一种水体污染底泥的修复方法
【专利摘要】本发明公开了一种水体污染底泥的修复方法，所述水体污染底泥为富营养化严重的城市河道和景观湖水体的污染底泥，该修复方法包括如下步骤：(1)根据水体的主要污染物类型及污染负荷，在水体中均匀投加粒径为1～4mm的底泥活性覆盖材料，覆盖厚度为2～6cm；(2)待水体水质明显改善且透明度提高至大于三分之一水深时，向水体中种植沉水植物；(3)在冬季时进行沉水植物恢复。本发明的方法能够有效削减底泥中氮和磷的排放，控制水体富营养化，且技术实施过程简单，成本低廉。
【专利说明】
一种水体污染底泥的修复方法
技术领域
[0001] 本发明属于水环境修复技术领域，具体涉及一种水体污染底泥的修复方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国工业化和城市化进程的加快，城市河湖水体富营养化问题日益严重。尽 管政府投入大量资金综合整治水环境，在限排、截污方面取得一定成果，但河湖水体富营养 化问依然尤为突出，已经严重影响人们的生活和生产。氮和磷是水体富营养化的主要限制 因子，底泥是河湖水体氮和磷的源和汇。因此，在外源氮和磷得到有效控制条件下，控制底 泥氮和磷释放，是解决河湖水体富营养化的有效措施之一。可见，寻求经济、持续有效的原 位控制底泥污染物释放的技术，是非常有必要的，且紧迫的。
[0003] 目前控制底泥氮和磷释放的主要方法有清淤法和原位覆盖法。清淤法在国内应用 较为广泛，但存在的问题有：（1)成本高；（2)破坏水底生态系统；（3)底泥再悬浮对水体造成 污染；（4)底泥运输和处置过程造成二次污染。原位覆盖法是当今全球学者研究的热点，尤 其在欧洲、美国、日本发展迅速，得到广泛的实际应用。原位覆盖法由传统的物理厚层覆盖 发展到现如今的活性薄层覆盖，覆盖材料是原位覆盖技术核心部分，活性覆盖材料有方解 石、活性炭、焦炭、沸石及其改性产品（生物沸石、锆改性沸石、Z2G1、有机盐或无机盐改性沸 石）、以及其他矿物材料为基质改性的锁磷产品（镧改性膨润土Phosloc·，锁磷剂)等活性 材料。但活性材料对污染物吸附量有限，吸附饱和后对氮磷控制将会失效，该技术存在可持 续性缺陷，另外，覆盖层被底泥二次覆盖，也是该技术在实际应用中存在难题。
[0004] 沉水植物不仅对污染底泥及水体中氮和磷都有很好的削减效果，而且能有效抑制 底泥再悬浮，但沉水植物生长对光照条件和水体透明度要求很高，污染较为严重水体环境 基本上不适宜沉水植物生长，因此，单纯利用沉水植物修复污染底泥时，其效果会受到自身 生长状况及水环境因素的影响。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种水体污染底泥的修复方法。
[0006] 本发明的原理如下：
[0007] 本发明的具体技术方案如下：
[0008] -种水体污染底泥的修复方法，所述水体污染底泥为富营养化严重的城市河道和 景观湖水体的污染底泥，该修复方法包括如下步骤：
[0009] (1)根据水体的主要污染物类型及污染负荷，在水体中均匀投加粒径为1~4mm的 底泥活性覆盖材料，覆盖厚度为2~6cm，以快速削减水体中污染物负荷，改善底层水体和表 层底泥的氧化还原环境，隔绝污泥底泥和延缓营养盐释放水质，改善水体水质，提高水体透 明度至适宜沉水植物生长需要的光照补偿深度，为沉水植物的生长提供有力的生境条件， 底泥活性覆盖材料为天然沸石、生物沸石、锁磷剂和改性净水厂污泥中的至少一种；
[0010] (2)待水体水质明显改善且透明度提高至大于三分之一水深时，向水体中种植沉 水植物，沉水植物为苦草、狐尾藻、眼子菜和黑藻中的至少一种，其中苦草种植密度为35~ 65株/m2;狐尾藻种植密度为4~7芽/丛，8~10丛/m2;眼子菜种植密度为25~55株/m 2;黑藻 种植密度为8~17芽/丛，8~14丛/m2;
[0011] (3)在冬季时进行沉水植物恢复。
[0012] 在本发明的一个优选实施方案中，若水体中水底浮泥多且松散，则先进行适当清 淤后再投加底泥活性覆盖材料。
[0013] 在本发明的一个优选实施方案中，水体的水深在3m以内，沉水植物采用叉子种植 法种植。
[0014] 在本发明的一个优选实施方案中，水体的水深在3m以上，沉水植物采用包裹无纺 布抛掷法种植。
[0015] 在本发明的一个优选实施方案中，所述底泥活性覆盖材料的粒径为1~3mm，覆盖 厚度为2~5cm〇
[0016] 在本发明的一个优选实施方案中，苦草种植密度为40~60株/m2;狐尾藻种植密度 为5~6芽/丛，9丛/m 2;眼子菜种植密度为30~50株/m2;黑藻种植密度为10~15芽/丛，9~12 丛/m2。
[0017] 本发明的有益效果是：
[0018] 1、本发明的修复方法通过将底泥活性覆盖材料与沉水植物联用，可以弥补彼此的 不足，即底泥活性覆盖材料快速改善底层水体和表层底泥的氧化还原环境，隔绝污染底泥 和延缓营养盐释放，为沉水植物生长提供有利的生境条件，沉水植物可以延长技术有效时 间，弥补活性材料覆盖技术后期失效不足。
[0019] 2、本发明的方法能够有效削减底泥中氮和磷的排放，控制水体富营养化，且技术 实施过程简单，成本低廉。
【附图说明】
[0020] 图1和图2为本发明的实施例1中实验验证底泥活性覆盖材料覆盖控制底泥氮磷释 放效果的实验结果图，其中图1为天然沸石覆盖控制底泥氨氮释放的效果图，图2为锁磷剂 和净水厂污泥覆盖控制底泥正磷酸盐释放的效果图。
[0021 ]图3和图4为本发明的实施例1中实验验证沉水植物削减氮磷效果的实验结果图， 其中图3为4种沉水植物削减水体氨氮效果图，图4为4种沉水植物削减水体正磷酸盐效果 图。
[0022] 图5和图6为本发明的实施例1中实验验证活性覆盖材料与沉水植物联合使用控制 氮磷释放效果的实验结果图，其中图5为不同系统上覆水中氨氮浓度的变化图，图6为不同 系统上覆水中正磷酸盐浓度的变化图。
【具体实施方式】
[0023] 以下通过【具体实施方式】对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
[0024] 实施例1
[0025] -种水体污染底泥的修复方法，所述水体污染底泥为富营养化严重的城市河道和 景观湖水体的污染底泥，该修复方法包括如下步骤：
[0026] (1)根据水体的主要污染物类型及污染负荷，在水体中均匀投加粒径为1~4mm(优 选1~3mm)的底泥活性覆盖材料，覆盖厚度为2~6cm(优选2~5cm)，以快速削减水体中污染 物负荷，改善底层水体和表层底泥的氧化还原环境，隔绝污泥底泥和延缓营养盐释放水质， 改善水体水质，提高水体透明度至适宜沉水植物生长需要的光照补偿深度，为沉水植物的 生长提供有力的生境条件，上述特定的粒径的底泥活性覆盖材料不仅对氮磷有很好吸附效 果，而且，其覆盖层水力传导系数适中，有利于底泥活性覆盖材料对氮磷吸附，上述特定的 覆盖厚度属于薄层覆盖，技术实施过后，对河湖容量、储存水量和行洪影响均不大;底泥活 性覆盖材料为天然沸石、生物沸石、锁磷剂和改性净水厂污泥中的至少一种；
[0027] 其中天然沸石优点有比表面积大，多孔，易挂膜，可创造适宜微生物生长的厌氧、 兼性和好氧的不同环境，对铵离子有良好的交换能力，氨氮吸附能力可生物再生，物理化学 性能稳定，无毒性，水力条件充分，价格低廉，产地丰富；生物沸石是将从底泥中分离、筛选 获得高效微生物菌剂通过人工曝气充氧挂膜法在天然沸石上形成生物膜制备而成的，不仅 具备天然沸石优点，同时能生物再生沸石吸附氨氮能力，具体的制备过程详见发明专利"污 染沉积物生物活性多层覆盖修复方法"（ZL201110450470.4);锁磷剂是锁磷剂phoslockS是 澳洲工业科学研究协会于1990年研发的，于2002年商品化的，到目前为止，锁磷剂广泛应用 于澳洲、欧洲、美国、加拿大、新西兰等水库和湖泊，大规模应用案例超过120处;锁磷剂有快 速(4h内）削减水体中游离态磷、厌氧状态下也能有效捕捉游离态磷、LaP〇4在自然状态下极 其稳定、低毒性、高沉降性等特性，并具有向水体复氧功能;改性净水厂污泥是由将净水厂 脱水后污泥通过温度400°C煅烧4h、机械破碎、机械震荡筛分等过程制备而成，不仅对磷有 很好的修吸附效果，而且有氨氮也有一定吸附效果，另外，不向水体释放氮和有机物，已解 决普通净水厂污泥向水体释放氮和有机物问题。天然沸石和生物沸石主要削减氮负荷，锁 磷剂和改性净水厂污泥主要削减磷负荷，应用时需结合水体的主要污染物类型及污染负荷 选择适宜一种或几种组合的活性覆盖材料；
[0028] 若水体中水底浮泥多且松散，则先进行适当清淤后再投加底泥活性覆盖材料，因 为活性覆盖材料密度较大，浮泥多且松散，致使底泥活性覆盖材料沉入浮泥中，这样底泥活 性覆盖材料主要控制浮泥以下底泥中氮磷释放，对于表层的污染严重的浮泥中氮磷释放控 制效果不明显，短期内水体水质改善不明显，另外，浮泥也不适宜沉水植物固定生长，因此 需要对表层浮泥进行适当的清淤；
[0029] (2)待水体水质明显改善且透明度提高至大于三分之一水深时，向水体中种植沉 水植物，沉水植物为苦草、狐尾藻、眼子菜和黑藻中的至少一种，其中苦草种植密度为35~ 65株/m2;狐尾藻种植密度为4~7芽/丛，8~10丛/m2;眼子菜种植密度为25~55株/m 2;黑藻 种植密度为8~17芽/丛，8~14丛/m2(优选的，苦草种植密度为40~60株/m 2;狐尾藻种植密 度为5~6芽/丛，9丛/m2;眼子菜种植密度为30~50株/m2;黑藻种植密度为10~15芽/丛，9~ 12丛/m 2);水体的水深在3m以内，沉水植物采用叉子种植法种植，水体的水深在3m以上，沉 水植物采用包裹无纺布抛掷法种植；
[0030]其中，枯草多年生沉水植物，春季萌发，夏季为快速生长期，最大生物量一般在9月 份出现;狐尾藻多年生沉水植物，春季开始生长，夏季生物量达到最大；眼子菜多年生沉水 植物，四季常绿，叶片冬季细条形、夏季细线形，四季均能生长，花果期在8-10月；黑藻多年 生沉水植物，适应性强，生长迅速，能以多种方式繁殖。7月中旬至8月下旬盛花期，全生育期 250d左右;苦草、狐尾藻、眼子菜、黑藻均对氮和磷有很好的去除效果；
[0031] (3)在冬季水质较好、透明度较高时，进行沉水植物恢复。因为苦草、狐尾藻、眼子 菜、黑藻菌是夏季，或秋季生长旺盛，生物量达到最大值，在冬季进行恢复比较适宜，且冬季 水体水质较高，且水体透明较高。
[0032] 实验验证：
[0033] 遵照本发明实施例1的上述步骤以及技术要点，分别以实验室配水及华侨大学厦 门校区富营养化白鹭湖原水和表层底泥为研究对象，进行室内实验小试研究。
[0034] -、活性材料覆盖控制底泥氮磷释放效果
[0035] (1)试验方案
[0036] 试验在10L、DN 200mm广口玻璃瓶中进行;每个瓶中底泥重量约为1.39kg，厚度约 为5cm。覆盖材料的覆盖强度为2kg/m2(重量为63g)。通过塑料软管利用虹吸原理将湖水缓 缓沿瓶壁加入瓶中，上覆水体积约为8L。
[0037]试验共有10个玻璃瓶，分为4组，每组2个平行，编号为1-4#，其中，1#为对照系统， 未覆盖任何材料;2#为天然沸石覆盖系统;3#为净水厂污覆盖系统;4#为锁磷剂覆盖系统。 [0038]试验于2015年5月8日开始进行，6月12日结束，历时35d;玻璃瓶口敞开(不控制上 覆水DO浓度），放置在室内，试验在室温下进行;每天定时测定系统中水深IOcm处水温、pH和 D0;定期取50mL水样，分别测定水样中的氨氮、正磷酸盐，取水样后用原水进行补充至原刻 度线。
[0039] 研究天然沸石覆盖控制底泥氨氮释放效果，净水厂污泥和锁磷剂覆盖控制底泥正 磷酸盐释放效果。
[0040] (2)试验结果与分析
[0041 ] 在试验历时35d过程中，各系统中水温变化范围为24.1~29.9 °C，pH变化范围为 7.22~7.86，D0浓度变化范围为0.19~5.04，天然沸石覆盖控制底泥氨氮释放效果如图1所 示，净水厂污泥和锁磷剂覆盖控制底泥正磷酸盐释放效果如图2所示。
[0042]由图1可见，当覆盖材料的覆盖强度为2kg/m2时，与对照相比，天然沸石覆盖对氨 氮削减率为24.97%~51.40%，均值为42.04%，说明天然沸石覆盖能有效控制底泥中氨氮 释放。方差分析表明，天然沸石覆盖系统与对照系统之间削减氨氮效果有明显差异（P〈 0.05)〇
[0043]由图2可见，当覆盖材料的覆盖强度为2kg/m2时，与对照相比，锁磷剂覆盖对正磷 酸盐削减率为30.61 %~88.18%，均值为75.98%，说明锁磷剂覆盖非常好地控制底泥中正 磷酸盐释放;净水厂污泥覆盖对正磷酸盐削减率为23.47 %~67.20 %，均值为53.73 %，说 明净水厂污泥覆盖能有效控制底泥中正磷酸盐释放。方差分析表明，锁磷剂、净水厂污泥覆 盖系统与对照系统之间削减正磷酸盐效果均有明显差异(P〈〇.05)。
[0044] 综上所述，天然沸石可作为控制底泥氨氮释放的活性覆盖材料，净水厂污泥和锁 磷剂可作为控制底泥正磷酸盐释放的活性覆盖材料。
[0045] 二、4种沉水植物削减水体氮磷效果
[0046] (1)试验方案
[0047]试验在2L烧杯中进行，每个烧杯中放置1.8L富营养化水体，苦草和眼子菜放置密 度为60株/m2和50株/m2,黑藻和狐尾藻放置密度为12丛/m2和9丛/m 2。沉水植物高度约为 10cm〇
[0048] 试验共有15个烧杯，分为5组，每组3个平行，编号为1-5#，其中，1#为对照系统，未 放置沉水植物;2#为黑藻系统;3#为苦草系统;4#为狐尾藻系统;5#为眼子菜系统。
[0049] 试验于2015年5月6日开始进行，5月16日结束，历时lid;烧杯口敞开(不控制上覆 水DO浓度），放置在室内，试验在室温下进行；每天定时测定系统中水深IOcm处水温、pH和 D0;定期取50mL水样，分别测定水样中的氨氮、正磷酸盐，取水样后用原水进行补充至原刻 度线。
[0050] 研究黑藻、苦草、狐尾藻和眼子菜等4种常见沉水植物削减富营养化水体氨氮和正 磷酸盐效果。
[0051] (2)试验结果与分析
[0052] 在试验历时11 d过程中，各系统中水温变化范围为25.1~28.5 °C，pH变化范围为 7.06~8.26，D0浓度变化范围为5.25~7.26，4种沉水植物削减水体氨氮和正磷酸盐效果分 另1J如图3和图4所不。
[0053]由3可见，黑藻、苦草和眼子菜对水体中氨氮都有很好的削减效果，黑藻、苦草和眼 子菜系统与对照系统之间削减氨氮效果均有明显差异(P〈〇.05);但狐尾藻系统中氨氮浓度 高于对照系统，说明狐尾藻对氨氮削减效果不明显，而且有可能向水体释放氨氮，可能原因 是由于本实验中所用的狐尾藻直接取至于华侨大学厦门校区内河水体中，狐尾藻个体较 大，实验时，截取尾部IOcm使用，可能是根系局部腐烂向水体释放氨氮。
[0054]由图4可见，黑藻、苦草、狐尾藻和眼子菜对水体中正磷酸盐都有很好的削减效果， 黑藻、苦草、狐尾藻和眼子菜系统与对照系统之间削减正磷酸盐效果均有明显差异（P〈 0.05)〇
[0055] 综上所述，黑藻、苦草、狐尾藻和眼子菜4种沉水植物可与活性覆盖材料联合使用， 协同控制底泥氮磷释放。
[0056] 三、活性覆盖材料与沉水植物联用控制底泥氮磷释放效果
[0057] (1)试验方案
[0058]试验在2L烧杯中进行，每个烧杯中放置0.4L底泥和1.4L上覆水，苦草种植密度为 60株/m2,黑藻种植密度为12丛/m2,沸石和净水厂污泥覆盖强度为2kg/m2,沉水植物高度约 为10cm。
[0059] 试验共有21个烧杯，分为7组，每组3个平行，编号为1-7#，其中，1#为对照系统，未 种植沉水植物和覆盖活性材料;2#为黑藻系统;3#为苦草系统;4#为黑藻+沸石系统;5#为苦 草+沸石系统;6#为黑藻+净水厂污泥系统;7#为苦草+净水厂污泥系统。
[0060] 试验于2015年5月31日开始进行，7月5日结束，历时36d;烧杯口敞开(不控制上覆 水DO浓度），放置在室内，试验在室温下进行；每天定时测定系统中水深IOcm处水温、pH和 D0;定期取50mL水样，分别测定水样中的氨氮、正磷酸盐，取水样后用原水进行补充至原刻 度线。
[0061] 研究活性覆盖材料与沉水植物联用控制底泥氨氮和正磷酸盐释放效果。
[0062] (2)试验结果与分析
[0063] 在试验历时36d过程中，各系统中水温变化范围为26.6~29.5 °C，pH变化范围为 7.01~8.37，D0浓度变化范围为2.07~7.56,1#~5#系统上覆水中氨氮浓度变化如图5所 示，I #、2#、3#、6#和7#系统上覆水中正磷酸盐浓度变化如图6所示。
[0064]由图5可见，与对照相比，黑藻对氨氮削减率为23. 19 %~82.84 %，均值为 59.97% ;苦草对氨氮削减率为28.11 %~74.55 %，均值为50.45% ;沸石与黑藻联用对氨氮 削减率为66.21 %~92.16%，均值为79.96% ;沸石与苦草联用对氨氮削减率为72.89%~ 95.64%，均值为87.75%。可见，活性覆盖材料与沉水植物联用对氨氮削减率比单纯利用沉 水植物提高30%。黑藻、苦草、黑藻+沸石、苦草+沸石系统与对照系统之间削减氨氮效果均 有明显差异(P〈〇.〇5)。
[0065] 由图6可见，与对照相比，黑藻对正磷酸盐削减率为17.95 %~75.86 %，均值为 55.55% ;苦草对正磷酸盐削减率为24.36%~82.76%，均值为64.31 % ;净水厂污泥与黑藻 联用对正磷酸盐削减率为69.23 %~85.48 %，均值为77.13 % ;净水厂污泥与苦草联用对正 磷酸盐削减率为74.36 %~87.10 %，均值为79.56 %。可见，活性覆盖材料与沉水植物联用 对正磷酸盐削减率比单纯利用沉水植物提高20%。黑藻、苦草、黑藻+沸石、苦草+沸石系统 与对照系统之间削减正磷酸盐效果均有明显差异(P〈〇.05)。
[0066] 综上所述，基于活性覆盖材料与沉水植物联用的原位覆盖技术控制底泥氮磷释放 是可行的，联用技术相对于单一技术对氨氮和正磷酸盐的削减率能提高20%~30%。
[0067] 以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即 依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
【主权项】
1. 一种水体污染底泥的修复方法，其特征在于:所述水体污染底泥为富营养化严重的 城市河道和景观湖水体的污染底泥，该修复方法包括如下步骤： (1) 根据水体的主要污染物类型及污染负荷，在水体中均匀投加粒径为1~4mm的底泥 活性覆盖材料，覆盖厚度为2~6cm，以快速削减水体中污染物负荷，改善底层水体和表层底 泥的氧化还原环境，隔绝污泥底泥和延缓营养盐释放水质，改善水体水质，提高水体透明度 至适宜沉水植物生长需要的光照补偿深度，为沉水植物的生长提供有力的生境条件，底泥 活性覆盖材料为天然沸石、生物沸石、锁磷剂和改性净水厂污泥中的至少一种； (2) 待水体水质明显改善且透明度提高至大于三分之一水深时，向水体中种植沉水植 物，沉水植物为苦草、狐尾藻、眼子菜和黑藻中的至少一种，其中苦草种植密度为35~65株/ m2;狐尾藻种植密度为4~7芽/丛，8~10丛/m2;眼子菜种植密度为25~55株/m 2;黑藻种植密 度为8~17芽/丛，8~14丛/m2; (3) 在冬季时进行沉水植物恢复。2. 如权利要求1所述的一种水体污染底泥的修复方法，其特征在于:若水体中水底浮泥 多且松散，则先进行适当清淤后再投加底泥活性覆盖材料。3. 如权利要求1所述的一种水体污染底泥的修复方法，其特征在于:水体的水深在3m以 内，沉水植物采用叉子种植法种植。4. 如权利要求1所述的一种水体污染底泥的修复方法，其特征在于:水体的水深在3m以 上，沉水植物采用包裹无纺布抛掷法种植。5. 如权利要求1所述的一种水体污染底泥的修复方法，其特征在于:所述底泥活性覆盖 材料的粒径为1~3mm，覆盖厚度为2~5cm〇6. 如权利要求1所述的一种水体污染底泥的修复方法，其特征在于:苦草种植密度为40 ~60株/m2;狐尾藻种植密度为5~6芽/丛，9丛/m 2;眼子菜种植密度为30~50株/m2;黑藻种 植密度为10~15芽/丛，9~12丛/m 2。
【文档编号】C02F11/00GK105859066SQ201610242578
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】周真明, 刘彤, 苑宝玲, 杨志敏, 刘淑坡, 刘啟迪, 李飞, 廖晓斌
【申请人】华侨大学