缺氧水体的修复和/或恢复的制作方法

本申请涉及在修复和/或恢复缺氧水体中使用硝酸钙[Ca(NO3)2]溶液的技术领域。缺氧水体一般被定义为“溶解氧耗竭并且呈较严重的缺氧状态(低氧状态)的海水、淡水或地下水的区域”。美国地质调查局(US Geological Survey)将缺氧水体定义为每升的溶解氧浓度低于0.5毫克的水体。

根据本申请的缺氧水体包括平静水体和热分层水体，如热分层河流、池塘、湖泊等的底部。本申请中设想的特定缺氧水体为包含于水体底部的淤泥或沉积物层中的水，该水体可为热分层的或可不为热分层的。池塘一般为“通常小于湖泊的自然或人工静止水体”。水体的热分层是指水体的不同深度处温度会有所变化，并且归因于水密度随温度的变化。使氧气从大气扩散到水中并处于水中是相对较为缓慢的过程。使溶解氧经分布以与大气的氧气平衡需要对水进行湍流混合。氧气在热分层水体的水中的后续分布受多种溶解性条件、流体动力学、光合作用的输入以及化学和代谢氧化作用(伴随获得氧气的化合物的过程)的损耗控制。在夏季分层期间，水柱下部中的水温要低于上部水。换句话说，水柱的这一下部通常为热分层地表水的最深的缺氧水体。这一底部水体被称为均温层。其为热分层水体的“深水”。换句话说，均温层为热分层水体中的水的密度大的底层。均温层为位于斜温层下方的层。热分层湖泊中的斜温层，也被称为温跃层，一般已知为“大型流体(例如水，如海洋或湖泊；或空气，如大气)中的薄的，但截然不同的层，其中与上方或下方的层中的温度变化相比，温度随深度变化更快”。变温层为热分层水体中的最顶层，出现在较深的温跃层和最深的均温层的上方。与温跃层和均温层相比，其较暖并且通常具有较高pH和较高溶解氧浓度。当其暴露在地表时，其通常会由于地表风混合作用而湍流混合。其还会与大气自由交换溶解气体，如O2和CO2。

恢复一般已知为“自然资源返回到健康状态的过程”，而修复一般已知为“处理污染物(净化)以便保护人体健康和环境的过程”。

背景技术：

当前，日益增加的营养物质流入地表水，如池塘、湖泊、河流等中，其正变成世界性问题。营养物质尤其源自酸雨(具有SO2和NOx)、污水、农业和被污染的地下水。在水体的流域中(流域或汇集区为陆地的一个范围或区域，在所述范围或区域内，来自雨水、融雪或冰的所有地表水会汇聚到较低高度的单一点，通常流域的出口处，其中水会与另一水体，如河流、湖泊、水库、河口、湿地、大海或海洋结合)，有机物质产量现已显著增加，其归因于农业在流域中大量使用营养物质、工业化以及人口密度的增长。生态系统对通过尤其洗涤剂、肥料或污水将人工或天然营养物质(主要为磷酸盐)添加到水生系统中的反应称为“富营养化”，或更精确地说，称为“超营养化”。富营养水体因此为“富含矿物质和有机营养物质的促进海藻和水生植物增殖而导致溶解氧减少的水体”。

反硝化作用为异养细菌以及某些自养细菌将硝酸盐(NO3^-)转化成分子氮N2和氮氧化物(NOx)的过程，并且因此使来自水生系统的氮损失。当这些过程从所述系统提供或去除氮时，其具有影响水质和水生系统健康的可能性。存在限制反硝化作用的富营养化的潜在间接影响。举例来说，底部水(＝水体中的最下部)缺氧或淤泥或沉积层中的缺氧状态会限制硝化作用，并因此限制沉积物和底部水中的反硝化作用。了解反硝化作用程度可帮助预测水体的富营养化反应，因为经反硝化的氮很大程度上不可用于支持初级生产。

在不存在分子氧(O2)下，通过硝酸盐氧化有机物质和硫化氢(H2S)。因此，在缺氧条件下，硝酸盐提供氧化性能量代谢的可能性。通常，硝酸盐在氨(NH3)硝化或在好氧条件下，在共轭酸铵(NH4⁺)和氧气硝化期间产生。在几乎全年缺氧的水体中(包括在淤泥或沉积物中)，不可能天然产生硝酸盐并且厌氧衰变过程占优势。反硝化作用仅发生在低氧水平下，并且因此通常适用于沉积物，但其也发生在某些水体的脱氧均温层中。在富营养的分层水体，如湖泊中，N2的浓度在变温层中可能会由于温度上升时，溶解度降低而有所下降，并在均温层中由于硝酸盐(NO3^-)反硝化成亚硝酸盐(NO2^-)，进而反硝化成无机氮气(N2)而有所增加。除了在富营养水体(湖泊)的温跃层和均温层中，亚硝酸盐(NO2^-)很少积聚。除非有机物污染很高，否则水体(湖泊)中的亚硝酸盐浓度通常极低。

在富营养水体中，伴随均温层深度增加，缺氧引起氨水平增加(归因于缺乏亚硝化单胞菌(Nitrosomonas)代谢)和亚硝酸盐水平增加(归因于缺乏硝化菌(Nitrobacter)代谢)。在寡营养水体中，浓度允许氨代谢为硝酸盐，在均温层中产生低水平的亚硝酸盐和氨以及高水平的硝酸盐。当富营养水体的均温层变成厌氧的时，氨的细菌性硝化作用会停止并且NH4⁺浓度增加。

尽管仅需要少量磷，但磷为浮游植物(各种微小浮生水生植物)的较常见的生长限制元素中的一种。由于多个流域中的磷地球化学不足，并且缺乏与实现固氮相似的实现磷酸固定的任何生物学路径，因此会出现这些不足。浮游植物仅能够使用呈磷酸盐(PO4^3-)形式的磷来进行生长。在深分层水体中，磷酸盐的补充受限并且晚冬的“可用”磷的量可确定可在夏季形成的浮游植物生长的水平。海藻在春季的密集生长通常会将磷酸盐耗竭到处于地表水中的水平。因此，在夏季期间，通常使用由以浮游植物为食的动物排出的磷酸盐来进行浮游植物生长。直接的沉积物再供应在夏季对于浅水域至关重要。

生根的水生植物通常从沉积物获得大量磷并可大量释放于水中。当地表水中的磷酸盐水平较低时，浮游植物会分泌称作碱性磷酸酶的胞外酶，其能够使结合于有机分子的磷酸盐自由。由于磷酸盐(与硝酸盐相比)容易被吸附到土壤颗粒并且不会随地下水轻易移动，因此高流入量的总磷要归因于来自具有可易侵蚀的土壤的陡坡的颗粒的侵蚀。海藻在春季的密集生长通常会将湖泊磷酸盐耗竭到低水平。农业、生活废料和工业废料是可溶性磷酸盐的主要来源并且常常会导致湖泊富营养化和藻华(algal bloom)。因此，富营养化为以下过程：其中首先，水体，如湖泊的沉积物(包括其中所含的水)将变得厌氧，并且其后由于当有机物质降解时，所有氧都耗尽，深水。深水(或深底)为水体中的离岸区域，其中与更接近岸的沿岸区域相比，其水深要比日光可穿透的以支持水生植物的深度要大。

湖泊、池塘和河流的富营养化的不利和不合需要的环境影响尤其为

-因毒性H2S和硫化物导致鱼类死亡；

-由水体的沉积物产生H2S气泡，产生恶臭和有害气味；

-蓝绿藻大量繁殖；

-黑色和臭味沉积物；

-水的可见度较差。

在例如用于排放来自肥料行业的工业废水的人工池塘中，由于此类池塘曝气不足或甚至没有曝气，还可能发生高产量的硫化氢问题。

在特殊条件下，浅湖或其它静水也可能暂时缺氧。缺氧环境可例如由暴雨水污染所引起或当通过释放的有机物质来提升需氧量时，由于处于湖泊恢复措施，如去除淤泥的其它情况下引起。

因此存在恢复和修复缺氧水体的需要，并且确切地说，恢复和修复形成热分层水体，如热分层湖泊、池塘和河流的底部的缺氧水体的需要，或恢复和修复包含于水体的淤泥或沉积物层中的缺氧水体的需要。

目前，已存在多种可用于通过将营养物流入量降到最低来控制富营养化的解决方案。还存在要求减少水体中的营养物质，并且特别是磷酸盐的地表水质的EU要求(2000/60/EG)。然而，通常需要控制有机负荷、酸性盐度或具有有害物质的污染。各情况的改善方式可能会有所不同，并且在一些情况下，与用于控制富营养化所研发的技术相反。

控制富营养化的另一种解决方案是应用不同就地修复技术。“就地”处理涉及将处理改善方式应用于地表沉积物上或其中。对湖泊的就地处理也被称为“湖泊中”恢复/修复/处理技术。

均温层曝气(也被称为深水曝气)为一种就地水处理技术，其中深水的需氧量由来自大气的氧气涵盖，同时不破坏湖泊的天然分层。深水因此变得好氧，磷酸盐溶解显著减少并且沉积物的矿化得到改善。均温层曝气系统的一个实例为来自宝利通(Polycon)公司的TIBEAN^TM。TIBEAN^TM系列为由以下组成的漂浮设备

-一个或多个上游管道，在所述管道中对水曝气，同时上升；

-脱气腔室，在所述腔室中，曝气水不含气体；和

-一个或多个下游管道，在所述管道中通风，将脱气水泵送回到均温层中。

在脱气腔室中，可实施其它营养物质吸收剂和/或营养物沉淀装置。

在漂浮设备的下端处，通过喷射器将大气插入到水中。在上游管道中迫使水和氧气的混合物向上。在上游管道的端部处，使混合物流入脱气腔室中。将残余气体与含氧水分离。使气体逸出到大气中，使含氧水通过下游管道流回。出口提供进入均温层中的层流和水平流。

如上文所述的均温层曝气系统的缺陷在于氧气在水中的溶解度受限，并且因此需要连续应用和操作此类单元。这可能会损害湖泊、池塘或河流的休闲用途并且理所当然会产生永久成本。

雅苒国际有限公司(Yara International ASA)已经在销售一种称作“Limnox”的“就地”修复技术来防止湖泊中的淤泥积垢。在这一Limnox修复技术中，将硝酸钙含量为50重量％的硝酸钙溶液添加到湖泊中。应用Limnox之前，必须对湖泊进行勘测以鉴别引起问题的主要因素。取决于所需作用，将硝酸钙溶液混合到水体的部分或整个水体中或直接施加于湖泊的沉积物中。混合到水中是用于抑制蓝藻细菌的优选方法并且当用于小型浅湖中时还会产生有利作用。沉积物应用在较大、较深的湖泊中更具经济效益。提供一种梳状装置以释放Limnox，其可用于将其施加到沉积物。施加高密度Limnox，即1,5kg/l，以便在湖床上保持稳定并且甚至允许浸入沉积物。这对于被毒性物质污染的，任何干扰均不合需要的沉积物来说尤为重要。沉积物上的一层Limnox保持高氧化还原电位和磷结合。磷酸盐极具反应性并与多种阳离子，如铁相互作用以形成相对不溶性化合物，其会从水中沉淀出来，特别是在氧化条件下。因此，好氧性沉积物通常充当磷的接收体(sink)。然而，沉淀的磷化合物在厌氧条件下会变得再次可溶。由于Limnox保持磷结合，因此防止了湖泊发生自富营养化。此外，据称Limnox确保湖泊的天然分层得以维持。

Limnox的缺陷在于施加于沉积物中具有挑战性，其还会接触所述层中的所有动物和植物；以精确方式均匀施加硝酸钙水溶液为费力的；并且归因于湖泊中的水流会稀释硝酸盐溶液层并将硝酸盐输送到较高水体层中，因此硝酸钙水溶液会有所损失。

因此，目的在于提供一种简单并且可靠的恢复和/或修复缺氧水体的技术，其可为永久持续的并产生符合天然健康水的质量的水质，而不存在引起降解的压力，即具有良好生态系统健康、长期稳定性和可持续性。

在处理天然的热分层水体，如天然湖泊或池塘或河流的情况下，另一目的为当天然池塘或湖泊和河流得到恢复和/或修复时，保持这些池塘或湖泊和河流的天然分层。

技术实现要素：

本申请大体上涉及用于修复和/或恢复水体，包含缺氧水体的方法和系统。

根据第一方面，公开一种用于修复和/或恢复缺氧水体的方法，其中将硝酸钙溶液添加到缺氧水体中，并且其中所述方法包含以下步骤

-将氧饱和度百分比在50％与150％之间的水与硝酸钙溶液混合，产生混合物；并且

-将混合物泵送到水体，确切地说，缺氧水体中，

其中或直到所修复和/或所恢复的缺氧水体中的硝态氮的最终浓度在每升水1与20mg之间。具体来说，所述缺氧水体为位于地表水层下方的下伏水层。具体来说，所述水取自地表水层、下伏水层或地表水层附近的地下水源，其中将所述水，确切地说，来自下伏水层或来自地下水源的所述水与如呈大气、富氧大气或纯氧形式的氧气混合。

在特定实施例中，混合步骤包含将氧饱和度百分比在75％与125％之间，更具体来说，氧饱和度百分比在95％与105％之间的水与硝酸钙溶液混合，产生混合物。

在特定实施例中，所修复和/或所恢复的缺氧水体中的硝态氮的最终浓度在每升水1与10mg之间，更具体来说，所修复和/或所恢复的缺氧水体中的硝态氮的最终浓度为每升水1mg、每升水1.5mg、每升水2mg、每升水2.5mg、每升水3mg、每升水3.5mg、每升水4mg、每升水4.5mg或每升水5mg。

氧饱和度为水体所具有的最大持氧含量，其主要是基于水温和海拔高度。氧饱和度百分比为实际溶解氧测量结果与水的最大持氧含量之间的比率。

硝态氮为与硝酸根离子结合的氮部分。

使用硝酸钙溶液修复和/或恢复缺氧水体具有以下优点：

-负氧化还原电位变成正值，

-通过还原水体的营养状态，营养物质(主要为磷)被结合并被防止释放和再转移(再溶解)，从而产生更好的水质；

-平衡以自然方式向好氧过程转移。

通过将硝酸钙溶液与氧饱和度百分比在50％与150％之间，并且尤其为100％的水混合，硝化作用和反硝化作用的自然过程得到活化并保持为活化的。如果仅使用硝酸钙溶液，那么会引起反硝化作用降低，并且硝酸盐会减少。此外，当使用如本申请中所述的方法时，通过氧化铵离子(NH4⁺)来产生硝酸盐，通过其硝酸盐池长时间可用并且过程得到更好的缓冲。

此外，施用硝酸钙溶液对水生系统没有毒性，因为用于处理水体的组分为天然的。

而且，硝酸钙溶液对磷的沉淀以及均温层中的氧气的可用量具有组合有利作用。

由于添加硝酸钙溶液为具有成本效益的措施，因此可在数个时间段期间，例如在数个夏季停滞期期间以连续措施施加所述硝酸钙溶液持续较长时间。

在方法的一个实施例中，混合物的硝酸钙态氮浓度在10与1000mg/l之间，其取决于缺氧水体的体积和缺氧水体的水流速。

在方法的一个实施例中，与硝酸钙溶液混合的水的氧饱和度百分比在75％与125％之间，如在75％与100％之间。

在方法的一个实施例中，与硝酸钙溶液混合的水的氧饱和度百分比为约100％。

在缺氧水体为位于地表水层下方的下伏水层的情况下，在第一种可能的方法中，与硝酸钙溶液混合的水取自地表水层。在这种情况下，水具有天然氧饱和度。不需要其进行另外曝气。

在第二种可能的方法中，与硝酸钙溶液混合的水为取自地表水层或下伏水层、更具体来说地表水层附近的地下水的水。此地下水随后与氧气混合，直到氧饱和度百分比在50％与150％之间，如在75％与125％之间，更具体来说，为约100％。

在第三种可能的方法中，与硝酸钙溶液混合的水为取自下伏水层的水。将此水与氧气混合，直到氧饱和度百分比在50％与150％之间，如在75％与125％之间，更具体来说，为约100％。

在方法的可能性实施例中，与水混合的氧气源自大气，为富氧大气或100％纯氧。大气的氧气比例为约21体积％。

在方法的一个实施例中，缺氧水体，确切地说，为下伏水层或呈下伏水层形式的缺氧水体为热分层水体的均温层。

在缺氧水体形成热分层水体，如热分层湖泊、池塘河流等的底层的情况下，与硝酸钙溶液混合的水存在不同可能来源，即水可取自

-热分层水体的变温层。在这种情况下，可能不需要将氧气再添加到水中，因为所述水通常天然饱和有氧气。优选地，没有氧气再添加到水中，因为所述水天然饱和有氧气；

-均温层，其中随后将水与氧气混合，直到氧饱和度百分比在50％与150％之间，如在75％与125％之间，更具体来说，为约100％；

-热分层水体附近的地下水源，更具体来说，变温层，其中随后将地下水与氧气混合，直到氧饱和度百分比在50％与150％之间，如在75％与125％之间，更具体来说，为约100％。

在热分层水体的情况下，有利地，当天然池塘或湖泊和河流得到恢复和/或修复时，如本文所述的方法维持这些池塘或湖泊和河流的天然分层。

在方法的一个实施例中，缺氧水体，确切地说，为下伏水层或呈下伏水层形式的缺氧水体为包含于水体，确切地说，在所述水体底部的淤泥或沉积物层中的缺氧水体。在所述实施例中，与硝酸钙溶液(3)混合的水尤其取自包含于淤泥或沉积物层中的缺氧水体，并且所述水与氧气混合，直到氧饱和度百分比在50％与150％之间，如在75％与125％之间，更具体来说，为约100％。优选地，通过对水体进行疏浚并随后使水与淤泥或沉积物分离来获得取自包含于淤泥或沉降层中的缺氧水体的水。

因此，在一优选实施例中，公开一种用于修复和/或恢复水体，包含缺氧水体的方法，其中将硝酸钙溶液添加到缺氧水体中，其中缺氧水体为包含于水体的淤泥或沉积物层中的水体，并且其中所述方法包含以下步骤：

-对水体进行疏浚和/或使缺氧水体与淤泥或沉积物层分离；

-将氧饱和度百分比在50％与150％之间的水与硝酸钙溶液混合，产生混合物；其中所述水取自与淤泥或沉积物层分离的缺氧水体；并且与氧气混合；

-将混合物泵送到水体中，其中或直到所修复和/或所恢复的缺氧水体中的硝态氮的最终浓度在每升水1与20mg之间。

在一实施例中，所述方法包含以下步骤：控制和优化必须添加到缺氧水体中的硝酸钙溶液的量以及将硝酸钙溶液添加到缺氧水体中的时间和时长。

添加到缺氧水体中的硝酸钙的量(用量)取决于待处理的缺氧水体的特定特性和特征。必须进行测量以控制硝酸钙的需要量和磷浓度，以便实现优化修复和/或恢复方法。

必须在距添加硝酸钙的位置一定距离的若干处监测的参数的实例为氯化物、硝酸盐、亚硝酸盐、氨、磷(总量和正磷的量)的量以及水的温度、溶解氧的量和氧化还原电位。

在方法的一个实施例中，硝酸钙溶液包含用于引发或促进磷沉淀的一种或多种物质(或手段)。用于促进或引发磷沉淀的所述物质或手段包含或提供与磷酸盐和/或呈难溶于或不溶于水的分子或化合物形式的其它磷化合物结合的化合物/元素/阳离子。以这一方式形成的颗粒随后从水柱沉降。

此类物质的实例为氯化镧或氯化铁。举例来说，可将经镧改性的粘土，添加到硝酸钙溶液中。

在一优选实施例中，通过连续测量系统来远程控制混合容器和/或水体中的氧浓度。通过这种方式，水处理系统中和水体中的重要过程可得到实时监测。

根据第二方面，提供一种用于修复和/或恢复缺氧水体的系统，其中所述系统配备有将硝酸钙溶液添加到缺氧水体中的构件，其呈混合装置形式，所述混合装置被布置成用于将硝酸钙溶液与氧饱和度百分比在50％与150％之间，如在75％与125％之间，确切地说，为约100％的水混合，产生混合物，并且其中所述系统包含用于将混合物泵送到缺氧水体中的第一泵送构件。具体来说，所述系统进一步包含任选地形成混合装置的一部分的氧气混合构件，其用于将氧气混合于水中，以获得氧饱和度百分比在50％与150％之间，如在75％与125％之间，更确切地说，为约100％的水。

在系统的一个实施例中，其包含用于向混合装置泵送或泵抽待与硝酸钙溶液混合的水的第二泵送构件。

在缺氧水体为位于地表水层下方的下伏水层的情况下，第一种可能的系统的第二泵送构件被提供用于或配置成用于向混合装置泵送来自所处的地表层的水。

在缺氧水体为位于地表水层下方的下伏水层的情况下，第二种可能的系统的第二泵送构件被提供用于或配置成用于向混合装置泵送位于地表水层或下伏水层，更确切地说，地表水层附近的地下水源当中的地下水。

在缺氧水体为位于地表水层下方的下伏水层的情况下，第三种可能的系统的第二泵送构件被提供用于或配置成用于向混合装置泵送来自下伏水层本身的水。

在缺氧水体为位于水体的地表水层下方的下伏水层的情况下，如在缺氧水体(呈下伏水层形式)为包含于水体的淤泥或沉积物层中的缺氧水体的情况下，第四种可能的系统的第二泵送构件被提供用于或配置成用于向混合装置泵送与所述水体的淤泥或沉积物层分离的水。在一实施例中，所述系统可进一步包含用于去除水体的淤泥或沉积物层的疏浚构件，并且优选地，用于使缺氧水体与淤泥或沉积物层分离的构件，如过滤器等。

特别是在后面的三种情况下，所述系统包含用于将氧气混合到地下水、下伏水层或与淤泥或沉积物层分离的缺氧水中的氧气混合构件。

用于将氧气混合到地下水或下伏水层中的这些氧气混合构件优选形成混合装置的一部分。

在缺氧水体为热分层水体的均温层，所述热分层水体包含变温层的情况下，系统的第一可能实施例的第二泵送构件被提供用于或配置成用于向混合装置泵送来自变温层的水。

在缺氧水体为热分层水体的均温层的情况下，系统的第二可能实施例的第二泵送构件被提供用于或配置成用于向混合装置泵抽位于热分层水体，更确切地说，热分层水体的变温层附近的地下水源当中的地下水。

在缺氧水体为热分层水体的均温层的情况下，系统的第三可能实施例的第二泵送构件被提供用于或配置成用于向混合装置泵送来自均温层的水。

特别是在后面的两种情况下，所述系统包含用于将氧气混合到地下水或均温层中的氧气混合构件。

更确切地说，用于将氧气混合到水，具体来说，地下水或均温层中的氧气混合构件形成混合装置的一部分。

在系统的一个实施例中，混合装置形成岸上站的一部分。

更确切地说，所述系统被布置成用于进行如上文所述的方法。

在系统的一个实施例中，混合装置形成岸上站的一部分。“岸上”意指“陆上”。尽管混合装置也可被离岸放置(意指处于小艇或船舶或驳船上)，但将其放置在岸上为优选的，因为

-并非每片水域都可以经船只一直航行；

-其适用于在夏季停滞期期间用硝酸钙溶液供应的间歇性操作长期治理缺氧水体。不需要对工业用设施进行长期组装和拆卸。

-更适合于伴随以远程控制方式进行投加的操作。

因此，伴随岸上站，可能的应用的数目会有所增加。

在特定实施例中，用于修复和/或恢复缺氧水体的系统被布置成进行如本文所述的方法，其中所述系统配备有将硝酸钙溶液添加到缺氧水体中的构件，其中将硝酸钙溶液添加到缺氧水体中的所述构件包含混合装置，其被布置成用于将硝酸钙溶液与氧饱和度百分比在50％与150％之间，如在75％与125％之间，更具体来说，为约100％的水混合，产生混合物，并且其中所述系统进一步包含用于将混合物泵送到水体，确切地说，缺氧水体中的第一泵送构件，和用于将待与硝酸钙溶液混合的水泵送或泵抽到混合装置的任选的第二泵送构件。

另一态样提供与氧饱和度百分比在50％与150％之间，如在75％与125％之间，优选为约100％的水混合的硝酸钙溶液的用途，其用于防止出现具有负氧化还原电位和伴随缺氧水体中发生缺氧生物过程的还原性环境。优选地，所述缺氧水体为地表水层下方的下伏水层。在某些实施例中，所述缺氧水体为热分层水体的均温层。在某些实施例中，所述缺氧水体为包含于水体的淤泥或沉积物层中的缺氧水体。

另一态样提供与氧饱和度百分比在50％与150％之间，优选为约100％的水混合的硝酸钙溶液的用途，其用于限制和防止营养物质从缺氧水体当中释放并再转移。优选地，所述缺氧水体为地表水层下方的下伏水层。在某些实施例中，所述缺氧水体为热分层水体的均温层。在某些实施例中，所述缺氧水体为包含于水体的淤泥或沉积物层中的缺氧水体。

附图说明

-图1显示柏林莱尼根多夫(Berlin Reinickendorf)的沙费尔斯湖的深测图，其中等深线以0.5米增量显示，并且其中大于3.5米的部分疏浚区呈浅灰色，而小于3.5米的更深的未经疏浚的区域呈深灰色；

-图2显示沙费尔斯湖的深测图，其具有注入有45重量％硝酸钙溶液的位置(位置0)和测量点编号4-6；

-图3显示在2013年和2014年，如图2中所示的沙费尔斯湖的测量点6处的硝态氮浓度的年变化对比图；

-图4显示在2013年和2014年，如图2中所示的沙费尔斯湖的测量点6处的亚硝态氮浓度的年变化对比图；

-图5显示在2013年和2014年，如图2中所示的沙费尔斯湖的测量点6处的氧化还原电位的年变化对比图；

-图6显示在2013年和2014年，如图2中所示的沙费尔斯湖的测量点6处的氧饱和度的年度循环对比图；

-图7显示在2013年和2014年，如图2中所示的沙费尔斯湖的测量点6处的总磷(P)浓度的年变化对比图；

-图8显示在2013年和2014年，如图2中所示的沙费尔斯湖的测量点6处的氧含量的年变化对比图；

-图9显示在2013年和2014年，如图2中所示的沙费尔斯湖的测量点6处的总氮(N)浓度的对比图；

-图10显示在2013年和2014年，如图2中所示的沙费尔斯湖的测量点6处的铵态氮浓度的对比图；

-图11显示在2013年和2014年，如图2中所示的沙费尔斯湖的测量点6处的化学需氧量(COD)的对比图；

-图12显示在2014年，如图2中所示的沙费尔斯湖的测量点6处的硫酸盐浓度的年变化对比图；

-图13显示在2014年，如图2中所示的沙费尔斯湖的测量点4和6处的6米深处的硝态氮浓度的对比图；

-图14显示在2014年，如图2中所示的沙费尔斯湖的测量点4和6处的6米深处的氧化还原电位的对比图；

-图15显示在2014年，如图2中所示的沙费尔斯湖的测量点4和6处的氧含量的对比图；

-图16显示在2014年，如图2中所示的沙费尔斯湖的测量点4和6处的磷浓度的对比图；

-图17显示在2014年，如图2中所示的沙费尔斯湖的测量点4和6处的6米深处的铵态氮浓度的对比图；

-图18提供用于修复和/或恢复缺氧水体的系统的实施例的图示，其中将来自缺氧水体的水从水体当中泵出并与硝酸钙溶液和氧气混合，将混合物泵送回缺氧水体中；

-图19提供用于修复和/或恢复热分层水体的均温层的系统的第一实施例的图示，其中将水从热分层水体的变温层当中泵出并与硝酸钙溶液混合，将混合物泵送回均温层中；

-图20提供用于修复和/或恢复热分层水体的均温层的系统的第二实施例的图示，其中将地下水从位于热分层水体的变温层附近的地下水源当中泵出并在混合装置中与氧气和硝酸钙溶液混合，将混合物泵送回热分层水体的均温层中；

-图21提供用于修复和/或恢复热分层水体的均温层的系统的第三实施例的图示，其中将水从均温层当中泵出并在混合装置中与氧气和硝酸钙溶液混合，将混合物泵送回均温层中。

具体实施方式

本发明涉及一种用于修复和/或恢复缺氧水体、确切地说用于修复和/或恢复包含缺氧水体的水体的方法，其中缺氧水体为位于地表水层下方的下伏水层，其中将硝酸钙溶液添加到缺氧水体中，其中所述方法包含以下步骤

-将氧饱和度百分比在50％与150％之间的水与硝酸钙溶液混合，产生混合物；并且

-将混合物泵送到水体、优选缺氧水体中。

在特定实施例中，具有如本文中所界定的氧饱和度百分比的水取自地表水层、下伏水层或地表水层附近的地下水源，并随后经由氧气混合构件与氧气混合。在更特定的实施例中，具有如本文中所界定的氧饱和度百分比的水取自下伏水层或地表水层附近的地下水源，并随后经由氧气混合构件与氧气混合。在尤其优选的实施例中，具有一定氧饱和度百分比的水取自位于地表水层下方的下伏水，如热分层水体的均温层或包含于水体的淤泥或沉积物层中的缺氧水层。

在特定实施例中，混合步骤包含将氧饱和度百分比在75％与125％之间、更具体来说氧饱和度百分比在95％与105％之间的水与硝酸钙溶液混合，产生混合物。

所修复和/或所恢复的缺氧水体中的硝态氮的最终浓度应优选不超过每升水5mg，具体来说，在每升水1与5mg之间，如每升水1mg、每升水2mg、每升水3mg、每升水4mg或每升水5mg。

用于修复和/或恢复缺氧水体的硝酸钙溶液可具有不同浓度，优选介于5与55重量％之间的硝酸钙溶液，更优选在35与55重量％之间的硝酸钙溶液，如40重量％、42.5重量％、45重量％、47.5重量％、50重量％、51重量％、52重量％、53重量％、54重量％或55重量％硝酸钙溶液。最常使用的硝酸钙溶液为45重量％硝酸钙溶液。在较温暖气候的国家中，还可使用51到52重量％硝酸钙溶液。然而，也存在其它硝酸钙溶液，如8重量％硝酸钙溶液。事实在于较高浓度更适用于处理体积更大的水。

水和硝酸钙的混合物的硝酸钙态氮浓度优选在10mg/l与1000mg/l之间，其取决于均温层的体积和流速。

缺氧水体最常以以下形式出现：位于地表水层下方的下伏水层或地表水层和一种或多种其它水层，如热分层水体中的均温层，或包含于水体的淤泥或沉积物层中的水层。然而这并不能否认以下事实：在某些情况下，平静水体也可能完全缺氧。

如图18中所呈现的实施例中可以看到，在一个层中的缺氧水体10必须进行修复和/或恢复的情况下，借助于第二泵送构件6将水从缺氧水体10当中泵出，所述第二泵送构件6被提供用于经由管道7将水泵送到混合器2。在这一混合器2中，将从缺氧水体10当中泵出的水与硝酸钙溶液3混合，其经由泵9泵送到混合器2中，并添加氧气4，如空气或纯(100％)氧直到获得氧饱和度在50％与150％之间，并且更具体地说，为100％的水为止。第二泵送构件6例如呈液压泵构件形式。混合器2例如呈机械混合构件形式。随后使用第一泵送构件5经由管道8将由混合器2产生的混合物泵送到缺氧水体10中。进行这一方法直到所处理的缺氧水体10中的硝态氮的最终浓度在每升水1到20mg硝态氮之间，并且更具体地说，在每升水1与5mg硝态氮之间为止。

为了修复和/或恢复形成下伏水层的缺氧水体10，可使用来自不同来源的水与硝酸钙溶液混合。可将来自水的地表(上)层的天然经氧饱和的水与硝酸钙溶液混合。不需要对所述水进行另外曝气。

此外，亦可将来自下伏水层的水(或缺氧水体，如来自均温层或来自淤泥或沉积物层的水)本身或来自位于下伏水层附近的地下水源的地下水与硝酸钙溶液混合。在这两种情况下，水中将没有足够的氧来活化硝化和反硝化过程并使其保持活化，因此，另外的氧，优选100％纯氧必须与硝酸钙溶液和下伏水体的水或地下水混合。

根据本发明的方法通常适用于修复和/或恢复热分层水体的底层。水体的热分层是指水体的不同深度处温度会有所变化，并且归因于水密度随温度的变化。热分层通常出现在湖泊中，但也可能出现在池塘、河流等中。

如图19到21中所呈现的不同实施例中可以看到，热分层水体20一般存在于

-均温层10，底层；

-温跃层或斜温层11，可在全天变化深度的中间层；和

-变温层12，上层或地表层。

在将方法应用于热分层水体20上的情况下，与硝酸钙溶液3混合的水可取自变温层12(参见图19)、均温层10(参见图21)、湖泊20的变温层12附近的地下水13(参见图20)或与淤泥或沉积物层分离的水。无论使用哪种水，其氧饱和度百分比必须在50％与150％之间，更确切地说，为约100％。由于变温层水饱和有约100％氧，因此不需要进行另外曝气。曝气处理步骤是在可施配或任选的情况下进行。然而，当使用地下水或来自均温层或与淤泥或沉积物分离的水时，氧气，优选呈100％纯氧形式，优选和与硝酸钙混合的水混合。

在特定实施例中，用于修复和/或恢复缺氧水体，更确切地说，热分层水体20的均温层10的系统1配备有混合装置2，其被布置成用于将硝酸钙溶液3与氧饱和度百分比在50％与150％之间的水混合，产生混合物。系统1包含第一泵送构件5，其用于将所得混合物泵送到缺氧水体，更确切地说，均温层10中。

系统1进一步包含第二泵送构件6，其用于经由管道7泵送(泵抽)与硝酸钙溶液3混合的水。这些第二泵送构件6可被提供用于泵送

-来自下伏水层变温层12的(含氧)水，如图19中所示；

-位于下伏或地表水层，更确切地说，地表水层附近的(贫氧)地下水13，如图20中所示；或

-来自下伏水层均温层10本身的(脱氧)水，如图21中所示；或

-来自呈下伏水层形式的沉积物层的(脱氧)水。

通常，系统进一步包含用于将氧气4混合到水中的氧气混合构件。特别是在从下伏水层均温层10或沉积物层或地下水13当中泵送待与硝酸钙溶液3混合的水的情况下，系统1还包含用于将氧气4混合到水中的氧气混合构件。在一实施例中，这些氧气混合构件形成混合装置2的一部分。如根据图20和21可以看到，来自均温层10或地下水13的水优选首先与氧气4混合以使氧饱和度百分比升高到50％与100％之间，最确切地说，大约100％，随后与硝酸钙溶液3混合，并且最后使用第一泵送构件5经由管道8泵送回下伏水层均温层10中。以最低限度地扰乱水体20的热分层的方式将混合物泵送回均温层10中。

混合装置2优选形成岸上(陆上)站的一部分。

在特定实施例中，用于修复和/或恢复水体，包含缺氧水体的系统被布置成进行如本文所述的方法，其中所述系统配备有将硝酸钙溶液添加到缺氧水体中的构件，其中将硝酸钙溶液添加到缺氧水体中的所述构件包含混合装置，其被布置成用于将硝酸钙溶液与氧饱和度百分比在50％与150％之间的水混合，产生混合物，并且其中所述系统进一步包含用于将混合物泵送到水体中的第一泵送构件，和用于将待与硝酸钙溶液混合的水泵抽到混合装置的任选的第二泵送构件。

另一态样提供与氧饱和度百分比在50％与150％之间，优选为约100％的水混合的硝酸钙溶液的用途，其用于防止出现具有负氧化还原电位和伴随缺氧水体中发生缺氧生物过程的还原性环境，和/或用于限制和防止营养物质，具体地说，磷从缺氧水体当中释放并再转移。

现将参照实例进行更详细地描述本发明，所述实例并不限制本发明的范围。

实例

实例1

在2013-2014年，柏林莱尼根多夫的沙费尔斯湖的部分疏浚涵盖了湖滨区到3.5米深。所述湖泊的最大深度为6-7米。湖泊总面积为4.14公顷。待疏浚的区域占据约1.55公顷的部分。因此，如图1中可以看到，在恢复工程中，面积为2.6公顷的湖泊的一大部分(对应于总面积的约63％)并未涵盖在疏浚处理中。关于这一未经疏浚的区域，其涉及体积为约50,000m3的均温层，并且稍小于170,000m³的总体积的1/3。恢复之前，由来自波戈斯多夫(Borgsdorf)的皮罗·瓦斯曼(Büro Wassmann)在2013年7月进行的水研究显示深水域(均温层)中出现明显缺氧。通过负氧化还原电位确认呈硫化氢产物形式的相关衰变过程。此外，还原性环境促进尤其来自磷，来自沉积物的营养物质再溶解，其会影响恶化的营养状态。3.5米深度下方的区域的疏浚为可能的，但为成本极高的措施。

因此，除了对湖泊的较浅深度部分进行疏浚之外，还要用预定浓度的硝态氮处理湖泊的深水部分。对于这些测试，已研发出对5米深的已处理水的监测排放。为了确定用于处理深水的硝酸钙的高效浓度，利用7米深的四个沉积岩心并使用不同硝态氮起始浓度来进行实验室实验。在均温层中施加硝酸盐持续三周排放期。对于处理，目标是达到5mg/l的硝态氮最终浓度。使用预稀释浓度为100mg/l的硝酸钙。在若干测量点处至少每周检查硝酸盐浓度和其它参数一次，以检查深度和空间分布。在图2中示出沙费尔斯湖的注入点和测量点的位置。

在图3上，6月的深水6米处的测量点6处的硝酸盐浓度小于0.23mg/l硝态氮的检测极限。排放后数天，2014年7月18日的硝酸钙浓度为3.4mg/l硝态氮。完成初步阶段之后，到8月中旬，浓度下降到0.93mg/l硝态氮。出人意料地是，硝酸盐浓度增加直到8月末，并保持在这一水平直到11月的测量阶段结束，呈每升水1.5mg硝态氮。相反的是，在未经处理的条件下，在从2013年的秋季10月到12月，没有检测到硝酸盐(硝态氮浓度小于0.23mg/l的检测极限)，表明沙费尔斯湖的深水呈正常状态。

硝酸盐的施加会引起形成亚硝酸盐。如图4中可以看到，最大浓度出现在2014年8月中旬，并且达到了约0.75mg/l亚硝态氮，仍远低于1mg/l硝态氮的所界定的最大值。

沙费尔斯湖的深水的正常状态为缺氧环境的发展结果，其也会通过负氧化还原电位表明。如图5中可以看到，2013年7月到2014年7月的研究显示夏季数月中出现负氧化还原电位，其很可能每年都会出现。因此，在研究开始时的2013年8月和9月，伴随深水缺氧观察到负氧化还原电位。在2014春季结束时，湖泊在深水中出现还原性状态和下降的氧浓度。在2014年6月和7月，氧化还原电位的负值很高。

如图5中可以看出，在2014年7月，硝酸钙的初始阶段开始之后，氧化还原电位在数天内变成正值，并在这一水平下保持稳定直到2014年11月测量阶段结束为止。

如图6和7中可以看出，伴随增加的硝酸盐浓度和正氧化还原电位，还观察到氧条件发生变化。如图6中可以看出，从7月到9月，5米深处的氧浓度在2-5mg/l范围内。然而，这并非由纯硝酸盐的施加所引起，而是将富氧水排放到深水中的副作用。然而，持久作用为显著的，因为在7月末时已终止施加硝酸钙并且不再供应分子氧。

在2013，在沙费尔斯湖的深水处，测定到1.5-2.5mg/l的极高磷浓度(参见图8)和14-20mg/l的氮浓度(参见图9和10)。这可以由营养物质从湖泊的沉积物中强烈的再溶解来解释，其通过也得到确认的还原性条件来引发(参见图5)。

由于铵、还原硫(硫化氢)和经稀释的或固态有机物质被氧化，化学需氧量(COD)有所下降。图12显示硫氧化过程，其产生增加的硫酸盐。

为了研究所添加硝酸钙溶液的空间分布，进行探测器参数的比较测量(就地)，并且在距离硝酸钙溶液的引入点略远的第二位置处，即如图2上可见的测量点4处进行实验室参数的测量。

在如图2中所示的测量点6处进行总硝态氮、铵态氮浓度、氧化还原电位、氧含量和总磷浓度的测量，在测量点4处也进行测量。如图13中可以看出，以约三周的时滞检测硝态氮的空间分布。

其它参数可观察到相同情况。如图14中可以看出，到2014年8月末，测量点4处的氧化还原电位有所增加，具有与测量点6处相同的正值，呈约+100mV。如图15中可以看出，在测量点6以及测量点4处检测氧。

为了研究来自湖泊沉积物的营养物质的再溶解，还在测量点4处测定总磷含量。根据总硝态氮的延迟分布，磷的减少也有所延迟。如图16中可以看出，在磷再溶解开始时，在2014年8月初的测量点4处获得高达1.3mg/l的P浓度。然而，伴随增加的总硝态氮浓度和增加的氧化还原电位，测定到磷浓度以同等方式急剧下降到值小于0.1mg/l。

如图17中可以看出，可以看到氨氧化的类似特性。在2014年8月的测量点4处，达到小于0.05mg/l的检测极限的铵态氮浓度。

实例2

这一实例显示所需CN浓度的计算方式，集中于取决于水流速、注入时间段等的不同参数，如储备溶液、第一稀释液等的变化性。取决于不同参数的总和，起始浓度和稀释度存在各种可能值，得到水体(此处为沙费尔斯湖)的最终浓度。需要进行优化并且因此加以测量，因为在每种水体中，微生物过程的条件会有所不同。还需要检测适宜注入时间，测量深度分布中的温度、氧气和氧化还原电位。分层湖的适宜注入时间为稳定分层，其以缺氧开始，并且对于浅湖来说，以负氧化还原电位/缺氧开始。此外，当与第一计算结果不同时，控制硝酸盐和氧气需要调整适宜硝酸盐投加量。亚硝酸盐和氯化物的测量对于检测鱼毒性至关重要。

待修复和/或恢复的沙费尔斯湖的均温层体积为约约50,000m³。为了确保达到每升水N 2mg硝态氮的最终浓度，将2000l CN45(＝具有45重量％硝酸钙的硝酸钙溶液)(提供220kg硝态氮)施加于处理方法的初始阶段。这样，获得每升水4.4mg硝态氮的中等浓度。考虑到这一中等浓度会通过自发性反硝化作用和其它微生物过程损失二分之一，因此获得每升水2.2mg硝态氮的最终浓度。借助于流速为50m³/h的泵将硝酸钙溶液投加于均温层中。所述泵每个工作日工作8小时并在工作周工作5个工作日。将最终体积为6.000m³的硝酸钙泵送到均温层中，其为均温层总体积的约12％。在这种情况下，氧化的储备液体积经浓缩达到每升水0.037g硝态氮。