本发明属于湖泊富营养化治理领域，具体涉及一种用于湖泊水体水质净化的材料的制作及使用方法。
背景技术：
湖泊富营养化是当前亟待解决的全球性环境难题，水体中氮磷等营养盐浓度过高是造成湖泊富营养化的直接因子。湖泊沉积物是湖泊水体营养盐的主要内源之一，通过有效手段控制沉积物营养盐的释放是当前治理湖泊富营养化的一种重要方式。目前，基于阻控材料的沉积物营养盐阻控技术受到了广泛的关注，其原理是在沉积物的上方覆盖一定厚度的阻控材料，以阻止底泥中氮磷污染物尤其是磷相污染物的释放。现有技术中应用较多的阻控材料有赤泥、砂石、金属氧化物颗粒、沸石材料等，这些颗粒在沉积物上方可对水体中和沉积物-水界面的磷相进行吸附，减少释放至水体中的污染物的量，促进污染物的沉降。
虽然阻控材料的应用可有效缓解沉积物中污染物的释放。但现有技术中阻控材料存在的瓶颈在于，由于使用的阻控材料均是由外部添加，会向湖泊中引入大量的外来物质，大量的阻控材料沉积在湖泊中很容易引发新的生态环境问题，给环境安全埋下潜在的隐患，因此使得现有的阻控材料难以大面积、大规模地推广使用。
技术实现要素：
本发明解决的是现有技术中的阻控材料会引入大量的外来物质，给环境安全带来隐患的技术问题。进而提供一种主要由湖泊沉积物制成的、不会大量引入外来物质的、可有效阻控沉积物污染物释放的水体净化材料的制备及使用方法。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
一种湖泊水体水质净化材料的制作方法，所述湖泊水体水质净化材料包括第一净化材料，制备方法包括以下步骤：(1)取湖泊沉积物原样，加水制成湖泊沉积物浆液，采用含氧气体对所述湖泊沉积物浆液进行曝气，完成曝气后进行静置沉降；(2)步骤(1)中的静置沉降完成后，除去浆液中的上覆水，保留下层的沉积物，对所述沉积物进行阴干；(3)待所述沉积物阴干至含水量为50-60wt％，取沉积物制成粒径为2-6mm的第一颗粒，将所第一颗粒置于450-650℃温度下进行焙烧，制成第一净化材料。
所述第一颗粒的粒径分布为：粒径为2-4mm的所述第一颗粒占所述第一颗粒总数量的55-65％。
所述湖泊水体水质净化材料包括第二净化材料，步骤(3)中，待所述沉积物阴干至含水量为50-60wt％，取沉积物的一部分，制成所述第一颗粒；取沉积物的另一部分，经干燥、研磨制成粒径为50-150nm的粉体，将所述粉体在300-450℃温度下进行焙烧；使用粘合剂浆液将焙烧后的粉体粘合成型，得到所述第二净化材料。
所述粘合剂浆液为湖泊沉积物浆液、粘土浆液、淀粉浆液、羟甲基纤维素浆液中的一种或者多种。
所述粘合剂浆液的添加量占所述粉体重量的10～20％；所述粘合剂浆液为固液比以重量比计为1：(4-5)的湖泊沉积物浆液。
步骤(3)中，使用粘合剂浆液将焙烧后的粉体粘合成型，制成粒径为5-10mm的球形颗粒，得到第二净化材料。
在粘合成型的过程中加入沉水植物种子，每个所述球形颗粒中沉水植物种子的数量为2-5粒。
步骤(1)中所述含氧气体为空气；使用所述空气对沉积物浆液进行曝气的曝气量为10-15m3/(h﹒m3)；曝气的时间为36-48小时；步骤(1)中曝气处理后的所述湖泊沉积物中的有机质组分含量为5％～15％。
所述的制作方法制备得到的湖泊水体水质净化材料的使用方法，包括以下步骤：将所述第一净化材料投入湖泊治理区域，所述第一净化材料的投加量与所述湖泊治理区域的面积之比为5-15kg/m2；在投加所述第一净化材料时，先投加粒径为2-4mm的第一净化材料，再投加粒径为4-6mm的第一净化材料，所述粒径为4-6mm的第一净化材料覆盖在所述粒径为2-4mm的第一净化材料的上方。
根据所述的制作方法制备得到的湖泊水体水质净化材料的使用方法，包括以下步骤：(1)将所述第二净化材料投入湖泊治理区域，所述第二净化材料的投加量与所述湖泊治理区域的面积之比为10-25kg/m2；(2)完成步骤(1)后，将所述第一净化材料投入所述湖泊治理区域，覆盖在所述第二净化材料上方，所述第一净化材料的投加量与所述湖泊治理区域的面积之比为5-15kg/m2；在投加所述第一净化材料时，先投加粒径为2-4mm的第一净化材料，再投加粒径为4-6mm的第一净化材料，所述粒径为4-6mm的第一净化材料覆盖在所述粒径为2-4mm的第一净化材料的上方。
本发明制备得到的所述湖泊水体水质净化材料的优点在于：
(1)本发明制备得到的所述湖泊水体水质净化材料，经曝气处理后的所述湖泊沉积物中的有机质组分含量为5％～15％，经焙烧处理后形成的净化材料对水体中的氮磷污染物具有优良的吸附效果，从而可有效净化水质。本发明步骤(3)中取沉积物制成粒径为2-6mm的第一颗粒，将所第一颗粒置于300-550℃温度下进行焙烧，制成第一净化材料。所述第一颗粒粒径为2-6mm，优点在于这一粒径范围的第一颗粒在具有较大吸附面积的同时，还可在湖泊底部保持稳定，不易因水流扰动而移动。
(2)本发明制备得到的所述湖泊水体水质净化材料，进一步优选所述第一颗粒的粒径分布为：粒径为2-4mm的所述第一颗粒占所述第一颗粒总数量的55-65％，剩余则为粒径4-6mm的所述第一颗粒。在投加所述第一净化材料时，先投加粒径为2-4mm的第一净化材料，再投加粒径为4-6mm的第一净化材料，所述粒径为4-6mm的第一净化材料覆盖在所述粒径为2-4mm的第一净化材料的上方；这种投加方式，使得粒径较小的净化材料铺设在下层，粒径较大的第一净化材料铺设在上方，下层净化材料具有大的吸附面积，可提高对沉积物释放出的污染物的吸附效率；上层净化材料粒径较大，可进一步吸收污染物且减少水流扰动对净化材料的影响。
(3)本发明制备得到的所述湖泊水体水质净化材料，所述湖泊水体水质净化材料包括第二净化颗粒，步骤(3)中，待所述沉积物阴干至含水量为50-60wt％，取沉积物的一部分，制成所述第一颗粒；将剩余沉积物干燥、研磨制成粒径为50-150nm的粉体，将所述粉体在450-650℃温度下进行焙烧；使用粘合剂浆液将焙烧后的粉体粘合成型，得到第二净化材料。本发明的发明人经长期研究发现，曝气处理后的所述湖泊沉积物经干燥、研磨制成50-150nm的粉体，焙烧后的粉体净化材料对沉积物释放的污染物具有优异的吸附效果。但粉体颗粒粒径较小，投放至湖泊使容易浮在水面上，难以实现均匀投放，本发明使用粘合剂浆液将所述粉体粘合成型，使得所述粉体易于沉入湖泊底部，成型后的粉体沉至湖泊底部后，在湖水的浸泡作用下解体，再次复原至粉体状态，从而起到吸附作用。所述净化材料在使用时，先将所述第二净化材料投入湖泊治理区域，再将所述第一净化材料投入所述湖泊治理区域，覆盖在所述第二净化材料上方。
(4)本发明制备得到的所述湖泊水体水质净化材料，优选所述粘合剂浆液为湖泊沉积物原样水溶液，从而使得所述净化材料在制备过程中不引入任何湖泊外的物质，减少对湖泊环境的影响。
(5)本发明制备得到的所述湖泊水体水质净化材料，优选在第二净化材料粘合成型的过程中加入沉水植物种子，种子随着第二净化材料均匀分布在湖泊底层并萌发生长，沉水植物对底泥释放的污染物有生物净化的功能，从而可持续对污染物进行净化。
为了使本发明所述的湖泊水体水质净化材料的制备和使用方法的技术方案更加清楚明白，以下结合具体实施方式，对本发明进行进一步详细说明。
具体实施方式
采样及样品前处理方法
下述实施例1-4的步骤(1)中使用的湖泊沉积物原样取自云南洱海，采样时使用底泥采样器，将采取的底泥中的植物残体、壳体等杂物去除，即得到所述湖泊沉积物原样。将所述湖泊沉积物原样搅拌均匀，取3小份样品进行冻干处理，采用重铬酸钾容量法——外加热法测定3小份样品中的有机质含量，取平均值，从而得到所述湖泊沉积物原样的初始有机质含量为1.8wt％。
实施例1
本实施例提供的湖泊水体水质净化材料的制作方法，包括以下步骤：(1)取湖泊沉积物原样，加水制成湖泊沉积物原样的浆液，所述湖泊沉积物浆液的固液比为1:4；采用含氧气体对所述湖泊沉积物浆液进行曝气，曝气量为10m3/(h﹒m3)，即每立方米的湖泊沉积物原样浆液的曝气量为10m3/h，曝气的时间为36小时；完成曝气后进行静置沉降，经上述曝气处理后的所述湖泊沉积物中的有机质组分含量为5.5wt％；(2)步骤(1)中的静置沉降完成后，除去浆液中的上覆水，保留下层的沉积物，对所述沉积物进行阴干；(3)待所述沉积物阴干至含水量为50wt％，取沉积物制成粒径为2-6mm的第一颗粒，所述第一颗粒的粒径分布为：粒径为2-4mm的所述第一颗粒的数量占所述第一颗粒总数量的55％，剩余的占所述第一颗粒总数量45％的第一颗粒的粒径为4-6mm。将所第一颗粒置于300℃温度下进行焙烧，制成第一净化材料。
实施例2
本实施例提供的湖泊水体水质净化材料的制作方法，包括以下步骤：
(1)取湖泊沉积物原样，加水制成湖泊沉积物浆液，所述湖泊沉积物浆液的固液比以重量计为1:5；采用含氧气体对所述湖泊沉积物浆液进行曝气，曝气量为12m3/(h﹒m3)，曝气的时间为36小时，完成曝气后进行静置沉降；经上述曝气处理后的所述湖泊沉积物中的有机质组分含量为11.1wt％。
(2)步骤(1)中的静置沉降完成后，除去浆液中的上覆水，保留下层的沉积物，对所述沉积物进行阴干。
(3)待所述沉积物阴干至含水量为60wt％，取沉积物的一部分制成粒径为2-6mm的第一颗粒，所述第一颗粒的粒径分布为：粒径为2-4mm的所述第一颗粒的数量占所述第一颗粒总数量的65％，剩余的占所述第一颗粒总数量35％的第一颗粒的粒径为4-6mm。将所第一颗粒置于550℃温度下进行焙烧，制成第一净化材料。取沉积物的另一部分，经干燥、研磨制成粒径为50-150nm的粉体，将所述粉体在550℃温度下进行焙烧；使用粘合剂浆液将焙烧后的粉体粘合成型，本实施例中使用的粘合剂浆液为步骤(1)中制备得到的所述湖泊沉积物浆液，所述粘合剂浆液的添加量占所述粉体重量的20wt％；本实施例中所述粉体和所述粘合剂浆液混合后，捏合成粒径为5-10mm的球形颗粒，得到第二净化材料，所述第二净化材料中，粒径为5-7mm的球形颗粒占球形颗粒总数量的60％，剩余的粒径为7-10mm的球形颗粒占所述球形颗粒总数量40％。
实施例3
本实施例提供的湖泊水体水质净化材料的制作方法，包括以下步骤：
(1)取湖泊沉积物原样，加水制成湖泊沉积物浆液，所述湖泊沉积物浆液的固液比以重量计为1:5；采用含氧气体对所述湖泊沉积物浆液进行曝气，曝气量为14m3/(h﹒m3)，曝气的时间为40小时，完成曝气后进行静置沉降；经上述曝气处理后的所述湖泊沉积物中的有机质含量为12.6wt％。
(2)步骤(1)中的静置沉降完成后，除去浆液中的上覆水，保留下层的沉积物，对所述沉积物进行阴干。
(3)待所述沉积物阴干至含水量为60wt％，取沉积物的一部分制成粒径为2-6mm的第一颗粒，所述第一颗粒的粒径分布为：粒径为2-4mm的所述第一颗粒的数量占所述第一颗粒总数量的60％，剩余的占所述第一颗粒总数量40％的颗粒的粒径为4-6mm。将所第一颗粒置于550℃温度下进行焙烧，制成第一净化材料；取沉积物的另一部分，经干燥、研磨制成粒径为50-150nm的粉体，将所述粉体在550℃温度下进行焙烧；使用粘合剂浆液将焙烧后的粉体粘合成型，本实施例中使用的粘合剂浆液为步骤(1)中制备得到的所述湖泊沉积物浆液，所述粘合剂浆液的添加量占所述粉体重量的10wt％；本实施例中所述粘合成型的方法为：将少量粉体和所述粘合剂浆液混合后，捏合成粒径为2-3mm的球母，采用滚球法将球母置于粉体中滚动，在滚动过程中继续喷洒粘合剂浆液，球母最终增大成为粒径5-10mm的第二净化材料；所述第二净化材料中，粒径为5-7mm的球形颗粒占球形颗粒总数量的80％，剩余的粒径为7-10mm的球形颗粒占所述球形颗粒总数量20％。
实施例4
本实施例提供的湖泊水体水质净化材料的制作方法，包括以下步骤：
(1)在云南洱海取湖泊沉积物原样，加水制成湖泊沉积物浆液，所述湖泊沉积物浆液的固液比以重量计为1:5；采用含氧气体对所述湖泊沉积物浆液进行曝气，曝气量为15m3/(h﹒m3)，曝气的时间为48小时，完成曝气后进行静置沉降；经上述曝气处理后的所述湖泊沉积物中的有机质组分含量为13.1wt％。
(2)步骤(1)中的静置沉降完成后，除去浆液中的上覆水，保留下层的沉积物，对所述沉积物进行阴干。
(3)待所述沉积物阴干至含水量为60wt％，取沉积物的一部分制成粒径为2-6mm的第一颗粒，所述第一颗粒的粒径分布为：粒径为2-4mm的所述第一颗粒的数量占所述第一颗粒总数量的60％，剩余的占所述第一颗粒总数量40％的第一颗粒的粒径为4-6mm。将所第一颗粒置于550℃温度下进行焙烧，制成第一净化材料。将所第一颗粒置于550℃温度下进行焙烧，制成第一净化材料；取沉积物的另一部分，经干燥、研磨制成粒径为50-150nm的粉体，将所述粉体在550℃温度下进行焙烧；使用粘合剂浆液将焙烧后的粉体粘合成型，本实施例在粘合成型的过程中加入沉水植物种子，每个所述球形颗粒中沉水植物种子的数量为2-5粒。本实施例中使用的粘合剂浆液为步骤(1)中制备得到的所述湖泊沉积物浆液，所述粘合剂浆液的添加量占所述粉体重量的10wt％；本实施例中所述粘合成型的方法为：将少量粉体和沉水植物种子以及所述粘合剂浆液混合后，捏合成粒径为3-4mm的球母，采用滚球法将球母置于粉体中滚动，在滚动过程中继续喷洒粘合剂浆液，球母最终增大成为粒径5-10mm的第二净化材料；所述第二净化材料中，粒径为5-7mm的球形颗粒占球形颗粒总数量的50％，剩余的粒径为7-10mm的球形颗粒占所述球形颗粒总数量50％。
需要说明的是，作为优选的实施方式，上述实施例1-4中的净化材料在制备时，均采用湖泊沉积物浆液作为粘合剂浆液，这样设置的优点在于更加适用于湖泊水质治疗，可避免向湖泊中引入外来物质，作为可选择的实施方式，所述粘合剂浆液也可采用粘土、淀粉、羟甲基纤维素中的一种或者多种与水混合制成的浆液，只要能实现粉体颗粒在投放前的临时成型即可。
实验例
为证明本发明制备得到的净化材料的技术效果。特设置本实验例对净化材料的净化效果进行验证。具体实验方法为：设置实验箱进行实验，所述实验箱宽2米、长3米、高1米；将湖泊沉积物原样铺设在实验箱内，湖泊沉积物在箱底的铺设厚度为20cm，模拟湖泊治理区域；在湖泊沉积物层的上方添加上覆水，上覆水采用纯净水，上覆水的深度为60cm。每组实验例设两个平行实验，数据取平均值。
实验例1
将实施例1制备得到的所述第一净化材料搅拌均匀后投入试验箱，共计投加30kg，第一净化材料的投加量与所述湖泊治理区域的面积之比为5kg/m3。
实施例2
将实施例1中制备得到的所述第一净化材料投入实验箱，共计投加30kg，所述第一净化材料的投加量与所述湖泊治理区域的面积之比为5kg/m3。本实施例中投加所述第一净化材料时，先投加粒径为2-4mm的第一净化材料，再投加粒径为4-6mm的第一净化材料，所述粒径为4-6mm的第一净化材料覆盖在所述粒径为2-4mm的第一净化材料的上方。
实验例3
将实施例2中制备得到的所述第二净化材料搅拌均匀后投入实验箱，共计投加60kg，所述第二净化材料的投加量与所述湖泊治理区域的面积之比为10kg/m3。完成第二净化材料的投加后，将所述第一净化材料搅拌均匀后投入所述实验箱内，覆盖在所述第二净化材料上方，所述第一净化材料的投加量为90kg/m3，所述第一净化材料的投加量与所述湖泊治理区域的面积之比为15kg/m3。
实验例4
将实施例3中制备得到的所述第二净化材料搅拌均匀后投入实验箱，共计投加60kg，所述第二净化材料的投加量与所述湖泊治理区域的面积之比为10kg/m2。完成第二净化材料的投加后，将所述第一净化材料搅拌均匀后投入所述实验箱内，覆盖在所述第二净化材料上方，所述第一净化材料的投加量为90kg/m2，所述第一净化材料的投加量与所述湖泊治理区域的面积之比为15kg/m2。
实验例5
将实施例4中制备得到的所述第二净化材料搅拌均匀后投入实验箱，共计投加150kg，所述第二净化材料的投加量与所述湖泊治理区域的面积之比为25kg/m3。完成第二净化材料的投加后，将所述第一净化材料搅拌均匀后投入所述实验箱内，覆盖在所述第二净化材料上方，所述第一净化材料的投加量为90kg/m3，所述第一净化材料的投加量与所述湖泊治理区域的面积之比为15kg/m3。
此外，还设置空白对比例，所述空白对比例的实验箱不放置任何净化材料。
将上述实验例1～5和空白对比例中的实验箱在25℃的恒温环境中放置7天，并在第1、4、7、14、21、35d时对上述实验箱中上覆水磷浓度进行测定，测定方法采用磷目钪-紫外分光光度计法，各组上覆水磷含量(mg/l)的结果如表1所示：
由上述实验结果可知，本发明制备得到的净化材料可有效吸附湖泊沉积物释放的磷污染物，从而净化水质。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求为准。