富营养化水体底泥掩蔽修复方法

专利名称：富营养化水体底泥掩蔽修复方法
技术领域：
本申请涉及一种环境治理方法，具体涉及一种富营养化水体底泥掩蔽修 复方法。发明是根据国家重点实验室重点项目"滇池流域水土资源和生态环境的综合调查研究"(编号005301 )、国家自然科学基金项目"滇池流域土 壤侵蚀和沉积泥沙来源的同位素示踪研究"(编号40473052)和云南省环 境保护局科技发展计划项目"滇池蓝藻休眠期的除藻技术原理和应用装置研 究"选题进行研究的。
背景技术：
随着工农业的迅速发展和城市化进程和开发活动的加快，工农业生产废 水和城镇生活污水排放总量的不断增加，而污水处理率未能同步增长，使水 体的纳污负荷越来越大，水污染范围不断扩大。20世纪50年代以来，在一 些农业和城镇高度发达、人类活动频繁的地区，水域环境容量越来越小，污 染程度日益严重。在水资源日益匮乏的今天，水质因污染而不断恶化的趋势 并未从根本上得到扭转，城区内及近郊江河、湖库等相关水体的环境状况越 来越差，普遍存在泥沙淤积、水质污染(有机污染、重金属污染)、沼泽化、 盐化、富营养化、酸化和由此引起的水面退缩和生态环境恶化等八大生态环 境问题，并日趋严重。若干水体因污染而降低或丧失了水资源、生态7jOf介值 和水文功能，水资源更加短缺，已严重危及人类的生产和生活。在湖泊水生 态环境的各种污染问题中，水体富营养化(Eutrophication)是发生最普遍、危
害最大的突出问题之一，影响和制约着经济社会的协调发展，已成为当今世界面临的最严重的主要环境问题之一，而越来越引起人们的高度重视。水体的纳污量越大，水体和底泥中污染物急剧积累，营养盐浓度越来越高，湖泊 富营养化曰趋严重。
目前，有关问题的解决也已成为当务之急，也是防止湖泊环境质量持续恶化和彻底解决问题的研究焦点。
例如，滇池是一个典型的浅水型城郊湖泊。多年来，采取了一系列措施进行治理，点源、面源等外源性污染负荷逐渐得到控制，但漆池水域的富营养化和污染进程一直呈上升趋势。近期全湖实测数据显示，滇池及池塘水体碱化严重，pH值已普遍达9.1 9.5。目前，全湖已达重富营养一异常营养状态，并以每年4 6月至8~10月最为严重，水质为V类 劣V类，底泥中含 有较高的N、 P和As、 Hg、 Cr等(杨文龙等，1998;柘元蒙，2002;田升 平等，2002;陆轶峰等，2003;陈永川等，2005)。
以前将土土或同类材料用于废水或污水处理时，往往是让水经过土体， 达到去污的效果，虽有成功的实例，但这类方法只适合于小规模的污水处理，很难胜任大面积湖水的处理。而对于富营养化的湖泊，如太湖、巢湖、漆池等， 一次的换水(如果可能)是很难达到治理目的的，因为大量的氮、磷还会从沉积物中释放。
底泥掩蔽是在污染底泥上放置一层或多层覆盖物，使底泥与水体隔离， 防止底泥污染物向水体迁移的一种原位固定技术，常用的覆盖物有洁净的泥土、沙土、砾石、铝盐、铁盐及人造地基材料等。大量试验表明，掩蔽能有效防止底泥中营养盐、PAH、 PCBs及重金属进入水体而造成二次污染，对水
质有明显改善作用。其优势在于成本低、适用范围广、环境潜在危害小、不增加水深即可为水生植被的修复提供优质的生长环境等，而且适宜于水体pH 值较高(大于9.0)时沉积物氧化和化学沉淀等不能抑制内源磷释放的情形。 但对投放覆盖物质的种类、数量及其效果却鲜有细致的研究数据。同时，目 前对水污染问题的研究往往较多地停留在室内静态模拟实验，反映的只是短 期效应和某些特定条件的结果。而实际上水体富营养化一个较为緩慢而极为 复杂的过程。因此，目前特别需要室内模拟分析与现场试验检测相结合，在 综合考虑各种因素变化的前提下，对处理条件下对底泥营养盐释放的长期效 应进行研究，结果才更具现实意义。而现有技术中尚未有这类研究成果。

发明内容
针对现有技术的上述问题，本发明的目的是提供一种富营养化水体底泥 掩蔽修复方法，该方法是以室内模拟分析与现场试验;险测相结合，在综合考 虑各种因素变化的前提下，对处理条件下对底泥营养盐释放的长期效应进行 研究得到的 一整套方法，应用该方法可以达到用简单的步骤和少量的资源达 到在一定程度上根治水体富营养化和藻华爆发的目的。
完成上述发明任务的技术方案是 一种富营养化水体底泥掩蔽修复方 法，步骤如下
(1) 、掩蔽材料的选取，所述的掩蔽材料采用粘土；
(2) 、掩蔽材料和添加剂的预处理粉碎后全部过300目筛，并经200℃烘 干3h，置于千燥器中备用；
(3) 、将预处理过的掩蔽材料中添加适量的添加剂；
(4) 、将步骤(3)得到的掩蔽材料直接施入湖泊水体；
(5) 、对掩蔽效果的测试；
(6) 、根据步骤(5)的测试结果调整掩蔽材料的加入量，并调整添加剂种类 或数量。
以上作为掩蔽材料的粘土，优选红土；试验用红土取自昆明市松华坝水 库水源地保护区内，未遭受耕种和人为污染影响。取样时从地表向下刻槽至 5m深处。
所述的掩蔽材料的预处理是指粉碎后全部过300目筛，并经200。C烘干 3h,置于干燥器中备用。
所述的适量的添加剂是指加入粉煤灰或石灰粉，或两者的混合物；加入 的比例为粉煤灰掩蔽材料重量的5 20%;石灰粉掩蔽材料重量的0~8%;
所述的掩蔽材料直接施入湖泊水体，掩蔽材料的量为0.25 0.5g/平方米湖 泊水面。
本发明有以下优化方案
A、 在步骤④之前增加以下步骤
(4)-1对要实施处理的水域，先进行分区围拦或抛石，在水体底泥上部形 成一定的隔障，提升水体回流界面，在水体下部构筑一个水动力条件相对平 静的环境；
B、 在第(4〉步骤之后增加以下步骤
(4)-3为使所形成覆盖层的稳定，可在覆盖层上用不同粒径的砾石或卵石 压覆，其厚度应视情况而定，应尽量薄(0.5 2cm)。
分别增加步骤(4)-1后，或增加(4)-3后，或同时增加步骤(4)-l与(4)-3后， 原来的步骤(4)可以仍然称为步骤(4),也可以称为步骤(4)-2。
C、 步骤(4)的投加办法是撒播， 一次进行。
D、 本发明的实施时间应选在藻类生物休眠期为优。
本发明的方案实际上是底泥封闭和底泥覆盖两种技术的复合，具备两者 的优势，本发明的掩蔽材料一方面能去除水体中的氮、磷等营养盐和藻类生 物，另一方面能在沉积底泥表面形成一层薄膜，防止污染物再悬浮或迁移， 将污染底泥与底栖生物(藻类等)物理性地分开，同时也从而阻挡沉积物中 氮、磷等营养盐的释放和藻类生物及其孵化细胞的上浮生长通道，从而达到 消除藻类污染的目的。
本发明的修复技术具有以下优势技术工艺不复杂，可操作性强；材料 易得，可就地取材，价格低廉，经济适用，适合大面积推广；虽然处理工艺 和设备看似简单，但核心技术有创新，治理技术指标高，能达到"一箭双雕" 甚至多目标修复的效果；修复过程中及其以后，不能危害生态系统安全，底 泥结构被改善和优化；管理方便；还可与其它修复方法技术结合进行等。
更具体地说，本发明的良好效果有
(1 )用天然矿物材料作为掩蔽层来控制富营养化湖库底泥内负荷源释 放的效果良好，对氮、藻类也表现出较好的处理效率，各试桶水体的富营养 化趋势已显著变低。其中，红土是有效的底泥覆盖材料，可有效吸附上覆水 体中TP、 TN和抑制藻类等浮游生物的生长繁殖，但对TN的控制效果略低 于TP。且红土用量不是越多越好，其影响作用值得进一步探讨。
(2)添加粉煤灰和石灰粉有助于消减底泥中TP、 TN的内源释放量， 粉煤灰还可以明显提高其对藻类等浮游植物繁殖和藻类、藻细胞及其胚胎的 上浮生长的控制效率，最终达到消除藻类和富营养化的目的。从试验结果看，
红土添加粉煤灰除可有效去除水中TN、 TP外，对叶绿素a的去除率最高， 控制富营养化效果最佳。
(3) 经检测，所选用的红土、粉煤灰、石灰粉较安全，不会污染待修 复水体。实验结果证实，在一定用量条件下添加石灰粉不仅不会造成水体pH 值的明显升高，而且对磷的控制效果好。
(4) 在利用试桶所作的效果模拟实验中，试桶内的相对静水环境使水 体表现出一定的自净能力和不稳定性，试桶内、外水体的理化环境存在一定 的差异，但总体上二者仍具有较强的可比性，适合于作已经过模拟实验，结 果实用价值高。
(5) 在实际实施底泥掩蔽技术过程中，应首选源头区和富营养化及底 泥污染严重的区域，并分区分步骤进行，最好先从水动力条件较弱的相对平 静水域着手，然后再向外围推进。为阻断湖水回流对覆盖层及底泥的扰动， 可对要实施处理的水域，先进行分区围拦或抛石，在水体底泥上部形成一定 的隔障，提升水体回流界面，在水体下部构筑一个水动力条件相对平静的环 境。同时，为使所形成覆盖层的稳定，可在其上用不同粒径的砾石或卵石压 覆，其厚度应视情况而定，应尽量薄。另外，实施时间应选在藻类生物休眠 期开始为优。
(6) 本方法还存在需要大量的清洁覆盖物、工程量大、降低水体有效 深度和库容、受水体动力条件影响甚至会发生化学作用，应与其它内外源污 染控制技术结合使用等问题，但其利用廉价易取的天然红土和工业废物、环 境效益高、施工简便的优势显著，既达到了水体修复效果良好的目的，又以 废治废，经完善后，有望成为一套富营养化水体及底泥修复的可行技术。
本发明与现有技术的覆盖方案有本质的差异。以前将土壤或同类材料用于废水或污水时，往往是让水经过土壤或直4^:撒少量的改性黏土矿物，达 到去污的效杲，这类方法适合于小规模的污水处理，也取得一定的成功，但 难以胜任大面积湖水的处理。同时，对于富营养化的湖泊，例如漆池， 一次 的换水(如果可能)是不可能达到治理目的的，因为沉积物中大量的氟磷还会 释放。因此，本次选取适宜的时间，将红土并添加适量的辅助材料直接施入 湖泊水体， 一方面能去除水体中的氮、磷等营养盐，同时能在底泥表面形成 一层薄膜，以阻挡沉积物中氮、磷等营养盐的释放和藻类生物上浮繁殖，从 而达到治理的目的。


图l为底泥掩蔽覆盖试验示意图2为试验研究的总体技术路线；
图3-1、 3-2为试验用红土；
图4为供试红土样品对磷的等温吸附曲线；
图5为红土加入量对水体磷浓度的影响曲线；
图6为不同浓度条件下红土对水体磷浓度影响的柱状图7为震荡强度对溶液磷浓度的影响曲线；
图8为震荡时间对溶液磷浓度的影响曲线；
图9为不同pH值条件红土对溶液磷吸附的变化曲线；
图10为砾石或卵石压覆结构示意图。
具体实施例方式
实施例1，参照图2，昆明溪池富营养化水体底泥掩蔽修复方法，经实 地考查和优选，本次选定野外现场修复场地为紧靠溪池东岸的邻湖水塘内， 位于昆明市呈贡县斗南镇梅子村西lkm处。
方法与过程
(1) 、掩蔽材料的选取
优选本地红土，红土是于2002年10月分别采自云南省昆明市松华坝水 库库区东侧(25。07W, 102。39'E)和昆明白泥山内(参照图3-1、 3-2)，均 为未遭受人为扰动的自然风化红土。取样时从地表向下刻槽至5m深处。
(2) 、掩蔽材料的预处理粉碎后混匀，样品全部风干(含水量为3.5%) 后，过20目，再细磨过200目筛，并经200。C烘干3h,置于干燥器中备用。
(3) 、采用粉煤灰和市售石灰粉，作为添加剂
粉煤灰为取自昆明电厂(昆电实业总公司)千灰库内的一级灰，即300 目(45pm)剩余量小于12%。石灰粉是市场销售的石灰粉。
将预处理过的掩蔽材料中添加粉煤灰与石灰粉的混合物；加入的比例为 粉煤灰(5 20%)，石灰粉(0~8%);用于调节水体、底泥及底泥一水界面 的pH值和渗透性能等物化环境；
(4) -1对要实施处理的水域，先进行分区围拦或抛石，在水体底泥上部形 成一定的隔障，提升水体回流界面，在水体下部构筑一个水动力条件相对平 静的环境；
(4)-2、将步骤(3)得到的掩蔽材料直接施入湖泊水体；投加办法是撒播, 一次进行，掩蔽材料的量为0.25 0.5g/平方米湖泊水面。
(4) -3为使所形成覆盖层2的稳定，可在图l的水体l、覆盖层2与底泥(沉 积层)3的结构上，增加以下结构用不同粒径的对、石或卵石对覆盖层2压覆， 其厚度应视情况而定，应尽量薄(0.5~2cm)。参照图10:形成水体l以下， 沉积层3以上的卵石层4、沙砾层5与覆盖层2。
(5) 、对掩蔽效果的测试-.
1) 水质富营养化指标定时检测；
2) 藻产量和宏观效果检测；
3) 底泥结构和pH值状况；
4) 底泥渗透性的改善情况；
5) 土壤修复的成本、费用估算；
6) 修复周期、期限估算等。
各指标所选用的测定方法均为国家标准方法或国际通用方法(表2-2 )。 除少量样品分析在云南省环境科学研究院进行外，绝大部分样品分析均是在 云南农业大学农化分析实验室完成的。
结果参照图4 图9。
(6) 、根据步骤(5)的测试结果调整掩蔽材料的加入量，并调整试剂种类。
权利要求
1、一种富营养化水体底泥掩蔽修复方法，其特征在于，步骤如下(1)、掩蔽材料的选取，所述的掩蔽材料采用粘土；(2)、掩蔽材料和添加剂的预处理粉碎后全部过300目筛，并经200℃烘干3h，置于干燥器中备用；(3)、将预处理过的掩蔽材料中添加适量的添加剂；(4)、将步骤(3)得到的掩蔽材料直接施入湖泊水体；(5)、对掩蔽效果的测试；(6)、根据步骤(5)的测试结果调整掩蔽材料的加入量，并调整添加剂种类或数量。
2、 根据权利要求l所述的富营养化7jc体底泥掩蔽修复方法，其特征在于， 所述的粘土选用红土；所述的掩蔽材料的预处理是指粉碎后全部过300目筛，并经200。C烘干 3h，置于干燥器中备用；所述的适量的添加剂是指加入粉煤灰或石灰粉，或两者的混合物；加入 的比例为粉煤灰掩蔽材料重量的5~20%;石灰粉掩蔽材料重量的0~8%;所述的掩蔽材料直接施入湖泊水体，掩蔽材料的量为0.25 0.5g/平方米湖 泊水面。
3、 根据权利要求2所述的富营养化水体底泥掩蔽修复方法，其特征在于， 在步骤(4)之前增加有以下步骤(4)-1对要实施处理的水域，先进行分区围拦或抛石，在水体底泥上部形 成一定的隔障，提升水体回流界面，在水体下部构筑一个水动力条件相 对平静的环境。
4、 根据权利要求2所述的富营养化水体底泥掩蔽修复方法，其特征在于， 在第(4)步骤之后增加以下步骤(4)-3为使所形成覆盖层的稳定，可在覆盖层上用不同粒径的砾石或卵石 压覆，其厚度为0.5 2cm。
5、 根据权利要求2所述的富营养化水体底泥掩蔽修复方法，其特征在于， 步骤(4)的投加办法是撒播， 一次进行。
6、 根据权利要求1 5之一所述的富营养化水体底泥掩蔽修复方法，其特 征在于，所述的底泥掩蔽修复方法的实施时间选在藻类生物休眠期。
全文摘要
富营养化水体底泥掩蔽修复方法，步骤如下(1)、掩蔽材料的选取，所述的掩蔽材料采用粘土；(2)、掩蔽材料和添加剂的预处理粉碎后全部过300目筛，并经200℃烘干3h，置于干燥器中备用；(3)、将预处理过的掩蔽材料中添加适量的添加剂；(4)、将步骤(3)得到的掩蔽材料直接施入湖泊水体；(5)、对掩蔽效果的测试；(6)、根据步骤(5)的测试结果调整掩蔽材料的加入量，并调整添加剂种类或数量。本发明与现有技术的覆盖方案有本质的差异。本发明选取适宜的时间，将红土和辅助材料直接施入湖泊水体，一方面能去除水体中的氮、磷等营养盐，同时能在底泥表面形成一层薄膜，以阻挡沉积物中氮、磷等营养盐的释放和藻类生物上浮繁殖，从而达到治理的目的。
文档编号C02F1/00GK101200315SQ20071019119
公开日2008年6月18日 申请日期2007年12月11日 优先权日2007年12月11日
发明者浩 杨 申请人:南京师范大学