专利名称：一种原位快速清除湖泛的方法
技术领域：
本发明涉及一种借助生态安全、易生物降解的天然材料原位快速清除湖泊与河道内大面积湖泛的方法。本发明是属于水环境污染治理领域。
背景技术：
“湖泛”(亦称黑水团或污水团)是指湖泊富营养化水体在藻类大量暴发、积聚和死亡后，在适宜的气象、水文条件下，与底泥中的有机物在缺氧和厌氧条件下产生生化反应，释放硫化物、甲烷和二甲基三硫等硫醚类物质，形成褐黑色伴有恶臭的“黑水团”，从而导致水体水质迅速恶化、生态系统受到严重破坏的现象。“湖泛”主要是水体富营养化的结果，它的产生是由多个因素诱导1)蓝藻大规模暴发并堆积、死亡；幻湖底有高有机质的底泥存在；；3)水温较高、风力较小、气压较低，不利于水体复氧。这个过程即蓝藻暴发后一旦受到外源物质、高有机质底泥和气候突变等因素影响，蓝藻自然生长过程中新老交替的平衡被突然打破，蓝藻大量堆积、死亡，下沉并分解，耗尽水中溶解氧，使得水一底泥界面进入厌氧状态，高有机质底泥和死亡藻类二者共同作用，在厌氧条件下产生挥化性硫化物、二甲基三硫等硫醚类物质，挥发性硫化物与底泥中的重金属化合而形成致黑物质，在吸附凝聚过程中受湖泊风浪及水动力条件影响，悬浮而成“黑水团”。所以，“黑水团”的主要污染物是挥发性溶解态异味物质、胶体态和颗粒态营养盐以及再悬浮底泥的混合物。目前，国家工业化迅猛崛起，农业生产方式发生较大变化、人口大量聚集，生活水平日益提高，但是环境保护却相对滞后，这给水环境带来严重的影响。自20世纪90年代起， 太湖湖西水域、梅梁湖、贡湖曾多次出现“湖泛”现象，据实测记录，2007年以前共发生过5 次“湖泛”现象。2007年4月以来，太湖流域高温少雨，太湖水位偏低，5月底部分水域大规模暴发蓝藻，无锡南泉水厂附近出现“湖泛”，严重影响到无锡市太湖饮用水水源地，造成无锡市的供水危机，使无锡市近200万人口的生活受到影响。2008年5月沈日太湖无锡宜兴近岸水域又出现了 “湖泛”，最大面积达17km2。2009年太湖共发生过11次“湖泛”，严重危害了当地的水生态系统。可见，“湖泛”易于在以下水域中发生1)入湖河道较多且污染物排放量较大的区域；幻湖体淤泥和流泥分布较厚；幻藻类易聚集的区域；4)湖区水流不畅的湖湾力)历史上经常发生“湖泛”的区域。针对“湖泛”的特点，目前，治理“湖泛”的方法主要有蓝藻打捞、生态清淤工程、 控源截污和调水工程。蓝藻打捞可以直接减少水中的氮、磷营养盐，避免蓝藻堆积，降低湖泊富营养化程度，但是由于蓝藻打捞需要大量的人力、物力投入，而且打捞起来的蓝藻亟需无害化和资源化处理，否则又会造成陆地环境的二次污染，所以对于大面积突发性“湖泛” 事件，很难起到快速应急的效果。实施生态清淤工程，不仅可以清除湖体内源污染物，还能降低底泥中氮、磷的释放，可以有效改善水质和底质，但是清淤工程需要大量资金和设备投入，而且清淤扰乱了底泥中原有食物网的生态结构，对底栖水生生物和微生物群落有可能造成毁灭性的破坏，所以该方法一般慎用，这就限制了它的大规模多水域的推广使用。控源截污的方法是一种外源污染控制方法，可以严格控制入湖河道的污染物排放量，长期坚持，必将有利于湖泊的休养生息，但是，对于短期应急治理，该方法很难起到立竿见影的效果。 调水工程，从战略上考虑，可以为湖泊注入清洁水源，加快水体流动和换水周期，从而提高水体自净能力和环境容量，但是，该方法涉及多方面环境和生态隐患，需要投入大量人力、 物力和资金，并要做好长期的战略准备，而且对于生态系统的影响仍需进行长期评估，所以，在面对突发“湖泛”事件时，该方法也无法解燃眉之急。近年来，在湖泊污染物治理方面， 本发明人提出了一系列方法。在国际上，首先将改性粘土除藻技术(英国专利GB2337749; CN1417136 ；CN1418825)应用到淡水水华治理问题，使得当地土壤治理当地水成为可能 (Pan,G. . et al. ,Environmental Pollution 2006，连续三篇系列论文)。但是，粘土除藻技术只能够絮凝沉降聚集的藻体，却无法消除溶解态的异味污染物，而且也无法阻止底泥的再悬浮，解决不了随之的二次污染问题，为此，潘纲等又相继提出了改性粘土增氧固磷技术 (CN200310113305. 5 ；CN200510063410. 1)，和利用纳米气泡修复湖泊和厌氧底泥(申请号 200910080563. 5)以及大面积消除异味物质的方法(申请号201010104189. 0)；既降低了沉积物的磷释放量，又有效的改善了水一泥界面的厌氧环境，并且起到了消除溶解态污染物的作用，但是，固磷技术和纳米气泡技术都主要针对水一泥界面的厌氧和溶解态污染物， 无法同时清除胶态和颗粒态污染物。2005年潘纲等又提出过快速清除水华并将藻华在水底转化成为沉水植被的方法(CN1769198A)，并申请了国际专利，这虽然起到了改善了水质，避免了藻华再次泛起和底泥二次污染问题，促进沉水植被恢复的目的，但是沉水植物恢复毕竟需要相当长的时间，从“湖泛”应急角度出发，该方法仍无法解燃眉之急。因此，寻找一种经济、安全、快速高效，能够大面积原位清除“湖泛”中溶解态污染物、胶态和颗粒态污染物， 并防止底质再悬浮的技术已经成为应对太湖“湖泛”的紧急事件和治理太湖富营养化亟需解决的关键问题，然而，目前，国内外还未见相关专利技术有所报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原位快速清除湖泛的方法，具体的说，是针对“湖泛” 污染物的特点，采用“三步”清除法，第一步将天然高分子絮凝剂喷洒到“湖泛”水域，快速絮凝沉降水域中的胶态和颗粒态污染物，第二步使天然粘土矿物负载上纳米气泡，高效去除“湖泛”水域中的溶解态污染物，并逆转底泥厌氧状态，第三步向“湖泛”水域铺撒天然沙石来防止污染物和底泥再次泛起形成二次污染，这样可以原位快速高效清除“湖泛”，为应对湖泊、河道或者水库内突发性“湖泛”事件提供了解决方法。根据本发明的一个方面，所述的清除方法，其特征在于，第一步用天然高分子絮凝剂快速絮凝沉降悬浮的胶态和颗粒态污染物，使水澄清，第二步利用纳米气泡高效清除水中的溶解态污染物并逆转底泥厌氧状态，第三步铺撒天然沙石才能起到防止污染物和底泥悬浮的作用，三个步骤操作有先后，联合使用，才能起到彻底清除“湖泛”的目的。所述的第一步骤中使用的天然高分子絮凝剂，其特征在于，均为天然高分子聚合物，为甲壳素及其衍生物、壳聚糖及其衍生物、黄原胶等天然微生物絮凝剂中的一种或几种，有高效絮凝胶态和颗粒态污染物的作用，而且生态安全，易生物降解，不会污染水环境。所述的第二步骤中使用的天然粘土矿物，其特征在于，选自湖泊周围未污染的原位土壤，或者与湖泊底质相近的粘土矿物，如伊利石、蒙脱土、凹凸棒石、膨润土、高岭土、海泡石、硅藻土、沸石、陶土、瓷土、白泥等粘土矿物中的一种或者几种，价廉易得，生态安全，不会影响水环境。所述的天然高分子絮凝剂和天然粘土矿物的投加量，其特征在于，二者先后分别的投加量在1 50mg/l时，藻细胞的去除率可达50. 0% 99. 0%，与相同投加量的化学絮凝剂相比，本发明具有使用量小，絮凝效果好，见效快等特点，二者比例可视具体情况而定， 比例范围 1 1-1 50 (v/m) ο所述的第二步骤中使用的纳米气泡，其特征在于，可以是臭氧纳米气泡、氧气纳米气泡或者空气纳米气泡，纳米气泡具有粒径小，比表面积大，活性高的特点，可高效去除水中的溶解态污染物。所述的纳米气泡的负载方式，其特征在于，通过超声或者纳米气泡发生装置产生纳米气泡使其直接负载到天然粘土矿物的固体颗粒的多孔结构中，通过固体颗粒物的吸附夹载作用，纳米气泡可以稳定地随固体颗粒被带入到水体和底质中，由于温度、压力和溶解氧等条件的变化，再缓慢向水体和底质中释放氧，从而提高氧含量和氧化还原电位，逆转底泥厌氧状态。所述的第三步骤中使用的天然沙石，其特征在于，来源于天然河道、沙滩、沙漠，为河沙、海沙、石英砂、汐砂、钙质砂以及砂质土壤的一种或几种。天然沙石比重大，水气通透性好，生态安全，具备良好的覆盖底质、防止絮体再悬浮的效果。所述的第一步骤中的喷洒和第三步骤中的铺撒的方式，其特征在于，根据“湖泛” 水域的面积大小，可通过人工手动实施，或者喷洒船、飞机等机械装置实施的方式，在“湖泛”黑水团出现的时候，首先喷洒天然高分子絮凝剂絮凝胶态和颗粒态污染物，然后喷洒负载了纳米气泡的天然粘土矿物去除溶解态污染物，最后再铺撒天然沙石，覆盖沉降的絮体， 防止由于风浪扰动、船只行走等原因造成絮体和底泥的再悬浮，从而引发水体的二次污染。根据本发明的另一方面，提供了一种原位快速清除湖泛的方法，其特征在于，利用生态安全，价廉易得的天然高分子絮凝剂、负载上纳米气泡的天然粘土矿物先后去除“湖泛”黑水团中的胶态和颗粒态污染物、溶解态污染物，最后通过覆盖天然沙石防止了絮体和底泥的再悬浮从而避免了水体的二次污染问题。该发明通过三步联合的清除办法能够经济、安全、快速高效地大面积原位清除“湖泛”，该发明为应对湖泊、河道或者水库内突发性 “湖泛”事件提供了快速高效的解决途径。
图1为天然高分子絮凝剂壳聚糖对“湖泛”现场水样的絮凝效果图2为臭氧纳米气泡去除“湖泛”现场水样中的溶解态污染物(二甲基三硫和二甲基异茨醇)效果图3为海沙和土壤覆盖污染物抑制再悬浮效果的对比
具体实施例方式下面通过实施例对本发明所述的技术给予进一步详细的说明。实施例1天然高分子絮凝剂对“湖泛”的絮凝效果实验针对取自无锡太湖的喇叭口“湖泛”现场的湖水，利用10mg/L壳聚糖(终浓度)去除“湖泛”水样中的悬浮的胶态和颗粒态污染物，投加壳聚糖后立即搅拌20min分钟，絮体沉降，眼见黑水变清，如图所示，5号和6号水样在处理后明显比1号对照水样澄清，悬浮的黑色污染物都变为絮体沉降在烧杯底部。实施例2纳米气泡去除“湖泛”的溶解态污染物效果实验针对无锡太湖的喇叭口“湖泛”现场湖水，采用实例1的方法先快速大面积清除了湖泛区1号和2号围隔内的胶态和颗粒态污染物，然后，采用过180目筛的无锡太湖十八湾沿岸的清洁土壤，用清水将其配成悬浊液，用臭氧发生器对悬浊液曝臭氧30min，然后超声 3min，再将负载上臭氧纳米气泡的土壤溶液喷洒于湖泛区围隔内，喷洒前后湖泛区溶解态污染物二甲基三硫和二甲基异茨醇的含量变化如图2所示，污染物的含量有大幅度下降， 二甲基三硫的去除率大于75%，二甲基异茨醇的去除率大于58%。实施例3天然沙石抑制再悬浮效果实验选取无锡太湖十八湾沿岸的清洁土壤和黄海烟台海岸的岸沙作为覆盖材料，在太阳照射下自然风干，然后碾碎研磨，过180目筛网以备用，针对取自无锡太湖的喇叭口“湖泛”现场的湖水，先如实例1所述的方法絮凝沉降水样中的胶态和颗粒态污染物，然后再如实例2中的方法去除水样中的溶解态污染物，静置Ih之后，再用土壤和沙子分别覆盖5号和6号水样的黑色絮体，铺撒均勻，令材料的铺撒厚度达到1cm，而对照水样的黑色絮体上不覆盖任何材料，静置Ih后，上清液澄清，然后以40，60，80和100转/分钟的转速分别搅拌5号，6号和对照样品的上清液，抑制再悬浮效果如图3所示，在40转/分钟时，5号和 6号水样的上清液仍然澄清，对照水样上清液稍有颗粒物悬浮，从60转/分钟起，5号和对照水样的上清液不再澄清，底质开始泛起，转速越高泛起越严重，而6号样品由于铺撒了沙子，在60和80转/分钟时上清液均保持澄清，直到100转/分钟，上清液才稍有细沙泛起。 可见，天然沙石的抑制再悬浮效果更加卓越。
权利要求
1.一种原位快速清除湖泛的方法，其特征在于，针对“湖泛”污染物的特点，采用“三步” 清除法，第一步将天然高分子絮凝剂喷洒到“湖泛”水域，快速絮凝沉降水域中的胶态和颗粒态污染物，第二步使天然粘土矿物负载上纳米气泡，高效去除“湖泛”水域中的溶解态污染物，并逆转底泥厌氧状态，第三步向“湖泛”水域铺撒天然沙石防止污染物和底泥再次泛起形成二次污染，才能起到彻底清除“湖泛”的目的。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一步骤中使用的天然高分子絮凝剂均为天然高分子聚合物，为甲壳素及其衍生物、壳聚糖及其衍生物、黄原胶等天然微生物絮凝剂中的一种或几种。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第二步骤中使用的天然粘土矿物选自湖泊周围未污染的原位土壤，或者与湖泊底质相近的粘土矿物中的一种或者几种。
4.如权利要求1，3和4所述的方法，其特征在于，所述的天然高分子絮凝剂和天然粘土矿物的投加量分别在1 50mg/l时，藻细胞的去除率可达50. 0% 99. 0%，二者比例可视具体情况而定，比例范围1 1-1 50 (v/m) 0
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第二步骤中使用的纳米气泡是臭氧纳米气泡、氧气纳米气泡或者空气纳米气泡。
6.如权利要求1和6所述的方法，其特征在于，所述的纳米气泡的负载方式是通过超声或者纳米气泡发生装置产生纳米气泡使其直接负载到天然粘土矿物的固体颗粒的多孔结构中。通过固体颗粒物的吸附夹载作用，纳米气泡可以被稳定地带入到水体和底质中。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第三步骤中使用的天然沙石来源于天然河道、沙滩、沙漠，为河沙、海沙、石英砂、汐砂、钙质砂以及砂质土壤的一种或几种。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一步骤中的喷洒和第三步骤中的铺撒的方式是根据“湖泛”水域的面积大小，可通过人工手动实施，或者喷洒船、飞机等机械装置实施。
全文摘要
本发明提供了一种原位快速清除湖泛的方法，该方法采用“三步”清除法，针对湖泛污染物的特点，第一步使用天然高分子絮凝剂快速絮凝沉降湖泛水域中的胶态和颗粒态污染物，第二步使用天然粘土矿物负载上纳米气泡，高效去除湖泛水域中的溶解态污染物，并逆转底泥厌氧状态，第三步向湖泛水域铺撒天然沙石来防止污染物和底泥再次泛起形成二次污染。该发明能够经济、安全、快速高效地大面积原位清除湖泛，可用于湖泊、河道或者水库的湖泛的应急治理。
文档编号C02F1/56GK102408164SQ20101028817
公开日2012年4月11日 申请日期2010年9月21日 优先权日2010年9月21日
发明者李巧霞, 李梁, 潘纲, 王丹 申请人:中国科学院生态环境研究中心