一種水體污染底泥的修復方法
【專利摘要】本發明公開了一種水體污染底泥的修復方法，所述水體污染底泥為富營養化嚴重的城市河道和景觀湖水體的污染底泥，該修復方法包括如下步驟：(1)根據水體的主要污染物類型及污染負荷，在水體中均勻投加粒徑為1～4mm的底泥活性覆蓋材料，覆蓋厚度為2～6cm；(2)待水體水質明顯改善且透明度提高至大于三分之一水深時，向水體中種植沉水植物；(3)在冬季時進行沉水植物恢復。本發明的方法能夠有效削減底泥中氮和磷的排放，控制水體富營養化，且技術實施過程簡單，成本低廉。
【專利說明】
一種水體污染底泥的修復方法
技術領域
[0001] 本發明屬于水環境修復技術領域，具體涉及一種水體污染底泥的修復方法。
【背景技術】
[0002] 隨著我國工業化和城市化進程的加快，城市河湖水體富營養化問題日益嚴重。盡 管政府投入大量資金綜合整治水環境，在限排、截污方面取得一定成果，但河湖水體富營養 化問依然尤為突出，已經嚴重影響人們的生活和生產。氮和磷是水體富營養化的主要限制 因子，底泥是河湖水體氮和磷的源和匯。因此，在外源氮和磷得到有效控制條件下，控制底 泥氮和磷釋放，是解決河湖水體富營養化的有效措施之一。可見，尋求經濟、持續有效的原 位控制底泥污染物釋放的技術，是非常有必要的，且緊迫的。
[0003] 目前控制底泥氮和磷釋放的主要方法有清淤法和原位覆蓋法。清淤法在國內應用 較為廣泛，但存在的問題有：（1)成本高；（2)破壞水底生態系統；（3)底泥再懸浮對水體造成 污染；（4)底泥運輸和處置過程造成二次污染。原位覆蓋法是當今全球學者研究的熱點，尤 其在歐洲、美國、日本發展迅速，得到廣泛的實際應用。原位覆蓋法由傳統的物理厚層覆蓋 發展到現如今的活性薄層覆蓋，覆蓋材料是原位覆蓋技術核心部分，活性覆蓋材料有方解 石、活性炭、焦炭、沸石及其改性產品（生物沸石、鋯改性沸石、Z2G1、有機鹽或無機鹽改性沸 石）、以及其他礦物材料為基質改性的鎖磷產品（鑭改性膨潤土Phosloc·，鎖磷劑)等活性 材料。但活性材料對污染物吸附量有限，吸附飽和后對氮磷控制將會失效，該技術存在可持 續性缺陷，另外，覆蓋層被底泥二次覆蓋，也是該技術在實際應用中存在難題。
[0004] 沉水植物不僅對污染底泥及水體中氮和磷都有很好的削減效果，而且能有效抑制 底泥再懸浮，但沉水植物生長對光照條件和水體透明度要求很高，污染較為嚴重水體環境 基本上不適宜沉水植物生長，因此，單純利用沉水植物修復污染底泥時，其效果會受到自身 生長狀況及水環境因素的影響。

【發明內容】

[0005] 本發明的目的在于克服現有技術缺陷，提供一種水體污染底泥的修復方法。
[0006] 本發明的原理如下：
[0007] 本發明的具體技術方案如下：
[0008] -種水體污染底泥的修復方法，所述水體污染底泥為富營養化嚴重的城市河道和 景觀湖水體的污染底泥，該修復方法包括如下步驟：
[0009] (1)根據水體的主要污染物類型及污染負荷，在水體中均勻投加粒徑為1~4mm的 底泥活性覆蓋材料，覆蓋厚度為2~6cm，以快速削減水體中污染物負荷，改善底層水體和表 層底泥的氧化還原環境，隔絕污泥底泥和延緩營養鹽釋放水質，改善水體水質，提高水體透 明度至適宜沉水植物生長需要的光照補償深度，為沉水植物的生長提供有力的生境條件， 底泥活性覆蓋材料為天然沸石、生物沸石、鎖磷劑和改性凈水廠污泥中的至少一種；
[0010] (2)待水體水質明顯改善且透明度提高至大于三分之一水深時，向水體中種植沉 水植物，沉水植物為苦草、狐尾藻、眼子菜和黑藻中的至少一種，其中苦草種植密度為35~ 65株/m2;狐尾藻種植密度為4~7芽/叢，8~10叢/m2;眼子菜種植密度為25~55株/m 2;黑藻 種植密度為8~17芽/叢，8~14叢/m2;
[0011] (3)在冬季時進行沉水植物恢復。
[0012] 在本發明的一個優選實施方案中，若水體中水底浮泥多且松散，則先進行適當清 淤后再投加底泥活性覆蓋材料。
[0013] 在本發明的一個優選實施方案中，水體的水深在3m以內，沉水植物采用叉子種植 法種植。
[0014] 在本發明的一個優選實施方案中，水體的水深在3m以上，沉水植物采用包裹無紡 布拋擲法種植。
[0015] 在本發明的一個優選實施方案中，所述底泥活性覆蓋材料的粒徑為1~3mm，覆蓋 厚度為2~5cm〇
[0016] 在本發明的一個優選實施方案中，苦草種植密度為40~60株/m2;狐尾藻種植密度 為5~6芽/叢，9叢/m 2;眼子菜種植密度為30~50株/m2;黑藻種植密度為10~15芽/叢，9~12 叢/m2。
[0017] 本發明的有益效果是：
[0018] 1、本發明的修復方法通過將底泥活性覆蓋材料與沉水植物聯用，可以彌補彼此的 不足，即底泥活性覆蓋材料快速改善底層水體和表層底泥的氧化還原環境，隔絕污染底泥 和延緩營養鹽釋放，為沉水植物生長提供有利的生境條件，沉水植物可以延長技術有效時 間，彌補活性材料覆蓋技術后期失效不足。
[0019] 2、本發明的方法能夠有效削減底泥中氮和磷的排放，控制水體富營養化，且技術 實施過程簡單，成本低廉。
【附圖說明】
[0020] 圖1和圖2為本發明的實施例1中實驗驗證底泥活性覆蓋材料覆蓋控制底泥氮磷釋 放效果的實驗結果圖，其中圖1為天然沸石覆蓋控制底泥氨氮釋放的效果圖，圖2為鎖磷劑 和凈水廠污泥覆蓋控制底泥正磷酸鹽釋放的效果圖。
[0021 ]圖3和圖4為本發明的實施例1中實驗驗證沉水植物削減氮磷效果的實驗結果圖， 其中圖3為4種沉水植物削減水體氨氮效果圖，圖4為4種沉水植物削減水體正磷酸鹽效果 圖。
[0022] 圖5和圖6為本發明的實施例1中實驗驗證活性覆蓋材料與沉水植物聯合使用控制 氮磷釋放效果的實驗結果圖，其中圖5為不同系統上覆水中氨氮濃度的變化圖，圖6為不同 系統上覆水中正磷酸鹽濃度的變化圖。
【具體實施方式】
[0023] 以下通過【具體實施方式】對本發明的技術方案進行進一步的說明和描述。
[0024] 實施例1
[0025] -種水體污染底泥的修復方法，所述水體污染底泥為富營養化嚴重的城市河道和 景觀湖水體的污染底泥，該修復方法包括如下步驟：
[0026] (1)根據水體的主要污染物類型及污染負荷，在水體中均勻投加粒徑為1~4mm(優 選1~3mm)的底泥活性覆蓋材料，覆蓋厚度為2~6cm(優選2~5cm)，以快速削減水體中污染 物負荷，改善底層水體和表層底泥的氧化還原環境，隔絕污泥底泥和延緩營養鹽釋放水質， 改善水體水質，提高水體透明度至適宜沉水植物生長需要的光照補償深度，為沉水植物的 生長提供有力的生境條件，上述特定的粒徑的底泥活性覆蓋材料不僅對氮磷有很好吸附效 果，而且，其覆蓋層水力傳導系數適中，有利于底泥活性覆蓋材料對氮磷吸附，上述特定的 覆蓋厚度屬于薄層覆蓋，技術實施過后，對河湖容量、儲存水量和行洪影響均不大;底泥活 性覆蓋材料為天然沸石、生物沸石、鎖磷劑和改性凈水廠污泥中的至少一種；
[0027] 其中天然沸石優點有比表面積大，多孔，易掛膜，可創造適宜微生物生長的厭氧、 兼性和好氧的不同環境，對銨離子有良好的交換能力，氨氮吸附能力可生物再生，物理化學 性能穩定，無毒性，水力條件充分，價格低廉，產地豐富；生物沸石是將從底泥中分離、篩選 獲得高效微生物菌劑通過人工曝氣充氧掛膜法在天然沸石上形成生物膜制備而成的，不僅 具備天然沸石優點，同時能生物再生沸石吸附氨氮能力，具體的制備過程詳見發明專利"污 染沉積物生物活性多層覆蓋修復方法"（ZL201110450470.4);鎖磷劑是鎖磷劑phoslockS是 澳洲工業科學研究協會于1990年研發的，于2002年商品化的，到目前為止，鎖磷劑廣泛應用 于澳洲、歐洲、美國、加拿大、新西蘭等水庫和湖泊，大規模應用案例超過120處;鎖磷劑有快 速(4h內）削減水體中游離態磷、厭氧狀態下也能有效捕捉游離態磷、LaP〇4在自然狀態下極 其穩定、低毒性、高沉降性等特性，并具有向水體復氧功能;改性凈水廠污泥是由將凈水廠 脫水后污泥通過溫度400°C煅燒4h、機械破碎、機械震蕩篩分等過程制備而成，不僅對磷有 很好的修吸附效果，而且有氨氮也有一定吸附效果，另外，不向水體釋放氮和有機物，已解 決普通凈水廠污泥向水體釋放氮和有機物問題。天然沸石和生物沸石主要削減氮負荷，鎖 磷劑和改性凈水廠污泥主要削減磷負荷，應用時需結合水體的主要污染物類型及污染負荷 選擇適宜一種或幾種組合的活性覆蓋材料；
[0028] 若水體中水底浮泥多且松散，則先進行適當清淤后再投加底泥活性覆蓋材料，因 為活性覆蓋材料密度較大，浮泥多且松散，致使底泥活性覆蓋材料沉入浮泥中，這樣底泥活 性覆蓋材料主要控制浮泥以下底泥中氮磷釋放，對于表層的污染嚴重的浮泥中氮磷釋放控 制效果不明顯，短期內水體水質改善不明顯，另外，浮泥也不適宜沉水植物固定生長，因此 需要對表層浮泥進行適當的清淤；
[0029] (2)待水體水質明顯改善且透明度提高至大于三分之一水深時，向水體中種植沉 水植物，沉水植物為苦草、狐尾藻、眼子菜和黑藻中的至少一種，其中苦草種植密度為35~ 65株/m2;狐尾藻種植密度為4~7芽/叢，8~10叢/m2;眼子菜種植密度為25~55株/m 2;黑藻 種植密度為8~17芽/叢，8~14叢/m2(優選的，苦草種植密度為40~60株/m 2;狐尾藻種植密 度為5~6芽/叢，9叢/m2;眼子菜種植密度為30~50株/m2;黑藻種植密度為10~15芽/叢，9~ 12叢/m 2);水體的水深在3m以內，沉水植物采用叉子種植法種植，水體的水深在3m以上，沉 水植物采用包裹無紡布拋擲法種植；
[0030]其中，枯草多年生沉水植物，春季萌發，夏季為快速生長期，最大生物量一般在9月 份出現;狐尾藻多年生沉水植物，春季開始生長，夏季生物量達到最大；眼子菜多年生沉水 植物，四季常綠，葉片冬季細條形、夏季細線形，四季均能生長，花果期在8-10月；黑藻多年 生沉水植物，適應性強，生長迅速，能以多種方式繁殖。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、黑藻均對氮和磷有很好的去除效果；
[0031] (3)在冬季水質較好、透明度較高時，進行沉水植物恢復。因為苦草、狐尾藻、眼子 菜、黑藻菌是夏季，或秋季生長旺盛，生物量達到最大值，在冬季進行恢復比較適宜，且冬季 水體水質較高，且水體透明較高。
[0032] 實驗驗證：
[0033] 遵照本發明實施例1的上述步驟以及技術要點，分別以實驗室配水及華僑大學廈 門校區富營養化白鷺湖原水和表層底泥為研究對象，進行室內實驗小試研究。
[0034] -、活性材料覆蓋控制底泥氮磷釋放效果
[0035] (1)試驗方案
[0036] 試驗在10L、DN 200mm廣口玻璃瓶中進行;每個瓶中底泥重量約為1.39kg，厚度約 為5cm。覆蓋材料的覆蓋強度為2kg/m2(重量為63g)。通過塑料軟管利用虹吸原理將湖水緩 緩沿瓶壁加入瓶中，上覆水體積約為8L。
[0037]試驗共有10個玻璃瓶，分為4組，每組2個平行，編號為1-4#，其中，1#為對照系統， 未覆蓋任何材料;2#為天然沸石覆蓋系統;3#為凈水廠污覆蓋系統;4#為鎖磷劑覆蓋系統。 [0038]試驗于2015年5月8日開始進行，6月12日結束，歷時35d;玻璃瓶口敞開(不控制上 覆水DO濃度），放置在室內，試驗在室溫下進行;每天定時測定系統中水深IOcm處水溫、pH和 D0;定期取50mL水樣，分別測定水樣中的氨氮、正磷酸鹽，取水樣后用原水進行補充至原刻 度線。
[0039] 研究天然沸石覆蓋控制底泥氨氮釋放效果，凈水廠污泥和鎖磷劑覆蓋控制底泥正 磷酸鹽釋放效果。
[0040] (2)試驗結果與分析
[0041 ] 在試驗歷時35d過程中，各系統中水溫變化范圍為24.1~29.9 °C，pH變化范圍為 7.22~7.86，D0濃度變化范圍為0.19~5.04，天然沸石覆蓋控制底泥氨氮釋放效果如圖1所 示，凈水廠污泥和鎖磷劑覆蓋控制底泥正磷酸鹽釋放效果如圖2所示。
[0042]由圖1可見，當覆蓋材料的覆蓋強度為2kg/m2時，與對照相比，天然沸石覆蓋對氨 氮削減率為24.97%~51.40%，均值為42.04%，說明天然沸石覆蓋能有效控制底泥中氨氮 釋放。方差分析表明，天然沸石覆蓋系統與對照系統之間削減氨氮效果有明顯差異（P〈 0.05)〇
[0043]由圖2可見，當覆蓋材料的覆蓋強度為2kg/m2時，與對照相比，鎖磷劑覆蓋對正磷 酸鹽削減率為30.61 %~88.18%，均值為75.98%，說明鎖磷劑覆蓋非常好地控制底泥中正 磷酸鹽釋放;凈水廠污泥覆蓋對正磷酸鹽削減率為23.47 %~67.20 %，均值為53.73 %，說 明凈水廠污泥覆蓋能有效控制底泥中正磷酸鹽釋放。方差分析表明，鎖磷劑、凈水廠污泥覆 蓋系統與對照系統之間削減正磷酸鹽效果均有明顯差異(P〈〇.05)。
[0044] 綜上所述，天然沸石可作為控制底泥氨氮釋放的活性覆蓋材料，凈水廠污泥和鎖 磷劑可作為控制底泥正磷酸鹽釋放的活性覆蓋材料。
[0045] 二、4種沉水植物削減水體氮磷效果
[0046] (1)試驗方案
[0047]試驗在2L燒杯中進行，每個燒杯中放置1.8L富營養化水體，苦草和眼子菜放置密 度為60株/m2和50株/m2,黑藻和狐尾藻放置密度為12叢/m2和9叢/m 2。沉水植物高度約為 10cm〇
[0048] 試驗共有15個燒杯，分為5組，每組3個平行，編號為1-5#，其中，1#為對照系統，未 放置沉水植物;2#為黑藻系統;3#為苦草系統;4#為狐尾藻系統;5#為眼子菜系統。
[0049] 試驗于2015年5月6日開始進行，5月16日結束，歷時lid;燒杯口敞開(不控制上覆 水DO濃度），放置在室內，試驗在室溫下進行；每天定時測定系統中水深IOcm處水溫、pH和 D0;定期取50mL水樣，分別測定水樣中的氨氮、正磷酸鹽，取水樣后用原水進行補充至原刻 度線。
[0050] 研究黑藻、苦草、狐尾藻和眼子菜等4種常見沉水植物削減富營養化水體氨氮和正 磷酸鹽效果。
[0051] (2)試驗結果與分析
[0052] 在試驗歷時11 d過程中，各系統中水溫變化范圍為25.1~28.5 °C，pH變化范圍為 7.06~8.26，D0濃度變化范圍為5.25~7.26，4種沉水植物削減水體氨氮和正磷酸鹽效果分 另1J如圖3和圖4所不。
[0053]由3可見，黑藻、苦草和眼子菜對水體中氨氮都有很好的削減效果，黑藻、苦草和眼 子菜系統與對照系統之間削減氨氮效果均有明顯差異(P〈〇.05);但狐尾藻系統中氨氮濃度 高于對照系統，說明狐尾藻對氨氮削減效果不明顯，而且有可能向水體釋放氨氮，可能原因 是由于本實驗中所用的狐尾藻直接取至于華僑大學廈門校區內河水體中，狐尾藻個體較 大，實驗時，截取尾部IOcm使用，可能是根系局部腐爛向水體釋放氨氮。
[0054]由圖4可見，黑藻、苦草、狐尾藻和眼子菜對水體中正磷酸鹽都有很好的削減效果， 黑藻、苦草、狐尾藻和眼子菜系統與對照系統之間削減正磷酸鹽效果均有明顯差異（P〈 0.05)〇
[0055] 綜上所述，黑藻、苦草、狐尾藻和眼子菜4種沉水植物可與活性覆蓋材料聯合使用， 協同控制底泥氮磷釋放。
[0056] 三、活性覆蓋材料與沉水植物聯用控制底泥氮磷釋放效果
[0057] (1)試驗方案
[0058]試驗在2L燒杯中進行，每個燒杯中放置0.4L底泥和1.4L上覆水，苦草種植密度為 60株/m2,黑藻種植密度為12叢/m2,沸石和凈水廠污泥覆蓋強度為2kg/m2,沉水植物高度約 為10cm。
[0059] 試驗共有21個燒杯，分為7組，每組3個平行，編號為1-7#，其中，1#為對照系統，未 種植沉水植物和覆蓋活性材料;2#為黑藻系統;3#為苦草系統;4#為黑藻+沸石系統;5#為苦 草+沸石系統;6#為黑藻+凈水廠污泥系統;7#為苦草+凈水廠污泥系統。
[0060] 試驗于2015年5月31日開始進行，7月5日結束，歷時36d;燒杯口敞開(不控制上覆 水DO濃度），放置在室內，試驗在室溫下進行；每天定時測定系統中水深IOcm處水溫、pH和 D0;定期取50mL水樣，分別測定水樣中的氨氮、正磷酸鹽，取水樣后用原水進行補充至原刻 度線。
[0061] 研究活性覆蓋材料與沉水植物聯用控制底泥氨氮和正磷酸鹽釋放效果。
[0062] (2)試驗結果與分析
[0063] 在試驗歷時36d過程中，各系統中水溫變化范圍為26.6~29.5 °C，pH變化范圍為 7.01~8.37，D0濃度變化范圍為2.07~7.56,1#~5#系統上覆水中氨氮濃度變化如圖5所 示，I #、2#、3#、6#和7#系統上覆水中正磷酸鹽濃度變化如圖6所示。
[0064]由圖5可見，與對照相比，黑藻對氨氮削減率為23. 19 %~82.84 %，均值為 59.97% ;苦草對氨氮削減率為28.11 %~74.55 %，均值為50.45% ;沸石與黑藻聯用對氨氮 削減率為66.21 %~92.16%，均值為79.96% ;沸石與苦草聯用對氨氮削減率為72.89%~ 95.64%，均值為87.75%。可見，活性覆蓋材料與沉水植物聯用對氨氮削減率比單純利用沉 水植物提高30%。黑藻、苦草、黑藻+沸石、苦草+沸石系統與對照系統之間削減氨氮效果均 有明顯差異(P〈〇.〇5)。
[0065] 由圖6可見，與對照相比，黑藻對正磷酸鹽削減率為17.95 %~75.86 %，均值為 55.55% ;苦草對正磷酸鹽削減率為24.36%~82.76%，均值為64.31 % ;凈水廠污泥與黑藻 聯用對正磷酸鹽削減率為69.23 %~85.48 %，均值為77.13 % ;凈水廠污泥與苦草聯用對正 磷酸鹽削減率為74.36 %~87.10 %，均值為79.56 %。可見，活性覆蓋材料與沉水植物聯用 對正磷酸鹽削減率比單純利用沉水植物提高20%。黑藻、苦草、黑藻+沸石、苦草+沸石系統 與對照系統之間削減正磷酸鹽效果均有明顯差異(P〈〇.05)。
[0066] 綜上所述，基于活性覆蓋材料與沉水植物聯用的原位覆蓋技術控制底泥氮磷釋放 是可行的，聯用技術相對于單一技術對氨氮和正磷酸鹽的削減率能提高20%~30%。
[0067] 以上所述，僅為本發明的較佳實施例而已，故不能依此限定本發明實施的范圍，即 依本發明專利范圍及說明書內容所作的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明涵蓋的范圍內。
【主權項】
1. 一種水體污染底泥的修復方法，其特征在于:所述水體污染底泥為富營養化嚴重的 城市河道和景觀湖水體的污染底泥，該修復方法包括如下步驟： (1) 根據水體的主要污染物類型及污染負荷，在水體中均勻投加粒徑為1~4mm的底泥 活性覆蓋材料，覆蓋厚度為2~6cm，以快速削減水體中污染物負荷，改善底層水體和表層底 泥的氧化還原環境，隔絕污泥底泥和延緩營養鹽釋放水質，改善水體水質，提高水體透明度 至適宜沉水植物生長需要的光照補償深度，為沉水植物的生長提供有力的生境條件，底泥 活性覆蓋材料為天然沸石、生物沸石、鎖磷劑和改性凈水廠污泥中的至少一種； (2) 待水體水質明顯改善且透明度提高至大于三分之一水深時，向水體中種植沉水植 物，沉水植物為苦草、狐尾藻、眼子菜和黑藻中的至少一種，其中苦草種植密度為35~65株/ m2;狐尾藻種植密度為4~7芽/叢，8~10叢/m2;眼子菜種植密度為25~55株/m 2;黑藻種植密 度為8~17芽/叢，8~14叢/m2; (3) 在冬季時進行沉水植物恢復。2. 如權利要求1所述的一種水體污染底泥的修復方法，其特征在于:若水體中水底浮泥 多且松散，則先進行適當清淤后再投加底泥活性覆蓋材料。3. 如權利要求1所述的一種水體污染底泥的修復方法，其特征在于:水體的水深在3m以 內，沉水植物采用叉子種植法種植。4. 如權利要求1所述的一種水體污染底泥的修復方法，其特征在于:水體的水深在3m以 上，沉水植物采用包裹無紡布拋擲法種植。5. 如權利要求1所述的一種水體污染底泥的修復方法，其特征在于:所述底泥活性覆蓋 材料的粒徑為1~3mm，覆蓋厚度為2~5cm〇6. 如權利要求1所述的一種水體污染底泥的修復方法，其特征在于:苦草種植密度為40 ~60株/m2;狐尾藻種植密度為5~6芽/叢，9叢/m 2;眼子菜種植密度為30~50株/m2;黑藻種 植密度為10~15芽/叢，9~12叢/m 2。
【文檔編號】C02F11/00GK105859066SQ201610242578
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月19日
【發明人】周真明, 劉彤, 苑寶玲, 楊志敏, 劉淑坡, 劉啟迪, 李飛, 廖曉斌
【申請人】華僑大學