方法
技术领域
本发明涉及农田面源污染控制技术，具体地说是一种阻控稻田退水中氨氮的沟渠基质及其配制方法。
背景技术
稻田退水是水稻生产过程的重要环节。稻田退水一般要经过自然或人工修建的沟渠***，输送至临近河流或湖泊水体。由于水稻生产过程化肥施量较大，因此稻田退水中必然含有浓度较高的氨氮化合物，进入毗邻地表水体后，将造成水体缺氧，产生富营养化现象。因此，在退水过程中有效控制氨氮输出量，能够减小地表水体富营养化的风险。但由于退水过程持续时间较短，水量和流速均较大，因此在退水沟渠***中，氨氮自然净化的难度较大。
强化氨氮阻控的沟渠净化方法有两种：一是选择对氨氮具有净化作用的多种水生植物，构建挺水-浮水-沉水植物体系；二是改善沟渠底部基质的物理组成，增强基质颗粒对氨氮的吸附能力。然而，植物对氨氮的去除效率需要用长的接触时间来保证，而退水过程的持续时间较短，植物脱氮作用不显著；此外，单纯改善沟渠底部基质的物理组成，虽然能提高基质颗粒对氨氮的吸附容量，但没有从根本上消除氨氮，吸附后的氨氮在高流速水力条件下易脱附，再次进入水相，导致阻控失效。
因此，需要配制一种具有强化物理吸附和促进生物降解的沟渠基质，从而能够从根本上阻控稻田退水中氨氮流失。
发明内容
本发明的目的在于针对稻田退水沟渠底部基质对氨氮阻控能力差的问题，提供了一种阻控稻田退水中氨氮的沟渠基质及其配制方法，该新型基质对氨氮吸附性能好、能为脱氮微生物提供良好代谢环境，使得氨氮被吸附后，可以同步完成微生物降解，产生被完全净化的结果。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种阻控稻田退水中氨氮的沟渠基质的配制方法，包括如下步骤：
1、草甸棕壤土处理：选择有机质(OM)含量为15-25wt％，较好为18-22wt％的草甸棕壤，挖取地表表层0-20cm深度部分，干燥至含水率为40-50wt％，较好为42-48wt％后，将大块草甸棕壤土破碎，剔除石块、植物残体等杂物；
2、砂子处理：将砂子用筛子筛分，取粒径范围为0.5-2.0mm，较好为0.8-1.6mm的砂子；
3、活性污泥处理：取市政污水处理厂曝气池活性污泥，经沉降脱水后，干燥至含水率为80-85wt％，较好为82-83wt％时，将其破碎均匀；
4、煤炉渣处理：取孔隙率为50-60％，较好为53-57％的煤炉渣，用筛子筛分，取粒径范围为1.0-3.0mm，较好为1.5-2.5mm的煤炉渣；
5、脱氮副球菌Paracouccusdenitrificationsp.菌液培养：按照质量百分比配制Paracouccusdenitrificationsp.培养基，其中：3.0％NH4Cl，2.0％乙酸，0.02％MgSO4·7H2O，0.05％NaCl，0.03％MnSO4·4H2O，0.1％K2HPO4，pH＝7.0-7.2；向培养基中接种脱氮副球菌Paracouccusdenitrificationsp.，经培养，使菌液浓度为80-90cfu/ml；
所述细菌的培养条件为：培养温度为28-30℃，较好为28.5-29.5℃；摇床转速为130-140rpm，较好为132-138rpm；培养时间为20-25h，较好为22-24h；
6、沟渠基质配制：将步骤2中经处理的砂子，添加到步骤1中经处理的草甸棕壤土中，砂子添加量为草甸棕壤土质量的20-30wt％，混合均匀后，得到混合物A；再向混合物A中添加步骤3中经处理的活性污泥，添加量为混合物A质量的5-10wt％，混合均匀后，得到混合物B；再向混合物B中添加步骤4中经处理的煤炉渣，添加量为混合物B质量的5-10wt％，混合均匀后，得到混合物C；再向混合物C中接种步骤5中培养好的脱氮副球菌Paracouccusdenitrificationsp.菌液，添加量为混合物C质量的0.01-0.05wt％，混合均匀，得到阻控稻田退水中氨氮的沟渠基质。
本发明还提供了一种阻控稻田退水中氨氮的沟渠基质，所述基质包括草甸棕壤土、砂子、活性污泥、煤炉渣和脱氮副球菌Paracouccusdenitrificationsp.；
其中，所述草甸棕壤土、砂子、活性污泥、煤炉渣和脱氮副球菌Paracouccusdenitrificationsp.的质量比为：砂子为草甸棕壤土的20-30％，活性污泥为草甸棕壤土和砂子总量的5-10％，煤炉渣为草甸棕壤土、砂子和活性污泥总量的5-10％，脱氮副球菌Paracouccusdenitrificationsp.菌液为草甸棕壤土、砂子、活性污泥和煤炉渣总量的0.01-0.05％；
所述草甸棕壤土为：选择有机质(OM)含量为15-25wt％，较好为18-22％的草甸棕壤，挖取地表表层0-20cm深度部分，干燥至含水率为40-50wt％，较好为42-48％，将大块的草甸棕壤土破碎，剔除石块、植物残体等杂物；
所述砂子为：经筛分的砂子粒径为0.5-2.0mm，较好为0.8-1.6mm；
所述活性污泥为：取市政污水处理厂曝气池活性污泥，干燥至含水率为80-85wt％，较好为82-83wt％，将其破碎均匀；
所述煤炉渣为：经筛分的煤炉渣的孔隙率为50-60％，较好为53-57％，粒径范围为1.0-3.0mm，较好为1.5-2.5mm；
所述脱氮副球菌Paracouccusdenitrificationsp.菌液为：按照质量百分比配制Paracouccusdenitrificationsp.培养基，其中：3.0％NH4Cl，2.0％乙酸，0.02％MgSO4·7H2O，0.05％NaCl，0.03％MnSO4·4H2O，0.1％K2HPO4，pH＝7.0-7.2；向上述培养基接种脱氮副球菌Paracouccusdenitrificationsp.，经培养，使菌液浓度为80-90cfu/ml；所述细菌的培养条件为：培养温度为28-30℃，较好为28.5-29.5℃；摇床转速为130-140rpm，较好为132-138rpm；培养时间为20-25h，较好为22-24h。
本发明具有如下优点：
1、本发明的稻田退水沟渠底部基质主要由草甸棕壤土、砂子、活性污泥和煤炉渣组成，复合基质的孔隙率高，对氨氮的吸附能力强，在氨氮负荷波动较大时，基质具有优良的稳定性。
2、本发明的稻田退水沟渠底部基质有机质(OM)含量高，强化了对氨氮的吸附性能，氨氮一旦在基质孔隙界面上被吸附捕获，将极难脱附。
3、本发明的稻田退水沟渠底部基质接种了脱氮副球菌Paracouccusdenitrificationsp.，在具有保护性的复合基质中，能够快速适应环境，并发展为优势微生物，为从根本上脱出氨氮提供保障。
4、本发明的稻田退水沟渠底部基质具有适合脱氮微生物代谢的营养结构和适宜脱氮微生物生存的微观环境，能够快速形成脱氮微生物种群，实现对在基质孔隙界面上吸附的氨氮的及时降解，因此，具有强化物理吸附和促进生物降解的双重功能。
5、本发明的稻田退水沟渠底部基质利用了市政污水处理厂的活性污泥和煤炉渣，有效利用了废弃物，是一种环保产品。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明做具体进一步详细说明。
脱氮副球菌Paracouccusdenitrificationsp.购自于中国科学院沈阳应用生态研究所。
脱氮副球菌Paracouccusdenitrificationsp.培养基(质量百分数)为：3.0％NH4Cl，2.0％乙酸，0.02％MgSO4·7H2O，0.05％NaCl，0.03％MnSO4·4H2O，0.1％K2HPO4，pH＝7.0-7.2，各化合物均为分析纯。
以下实施例中，采用常规渠底基质(自然状态下)作对照，对稻田退水中氨氮的脱除率最高为35％。
实施例1
1、草甸棕壤土处理
选择有机质(OM)含量(质量分数)为15-18％的草甸棕壤，挖取地表表层0-20cm深度部分，摊开风干，待其含水率(质量分数)为40％后，将其破碎，剔除石块、植物残体等杂物，备用；
2、砂子处理
利用孔径为0.5mm筛子，筛分砂子，弃用筛下物；利用孔径为0.8mm的筛子，筛分上述筛上物，取得筛下物，获得粒径范围为0.5-0.8mm的砂子，备用；
3、活性污泥处理
取市政污水处理厂曝气池活性污泥，经沉降脱水后，自然风干，待其含水率为80％(质量分数)时，破碎均匀，备用；
4、煤炉渣处理
取孔隙率为50-53％的煤炉渣，利用孔径为1.0mm筛子，筛分煤炉渣，弃用筛下物，利用孔径为1.5mm的筛子，筛分上述筛上物，取得筛下物，获得粒径范围为1.0-1.5mm的煤炉渣，备用；
5、脱氮副球菌Paracouccusdenitrificationsp.菌液培养
利用Paracouccusdenitrificationsp.培养基，在28.5±0.5℃、摇床转速130rpm条件下，培养20h，使菌液浓度为84cfu/ml，备用；
6、沟渠基质配制
将处理的砂子，添加到处理的草甸棕壤土中，添加量为草甸棕壤土质量的20wt％，混合均匀后，向草甸棕壤土和砂子混合物中添加处理的活性污泥，添加量为草甸棕壤土和砂子混合物质量的5wt％，混合均匀后，再向草甸棕壤土、砂子和活性污泥混合物中添加处理的煤炉渣，添加量为草甸棕壤土、砂子和活性污泥混合物质量的6wt％，混合均匀后，再向草甸棕壤土、砂子、活性污泥和煤炉渣混合物中添加已培养的脱氮副球菌Paracouccusdenitrificationsp.菌液，添加量为草甸棕壤土、砂子、活性污泥和煤炉渣混合物质量的0.02wt％，混合均匀后，即得到阻控稻田退水中氨氮的沟渠基质，按照10-15cm的厚度，将其铺设于稻田退水沟渠底部。
上述配制的沟渠基质经氨氮脱除效果检测，对稻田退水中氨氮的脱除率可以达到82.4％。
实施例2
1、草甸棕壤土处理
选择有机质(OM)含量(质量分数)为22-25％的草甸棕壤，挖取地表表层0-20cm深度部分，摊开风干，待其含水率为50％后，将其破碎，剔除石块、植物残体等杂物，备用；
2、砂子处理
利用孔径为1.6mm筛子，筛分砂子，弃用筛下物；利用孔径为2.0mm的筛子，筛分上述筛上物，取得筛下物，获得粒径范围为1.6-2.0mm的砂子，备用；
3、活性污泥处理
取市政污水处理厂曝气池活性污泥，经沉降脱水后，自然风干，待其含水率为85％(质量百分数)时，破碎均匀，备用；
4、煤炉渣处理
取孔隙率为57-60％的煤炉渣，利用孔径为2.5mm筛子，筛分煤炉渣，弃用筛下物，利用孔径为3.0mm的筛子，筛分上述筛上物，取得筛下物，获得粒径范围为2.5-3.0mm的煤炉渣，备用；
5、脱氮副球菌Paracouccusdenitrificationsp.菌液培养
利用Paracouccusdenitrificationsp.培养基，在29.5±0.5℃、摇床转速140rpm条件下，培养25h，使菌液浓度为82cfu/ml，备用；
6、沟渠基质配制
将处理的砂子，添加到处理的草甸棕壤土中，添加量为草甸棕壤土质量的23wt％，混合均匀后，向草甸棕壤土和砂子混合物中添加处理的活性污泥，添加量为草甸棕壤土和砂子混合物质量的6wt％，混合均匀后，再向草甸棕壤土、砂子和活性污泥混合物中添加处理的煤炉渣，添加量为草甸棕壤土、砂子和活性污泥混合物质量的5wt％，混合均匀后，再向草甸棕壤土、砂子、活性污泥和煤炉渣混合物中添加已培养的脱氮副球菌Paracouccusdenitrificationsp.菌液，添加量为草甸棕壤土、砂子、活性污泥和煤炉渣混合物质量的0.01wt％，混合均匀后，即得到阻控稻田退水中氨氮的沟渠基质，按照10-15cm的厚度，将其铺设于稻田退水沟渠底部。
上述配制的沟渠基质经氨氮脱除效果检测，,对稻田退水中氨氮的脱除率可以达到82.7％。
实施例3
1、草甸棕壤土处理
选择有机质(OM)含量(质量分数)为18-20％的草甸棕壤，挖取地表表层0-20cm深度部分，摊开风干，待其含水率为42％后，将其破碎，剔除石块、植物残体等杂物，备用；
2、砂子处理
利用孔径为0.8mm筛子，筛分砂子，弃用筛下物；利用孔径为1.0mm的筛子，筛分上述筛上物，取得筛下物，获得粒径范围为0.8-1.0mm的砂子，备用；
3、活性污泥处理
取市政污水处理厂曝气池活性污泥，经沉降脱水后，自然风干，待其含水率为82％(质量百分数)时，破碎均匀，备用；
4、煤炉渣处理
取孔隙率为53-55％的煤炉渣，利用孔径为1.5mm筛子，筛分煤炉渣，弃用筛下物，利用孔径为1.9mm的筛子，筛分上述筛上物，取得筛下物，获得粒径范围为1.5-1.9mm的煤炉渣，备用；
5、脱氮副球菌Paracouccusdenitrificationsp.菌液培养
利用Paracouccusdenitrificationsp.培养基，在28.5±0.5℃、摇床转速132rpm条件下，培养22h，使菌液浓度为80cfu/ml，备用；
6、沟渠基质配制
将处理的砂子，添加到处理的草甸棕壤土中，添加量为草甸棕壤土质量的28wt％，混合均匀后，向草甸棕壤土和砂子混合物中添加处理的活性污泥，添加量为草甸棕壤土和砂子混合物质量的8wt％，混合均匀后，再向草甸棕壤土、砂子和活性污泥混合物中添加处理的煤炉渣，添加量为草甸棕壤土、砂子和活性污泥混合物质量的10wt％，混合均匀后，再向草甸棕壤土、砂子、活性污泥和煤炉渣混合物中添加已培养的脱氮副球菌Paracouccusdenitrificationsp.菌液，添加量为草甸棕壤土、砂子、活性污泥和煤炉渣混合物质量的0.04wt％，混合均匀后，即得到阻控稻田退水中氨氮的沟渠基质，按照10-15cm的厚度，将其铺设于稻田退水沟渠底部。
上述配制的沟渠基质经氨氮脱除效果检测，对稻田退水中氨氮的脱除率可以达到84.4％。
实施例4：
1、草甸棕壤土处理
选择有机质(OM)含量(质量分数)为20±0.5％的草甸棕壤，挖取地表表层0-20cm深度部分，摊开风干，待其含水率为45％后，将其破碎，剔除石块、植物残体等杂物，备用；
2、砂子处理
利用孔径为1.0mm筛子，筛分砂子，弃用筛下物；利用孔径为1.2mm的筛子，筛分上述筛上物，取得筛下物，获得粒径范围为1.0-1.2mm的砂子，备用；
3、活性污泥处理
取市政污水处理厂曝气池活性污泥，经沉降脱水后，自然风干，待其含水率为82.5％(质量百分数)时，破碎均匀，备用；
4、煤炉渣处理
取孔隙率为55±0.5％的煤炉渣，利用孔径为1.9mm筛子，筛分煤炉渣，弃用筛下物，利用孔径为2.2mm的筛子，筛分上述筛上物，取得筛下物，获得粒径范围为1.9-2.2mm的煤炉渣，备用；
5、脱氮副球菌Paracouccusdenitrificationsp.菌液培养
利用Paracouccusdenitrificationsp.培养基，在29±0.5℃、摇床转速135rpm条件下，培养23h，使菌液浓度为90cfu/ml，备用；
6、沟渠基质配制
将处理的砂子，添加到处理的草甸棕壤土中，添加量为草甸棕壤土质量的25wt％，混合均匀后，向草甸棕壤土和砂子混合物中添加处理的活性污泥，添加量为草甸棕壤土和砂子混合物质量的7wt％，混合均匀后，再向草甸棕壤土、砂子和活性污泥混合物中添加处理的煤炉渣，添加量为草甸棕壤土、砂子和活性污泥混合物质量的7wt％，混合均匀后，再向草甸棕壤土、砂子、活性污泥和煤炉渣混合物中添加已培养的脱氮副球菌Paracouccusdenitrificationsp.菌液，添加量为草甸棕壤土、砂子、活性污泥和煤炉渣混合物质量的0.03wt％，混合均匀后，即得到阻控稻田退水中氨氮的沟渠基质，按照10-15cm的厚度，将其铺设于稻田退水沟渠底部。
上述配制的沟渠基质经氨氮脱除效果检测，对稻田退水中氨氮的脱除率可以达到85.8％。
实施例5
1、草甸棕壤土处理
选择有机质(OM)含量(质量分数)为20-22％的草甸棕壤，挖取地表表层0-20cm深度部分，摊开风干，待其含水率为48％后，将其破碎，剔除石块、植物残体等杂物，备用；
2、砂子处理
利用孔径为1.2mm筛子，筛分砂子，弃用筛下物；利用孔径为1.6mm的筛子，筛分上述筛上物，取得筛下物，获得粒径范围为1.2-1.6mm的砂子，备用；
3、活性污泥处理
取市政污水处理厂曝气池活性污泥，经沉降脱水后，自然风干，待其含水率为83％(质量百分数)时，破碎均匀，备用；
4、煤炉渣处理
取孔隙率为55-57％的煤炉渣，利用孔径为2.2mm筛子，筛分煤炉渣，弃用筛下物，利用孔径为2.5mm的筛子，筛分上述筛上物，取得筛下物，获得粒径范围为2.2-2.5mm的煤炉渣，备用；
5、脱氮副球菌Paracouccusdenitrificationsp.菌液培养
利用Paracouccusdenitrificationsp.培养基，在29.5±0.5℃、摇床转速138rpm条件下，培养24h，使菌液浓度为88cfu/ml，备用；
6、沟渠基质配制
将处理的砂子，添加到处理的草甸棕壤土中，添加量为草甸棕壤土质量的30wt％，混合均匀后，向草甸棕壤土和砂子混合物中添加处理的活性污泥，添加量为草甸棕壤土和砂子混合物质量的10wt％，混合均匀后，再向草甸棕壤土、砂子和活性污泥混合物中添加处理的煤炉渣，添加量为草甸棕壤土、砂子和活性污泥混合物质量的8wt％，混合均匀后，再向草甸棕壤土、砂子、活性污泥和煤炉渣混合物中添加已培养的脱氮副球菌Paracouccusdenitrificationsp.菌液，添加量为草甸棕壤土、砂子、活性污泥和煤炉渣混合物质量的0.02wt％，混合均匀后，即得到阻控稻田退水中氨氮的沟渠基质，按照10-15cm的厚度，将其铺设于稻田退水沟渠底部。
上述配制的沟渠基质经氨氮脱除效果检测，对稻田退水中氨氮的脱除率可以达到84.0％。

Claims (1)

1.一种阻控稻田退水中氨氮的沟渠基质的配制方法，其特征在于，将经处理的砂子，添加到经处理的草甸棕壤土中，砂子添加量为草甸棕壤土质量的20-30wt％，混合均匀后，得到混合物A；再向混合物A中添加经处理的活性污泥，添加量为混合物A质量的5-10wt％，混合均匀后，得到混合物B；再向混合物B中添加经处理的煤炉渣，添加量为混合物B质量的5-10wt％，混合均匀后，得到混合物C；再向混合物C中接种培养好的脱氮副球菌菌液，添加量为混合物C质量的0.01-0.05wt％，混合均匀，得到阻控稻田退水中氨氮的沟渠基质；
其中，所述草甸棕壤土处理方法为：选择有机质含量为18-22wt％的草甸棕壤土，挖取地表表层0-20cm深度部分，干燥至含水率为42-48wt％后，将大块草甸棕壤土破碎，剔除石块、植物残体杂物；
所述砂子处理方法为：将砂子用筛子筛分，取粒径范围为0.8-1.6mm的砂子；
所述活性污泥处理方法为：取市政污水处理厂曝气池活性污泥，经沉降脱水后，干燥至含水率82-83wt％时，将其破碎均匀；
所述煤炉渣处理方法为：取孔隙率为53-57％的煤炉渣，用筛子筛分，取粒径范围为1.5-2.5mm的煤炉渣；
所述脱氮副球菌菌液培养方法为：在脱氮副球菌培养基中接种脱氮副球菌，在培养温度为28.5-29.5℃，摇床转速为132-138rpm，培养时间为22-24h的条件下，培养至菌液浓度为80-90cfu/ml。
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