专利名称：一种富营养水体底泥磷素削控的方法
技术领域：
本发明涉及一种富营养水体修复方法，特别涉及一种富营养水体底泥磷素削控的方法。
背景技术：
随着人们对生活质量要求的提高，磷素引起的水体富营养化现象逐渐引起了人们的关注，大量研究表明磷是水体富营养化最常见的限制性营养盐，磷素的增加不仅带来了水体溶解氧的消耗以及藻类水华的爆发，而且藻类在繁殖过程中产生的一系列藻毒素会对水生生物甚至人类产生更大的危害。尽管人们对磷素的控制给予了足够的重视，采取了各种措施以减少磷等营养元素向水体的直接排放。但水体的富营养化发展趋势却并没有因此得到有效的控制，近年来人们开始逐渐将磷素的控制研究转向对内源性磷的研究。研究发现输入水体的磷素，在各种环境因素的影响下，经过一系列物理、化学及生物的变化，其中部分在搬运、絮凝、沉淀等作用下逐渐以不同形态的磷蓄积于沉积物中，然而当在温度、pH、 氧化还原条件、浮游生物以及扰动等环境因素的影响下，沉积物中的磷素又会重新参与到沉积物-水界面的循环当中，造成水体的内源性富营养化污染。对于富营养化污染的控制主要取决于对沉积物磷的控制以及对上覆水磷的吸收。目前，内源磷的原位控制方法主要有物理法和地球化学方法。物理法主要有曝气、 深层复氧、水利冲刷等方法，但它们普遍存在着治理成本高，对水体生态系统冲击大等缺点。地球化学法主要通过被动的(如沙石、粘土等)或主动的(如方解石、沸石及改性材料等)覆盖剂，通过吸附，絮凝、共沉淀来达到控制内源磷的释放，该方法虽然将一部分磷转化为难溶性磷永久沉淀下来，但随着处理时间的延长以及外界条件的改变，很大一部分以弱结合态形式存在的磷仍然能够释放出底泥，造成内源性富营养化污染。因此，现阶段治理富营养化污染的重点应当在与如何永久性的消除沉积物中的反应活性磷，彻底解决内外源磷引起的富营养化污染，特别是对于受外界条件影响较大的浅水水体。
发明内容
本发明目的是提供一种成本低，操作简单，效果明显，可实现原位操作的浅水水体底泥磷削控方法，彻底解决因治理时效性差导致的水体底泥弱结合态磷释放而带来的内源性富营养化污染。现有研究表明，解决内源性富营养化污染的问题的重点在于沉积物中磷的管理， 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种富营养水体底泥磷素的削控方法，所述方法为将盐度调控剂水溶液加在富营养化水体的底泥-上覆水界面的底泥表面，盐度调控剂水解形成氢氧根和金属离子，通过置换和竞争吸附将底泥中弱结合态磷置换出来，从而实现富营养水体底泥磷素的削控; 所述盐度调控剂强碱弱酸盐，所述的强碱弱酸盐为醋酸钾或醋酸钠。所述的富营养水体是指在人类活动的影响下，生物所需的氮、磷等营养物质大量进入湖泊、河口、海湾等缓流水体，引起藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧量下降， 水质恶化，鱼类及其他生物大量死亡等现象的水体。本发明所述的底泥-上覆水界面，是指富营养水体中沉积物与上覆水的界面，通常这个界面磷释放量较高。本发明的作用原理为盐度调控剂为强碱弱酸盐，所述强碱弱酸盐溶液溶于水体后，一方面强碱弱酸盐水解产生弱酸根、金属离子、氢离子和氢氧根离子，弱酸根结合氢离子，使得反应界面PH上升，磷以磷酸根的形式存在，此时0H_与P043_竞争吸附于沉积物的活性电位上，且在一定范围内pH越大，0H_的竞争能力愈强，故P043_被释放出；另一方面，随着盐度继续增大，阴离子竞争为此时的主要作用，絮凝体表面的吸附电位达到饱和，故而吸附磷酸根的量下降；此外，金属离子通过竞争吸附，争夺铁结合态磷表面的吸附点位，从而将磷酸根游离出来。本发明所述盐度调控剂水溶液为强碱弱酸盐水溶液，能够在水体中发生水解反应，产生氢氧根和活泼金属离子，本发明优先选用醋酸钾水溶液或醋酸钠水溶液，因其对水体的影响较小且有较好的处理效果，同时水解生成的醋酸类物质具有一定的杀菌抗菌能力，对净化水体有一定益处。进一步，所述的盐度调控剂水溶液为醋酸钾水溶液，所述的醋酸钾水溶液的加入量以醋酸钾计为3. 125 9. 375g/m2。进一步，所述醋酸钾水溶液的浓度为O. 051 O. 153mol/L。进一步，所述盐度调控剂水溶液为醋酸钠水溶液，所述醋酸钠水溶液的加入量以醋酸钠计为2. 615 7. 845g/m2。进一步，所述醋酸钠水溶液的浓度为O. 043 O. 129mol/L。本发明所述的富营养水体底泥磷素的削控方法，盐度调控剂溶液在底泥-上覆水界面溢出的速度为5 10mL/min(优选10mL/min),施用时间为40_80min(优选40min)。更优选，所述醋酸钾水溶液在底泥-上覆水界面底泥表面的施用量为O. 625L/m2， 浓度为O. 102mol/L,即醋酸钾水溶液加入量以醋酸钾计为6. 25g/m2，所述醋酸钾水溶液在底泥-上覆水界面溢出的速度为10mL/min，施用时间为40min。最优选，所述醋酸钾水溶液在底泥-上覆水界面底泥表面的施用量为O. 625L/m2， 浓度为O. 153mol/L,即醋酸钾水溶液加入量以醋酸钾计为9. 375g/m2，所述醋酸钾水溶液在底泥-上覆水界面溢出的速度为10mL/min，施用时间为40min。更优选，所述醋酸钠水溶液在底泥-上覆水界面底泥表面的施用量为O. 525L/m2， 浓度为O. 085mol/L,即醋酸钠水溶液加入量以醋酸钠计为5. 25g/m2，所述醋酸钠水溶液在底泥-上覆水界面溢出的速度为10mL/min，施用时间为40min。本发明所述的盐度调控剂水溶液通过加压加在离富营养化水体的底泥-上覆水界面8 12cm位置。本发明需要将盐度调控剂溶液作用于底泥-上覆水界面，可以通过多种方式实现，比如使用加药泵向底泥-上覆水界面注入盐度调控剂溶液，只要使盐度调控剂溶液的作用位置在底泥-上覆水界面即可，优先选用在底泥-上覆水界面之上IOcm处。本发明所述5 15%。盐度的醋酸钾水溶液是指IOOOg水中醋酸钾的质量为5 15g。本发明推荐一种用于盐度调控剂溶液施药的可扩充式加药机(专利号201020130427. O)，所述可扩充式加药机包括可移动可扩展框架、药液储存罐、加药蠕动泵、 若干扩充单元和药液输出终端，所述可移动可扩展框架上安装有药液储存罐、加药蠕动泵和若干扩充单元，所述药液储存罐通过吸液管与加药蠕动泵连接，所述加药蠕动泵的药液输出管连接至可移动可扩展框架外的药液输出终端，所述药液输出终端上有若干药液溢出孔；所述若干扩充单元为本领域技术人员根据具体的工程措施安装可将上覆水中磷去除或转化为难利用态磷等的后续工程治理设备。进一步，所述可移动可扩展框架可在垂直和水平方向进行扩展以容纳若干扩充单
J Li ο进一步，所述可移动可扩展框架为底部带有滚轮的不锈钢架构，其上设有推手和气液管挂钩。进一步，所述药液储存罐与加药蠕动泵之间的吸液管和加药蠕动泵与药液输出终端之间的药液输出管上均设有流量计和阀门。进一步，所述加药蠕动泵可根据具体要求实现与若干扩充单元进行同步处理和各自单独处理两种模式，所述若干扩充单元优选为补药储存罐单元或曝气单元，所述补药储存罐单元为后续工程治理措施添加药液做准备，所述补药储存罐单元通过补药吸液管与加药蠕动泵连接，所述补药吸液管设有流量计和阀门，所述本发明推荐添加钙盐类钝化剂，可彻底降低可利用态磷的活性；所述曝气单元为后续工程治理措施曝气做准备，所述曝气单元通过曝气管与药液输出终端连接，所述曝气管设有流量计和阀门，本发明推荐臭氧曝气单元，可提高上覆水的Eh值，并可在底泥-上覆水界面形成一层隔膜，阻隔底泥和上覆水磷的交流。进一步，本发明所述加药储存罐和补药储存罐单元均为圆柱形中空有机玻璃管。本发明所述可扩充式加药机的使用方法为首先需确定相应的后续工程治理措施，然后将可扩充式加药机移动至处理水体现场，并进行扩充单元相应设备的安装，完成扩充单元的准备工作，把药液输出终端从挂钩上取下，深入需处理水体底泥-上覆水界面(底泥表层)，开启加药蠕动泵，根据实际需求调节药液流量和操作模式，开展处理。与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在本发明方法为可实现原位操作的浅水水体底泥磷削控方法，彻底解决因治理时效性差导致的水体底泥弱结合态磷释放而带来的内源性富营养化污染；本发明治理成本低，处理效果明显，可实现原位操作，是目前实现控制内源性富营养化污染较为有效的前处理技术，具有重要且广泛的应用前景。
图I是本发明实施例使用的可扩充式加药机的结构示意图；图2是本发明5%。盐度的醋酸钾水溶液实验组的处理效果图；图3是本发明10%。盐度的醋酸钾水溶液实验组的处理效果图；图4是本发明15%。盐度的醋酸钾水溶液实验组的处理效果图；图5是本发明10%。盐度的醋酸钠水溶液实验组的处理效果图。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于
5此参照图I，可扩充式加药机，包括可移动可扩展框架I、加药蠕动泵2、药液储存罐3 和药液输出终端7，所述可移动可扩展框架I上安装有加药蠕动泵2和药液储存罐3，所述的药液储存罐3通过吸液管31连通至加药蠕动泵2，所述加药蠕动泵2通过药液输出管21 连接至可移动可扩展框架I外的药液输出终端7，所述的药液输出终端7表面设有药液溢出孔71。进一步，所述药液输出管路21，吸液管31上均设有相应的流量计8和阀门9。进一步，所述可移动可扩展框架I为带滚轮12的不锈钢架构，其上设有推手10和气液管挂钩11。进一步，所述的加药蠕动泵2可根据具体要求实现与扩充单元的同步处理和各自单独处理两种操作模式。进一步，所述的药液储存罐3为圆柱形中空有机玻璃管。进一步，所述可移动可扩展框架I上还有垂直扩充单元13，可移动可扩展框架I内还安装有扩充单元4、扩充单元5和扩充单元6，所述的扩充单元可根据具体的工程措施安装可将上覆水磷去除或转化为难利用态磷等的后续工程治理的设备；所述扩充单元4为补药储存罐单元(后续工程治理措施添加药液准备)，所述补药储存罐单元通过补药吸液管与加药蠕动泵2连接，所述补药吸液管上设有流量计和阀门， 所述补药储存罐单元为圆柱形中空有机玻璃管；本发明推荐补药储存罐单元为钙盐类钝化剂补药储存罐，可彻底降低可利用态磷的活性。所述扩充单元5为曝气单元(为后续工程治理措施曝气准备)，所述曝气单元通过曝气管与药液输出终端连接，所述曝气管上设有流量计和阀门，本发明推荐臭氧曝气单元， 可提高上覆水Eh值，并可在底泥-上覆水界面形成一层隔膜阻隔底泥和上覆水磷的交流。所述的扩充单元6为其他工程治理措施准备。使用方法处理过程中，首先需确定相应的后续工程治理措施，然后将可扩充式加药机移动至处理水体现场，并进行扩充单元相应设备的安装，完成扩充单元的准备工作。把药液输出终端从挂钩11上取下，深入需处理水体底泥表层，开启加药蠕动泵2，根据实际需求调节药液流量和操作模式，开展处理。实施例I :以杭州西湖底泥为处理对象，采用可扩充式加药机，醋酸钾水溶液单独作用和无处理组进行比较实验。实验分成3个组，组I为O. 051mol/L醋酸钾水溶液(即盐度5%0)； 组2为O. 102mol/L醋酸钾水溶液(即盐度10% )，组3为O. 153mol/L醋酸钾水溶液(即盐度15%。)，每个组各自与无醋酸钾处理组作为对照。组I :0. 051mol/L醋酸钾水溶液单独作用和无处理组进行比较实验。在高120cm， 直径80cm的不锈钢封底PVE管中加入取自西湖的底泥，至30cm处，添加上覆水至80cm处， 构建模拟的湖泊底泥-上覆水系统。采用可扩充式加药机通过加药蠕动泵直接注入醋酸钾水溶液于底泥-上覆水界面。醋酸钾水溶液中醋酸钾在底泥-上覆水界面的投加量为
3.125g/m2，加药蠕动泵中醋酸钾水溶液的浓度为O. 051mol/L，施用量为O. 625L/m2，醋酸钾水溶液在底泥-上覆水界面溢出的速度为10mL/min，加药时间为40min，结果见图2所示。组2 0. 102mol/L醋酸钾水溶液单独作用和无处理组进行比较实验。在高120cm，直径80cm的不锈钢封底PVE管中加入取自西湖的底泥，至30cm处，添加上覆水至80cm处， 构建模拟的湖泊底泥-上覆水系统。采用可扩充式加药机通过加药蠕动泵直接注入醋酸钾水溶液于底泥-上覆水界面。醋酸钾水溶液中醋酸钾在底泥-上覆水界面的投加量为
6.250g/m2，加药蠕动泵中醋酸钾水溶液的浓度为O. 102mol/L，施用量为O. 625L/m2，醋酸钾溶液在底泥-上覆水界面溢出的速度为10mL/min，加药时间为40min，结果见图3所示。组3 :0. 153mol/L醋酸钾水溶液单独作用和无处理组进行比较实验。在高120cm， 直径80cm的不锈钢封底PVE管中加入取自西湖的底泥，至30cm处，添加上覆水至80cm处， 构建模拟的湖泊底泥-上覆水系统。采用可扩充式加药机通过加药蠕动泵直接注入醋酸钾水溶液于底泥-上覆水界面。醋酸钾水溶液中醋酸钾在底泥-上覆水界面的投加量为
9.375g/m2，加药蠕动泵中醋酸钾水溶液的浓度为O. 153mol/L，施用量为O. 625L/m2，醋酸钾在底泥-上覆水界面溢出的速度为10mL/min，加药时间为40min，结果见图4所示。检测方法磷酸盐采用国家环保总局编著的《水和废水监测分析方法》中规定的钥锑抗分光光度法测定。图2、3、4结果表明，在无任何处理条件下，底泥-上覆水界面的总磷含量为O O. 18mg/L ;在O. 051mol/L醋酸钾水溶液单独作用下，底泥-上覆水界面总磷的含量为
O.15 I. 40mg/L ;在O. 102mol/L醋酸钾水溶液单独作用下，底泥-上覆水界面总磷的含量为O. 20 O. 45mg/L ;在O. 153mol/L醋酸钾水溶液单独作用下，底泥-上覆水界面总磷的含量为 O. 20 O. 65mg/L。结果可以看出，虽然对照组在无任何处理情况下，最大值仅为O. 18mg/L，其含量小于《地表水环境质量标准GB3838-2002》中III类水O. 2mg/L的标准值。但在无外源磷进入的情况下，仅用O. 051 O. 153mol/L的醋酸钾水溶液(即醋酸钾水溶液盐度为5%。-15%。) 处理后，上覆水的总磷含量就大幅度增加，其最大值高达I. 14mg/L，说明底泥中存在大量的磷素，且在醋酸钾的处理下，其中以弱结合态磷为主的内源磷就大量的向上覆水体释放。在复杂外界环境条件，如风浪，观光游船，底栖生物等扰动下，很容易造成因内源磷释放而造成的富营养化风险。处理过程中，O. 153mol/L醋酸钾水溶液(即盐度15%。)的处理效果最为明显，对后续开展工程治理较为有利。本发明的处理效果非常明显。实施例2 以杭州西湖底泥为处理对象，采用可扩充式加药机，O. 085mol/L醋酸钾水溶液 (即盐度为10%。)单独作用和无处理组进行比较实验。在高120cm，直径80cm的不锈钢封底PVE管中加入取自杭州西湖的底泥，至30cm处，添加上覆水至80cm处，构建模拟的湖泊底泥-上覆水系统。采用可扩充式加药机通过加药蠕动泵直接注入盐度10%。醋酸钠水溶液于底泥-上覆水界面。醋酸钠水溶液中醋酸钠在底泥-上覆水界面的投加量为5. 250g/m2， 加药蠕动泵中醋酸钠水溶液的浓度为O. 085mol/L，施用量为O. 525L/m2，醋酸钠水溶液在底泥-上覆水界面溢出的速度为10mL/min，加药时间为40min，结果见图5所示。图5结果表明，在无任何处理条件下，底泥-上覆水界面的总磷含量为O
O.18mg/L ;在10%。醋酸钠水溶液单独作用下，底泥-上覆水界面总磷的含量为O. 095 1.63mg/L，在处理后的0-19天上覆水中总磷含量不断增加，表明底泥中的磷素被大量释放，19-60天上覆水中总磷含量虽有所下降，但在上覆水中仍有O. 40-1. 19mg/L的总磷，相对于对照组O. 095-0. 12mg/L的总磷含量，仍显示出明显的总磷释放效应。因此，本发明的处理效果非常明显。
权利要求
1.一种富营养水体底泥磷素的削控方法，其特征在于所述方法为将盐度调控剂水溶液加在富营养化水体的底泥-上覆水界面的底泥表面，盐度调控剂水解形成氢氧根和金属离子，通过竞争吸附将底泥中弱结合态磷置换出来，从而实现富营养水体底泥磷素的削控; 所述盐度调控剂为强碱弱酸盐，所述的强碱弱酸盐为醋酸钾或醋酸钠。
2.如权利要求I所述的富营养水体底泥磷素的削控方法，其特征在于所述的盐度调控剂水溶液为醋酸钾水溶液，所述的醋酸钾水溶液的加入量以醋酸钾计为3. 125 9. 375g/ m2。
3.如权利要求2所述的富营养水体底泥磷素的削控方法，其特征在于所述醋酸钾水溶液的浓度为O. 051 O. 153mol/L。
4.如权利要求I所述的富营养水体底泥磷素的削控方法，其特征在于所述的盐度调控剂水溶液为醋酸钠水溶液，所述的醋酸钠水溶液的加入量以醋酸钠计为2. 615 7. 845g/m2。
5.如权利要求4所述的富营养水体底泥磷素的削控方法，其特征在于所述醋酸钠水溶液的浓度为O. 043 O. 129mol/L。
6.如权利要求I所述的富营养水体底泥磷素的削控方法，其特征在于所述盐度调控剂水溶液在底泥-上覆水界面溢出的速度为5 10mL/min。
7.如权利要求I所述的富营养水体底泥磷素的削控方法，其特征在于所述盐度调控剂水溶液为浓度O. 102mol/L的醋酸钾水溶液，加入量以醋酸钾计为6. 25g/m2。
8.如权利要求I所述的富营养水体底泥磷素的削控方法，其特征在于所述盐度调控剂水溶液为O. 085mol/L的醋酸钠水溶液，加入量以醋酸钠计为5. 25g/m2。
9.如权利要求I所述的富营养水体底泥磷素的削控方法，其特征在于所述的盐度调控剂水溶液通过加药泵加在离富营养化水体的底泥-上覆水界面8 12cm位置。
全文摘要
本发明公开了一种富营养水体底泥磷素削控的方法，所述方法为将盐度调控剂水溶液加在富营养化水体的底泥-上覆水界面的底泥表面，盐度调控剂水解形成氢氧根和金属离子，通过竞争吸附将底泥中弱结合态磷置换出来，从而实现富营养水体底泥磷素的削控；本发明方法为可实现原位操作的浅水水体底泥磷削控方法，彻底解决因治理时效性差导致的水体底泥弱结合态磷释放而带来的内源性富营养化污染；本发明治理成本低，处理效果明显，可实现原位操作，是目前实现控制内源性富营养化污染较为有效的前处理技术，具有重要且广泛的应用前景。
文档编号C02F1/52GK102603044SQ20121006711
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月14日 优先权日2012年3月14日
发明者张伟, 张杭君, 胡赐明, 蔡晨晨, 贾秀英, 骆可放 申请人:杭州师范大学