一种适合水生生态重建的底泥钝化系统及其施工工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及水体污染内源处理工程技术领域，具体涉及一种适合水生生态重建的底泥钝化技术。
【背景技术】
[0002]底泥为水体污染物的汇和内源，通常情况下底泥可溶性物质除了迀移至其他生态系统外，大部分最终通过矿化进入空气以及以碳汇、难溶性矿物如磷酸盐、硫铁矿、石膏等模式进入地层。由于人类活动及自然灾害，往往需要人为干预污染物迀移途径与速率，底泥清淤、化学钝化、物理封闭、原位生物消解是目前四类主要的水体污染内源处置工程技术。
[0003]目前，主流钝化技术是将铝、铁、钙盐等投入水体，辅助以PH缓冲剂、矿物吸附剂等在水体水解絮凝形成氢氧化物(铝铁盐)，直接与磷酸根反应沉淀，多余部分下沉于水体/底泥界面形成钝化层，从而减少磷元素进入水体的量。
[0004]国内已有的底泥钝化处理方面的发明专利申请如下:
[0005]1、昆明理工大学申请的《一种富营养化水体修复的底泥掩蔽方法》(200810058409)，涉及一种采用天然地质材料进行富营养化水体修复的底泥掩蔽方法，具有底泥营养盐控释和藻类水华抑制的功能，其方法步骤为:将天然红土磨细至80目左右，并添加适量的粉煤灰和石灰，与水混合并持续搅拌后，将混合物于藻类生物休眠期末均匀抛洒入地表水体中，投放量为4.5?6.0kg/m2。
[0006]2、南京师范大学申请的《一种抑制富营养化水体底泥营养盐释放的方法号》(201010167298)，其特征为在距表层1cm以内的底泥中按以下的量分别注入钝化剂硫酸亚铁10?30g/m2或硫酸铁0.1?0.5gFe 3+/m2、镁盐20?50g/m2或氢氧化镁乳液50?100g/m2、硝酸钙100?100gN/m2和絮凝剂聚丙烯酰胺0.5?5g/m2或聚合氯化铝铁I?5g/
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[0007]另也有一些文献公开的诸如投放改性膨润土、炉渣、碳酸钙等。如:
[0008]孙远军，城市河道底泥污染与原位稳定化研宄(博士论文)；
[0009]贾陈蓉，吴春芸等，污染底泥的原位钝化技术研宄进展(J)，环境科学与技术2011，34(7)，118-122 ；
[0010]杨永琼，陈敬安等，沉积物磷原位钝化技术研宄进展(J)，地球进展科学2013，28(6)，674-681 ；
[0011]王佩，太湖湖滨带底泥磷氮富集特征及释放控制研宄(硕士论文)。
[0012]目前各类底泥钝化技术存在的问题是:
[0013]传统底泥钝化在兼顾到抗扰动、破损自修复、多污染物种适应性、生态风险、后续生态构建五个方面还尚有不足，另外，在厚浮泥层压缩、药剂投放方法、工艺性方面也尚需进一步改善。传统方法机理为依靠投入的药剂化学固定释放无机磷、絮凝颗粒磷及物理阻碍底泥与水体的营养物质交换，因此应视之为一种较短时效性的污染迀移途径控制技术。目前常规底泥钝化技术存在如下问题:
[0014]1、从生态角度看，传统底泥钝化技术一个共同特点是:均为纯化学反应与物理覆盖行为，未充分考虑到污染物的迀移途径、热力学与动力学行为等，也未充分考虑到污染源核心区——缓冲区——扩散区中的生态构建与衔接。
[0015]可溶性铝、铁、钙盐投入水体后对水体pH值、盐度等影响较大，相应带来水体生态风险，且因水体水文状况变动而不易控制，污染物总量较大需增大药剂投放量以延长固磷时效时，上述问题更为严重。如使用钙、铁、铝、镧改性的粘土矿物投放，投放时水体悬浮物大量超标，固定磷酸根离子的有效化学成分含量少，药剂投放量明显加大，同时较大的厚度和密实度可能导致底泥发酵气体无法顺利排出而积累，加大底泥中各种可溶性污染物的压力扩散行为。另外，铝盐钝化因存在铝离子被微生物活动生成的络合有机酸溶出抑制微生物活性的可能性，有可能导致底泥矿化速度减慢，不利于底泥的自然消解，也存在一定的底泥生态风险。
[0016]现有钝化技术未考虑到多物种诸如温室气体、可溶性有机物、氨氮的迀移；也未考虑到钝化后底泥层是否适合藻一一水生高等植物生态系统的重建，未真正解决问题。
[0017]2、从岩土角度看，上述底泥钝化方法物理底泥压缩效果差，尤其对于较厚浮泥层而言更是如此。形成的钝化层强度类似密实粘土质沉积物，抵抗水体扰动与疏导底泥发酵气体排出能力差；且难以定性或半定量地根据底泥状况选择实施工艺以达到优化效果。
[0018]对此申请人认为，从理论上:
[0019]一、水体/底泥界面钝化层必须具有:
[0020]1、可抗一定上覆水体扰动冲击与磨蚀的能力；
[0021]2、具备强的反应活性，以便去除底泥层生成的大部分可溶性物质；
[0022]3、必须具有发达的传质通道(即连通的多孔性)与过滤性能，以泄导温室气体排放并拦截其携带的悬浮物，减缓底泥扰动中液体流动速率，也避免气体积累在覆盖层下部形成过高压力破坏水体/底泥界面钝化层。同时，由于水体/底泥系统中，溶解氧、温度、PH值、压力及天然矿物分布等因素在时间与空间尺度上复杂多变，也必须预留底泥层环境的干预控制通道(如水底间歇增氧，化学物质注入等)，以便后续加快底泥的消解和稳定速度，这些要求需保证水体/底泥界面钝化层多孔性；
[0023]4、钝化层必须具有一定的自修复能力；
[0024]5、钝化层最好具有类似生态保护区的“核心区一一缓冲区一一过渡区”结构，以便微生物与矿物共同消化底泥污染物，减少钝化层负荷。
[0025]二、水体/底泥界面钝化层除了需要控制污染物种排放，使之能让合适的水生生态种群生存外，还必须具备生物亲和性及一定的捕捉生物种源的能力(粗糙度)。同时，水体/底泥界面钝化层施工构建过程中，应尽量减少PH、盐度、有害离子的明显变动，以免影响整体水质。
[0026]基于申请人创建的上述理论，申请人进行深入的研宄，遂有本案产生。
【发明内容】
[0027]本发明的目的提供一种适合水生生态重建的底泥钝化系统，其可钝化和疏导绝大多数底泥污染物质，容易清洗抽吸上部积累淤泥，容易随后投放药剂渗入底泥进行进一步的底泥处置，可抵御较强且长期的水流冲刷，可适应底泥压缩、地质变动等不开裂破损，遇到重物丢落及动物挖掘导致破损后依然具有良好的钝化作用，也有利于微生物与水生植物、底栖动物的生存繁殖。
[0028]本发明的另一目的是提供上述底泥钝化系统的施工工艺。
[0029]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0030]一种适合水生生态重建的底泥钝化系统，包括由下至上依次设置在一起的下层、中层和上层，其中，下层为矿化物粉末层，中层为具有弹性的多孔性连续材料层，上层为多孔洞高强度材料层。
[0031]所述矿化物粉末层由矿化物粉末与聚丙烯酰胺粉末按照100:1-10的比例混合，加少量水粘结而成；所述矿化物粉末层的厚度大于3厘米。
[0032]所述具有弹性的多孔性连续材料层采用初步去除腐殖酸后的废泥炭纤维或初步去除木质素的植物纤维:高铝水泥:有机絮凝剂重量比为50-100:5-100:0.05-1制备而成。
[0033]所述多孔洞高强度材料层采用钙质片岩或久置的贝壳:高铝水泥:有机絮凝剂重量比为50-100:5-50:0.05-0.25制备而成；所述久置的贝壳指放置至贝壳中文石片层之间的有机物基本消失而形成微观多孔性的贝壳。
[0034]上述有机絮凝剂采用聚丙烯酰胺或聚二甲基二烯丙基氯化铵。
[0035]所述矿化物粉末来源于各种含钙、镁、铁、铝的天然矿物或无害工业废料。
[0036]一种适合水生生态重建的底泥钝化系统的施工工艺，通过如下步骤实现:
[0037]S1:将矿化物粉末与聚丙烯酰胺粉末按照100:1-10的比例混合，加少量水粘结后，直接投入水体中，迅速下沉到底泥，形成矿化物粉末层，要求矿化物粉末层厚度大于3厘米；
[0038]S2:按初步去除腐殖酸后的废泥炭纤维或初步去除木质素的植物纤维:高铝水泥:有机絮凝剂重量比为50-100:5-100:0.05-1的比例在水中混合形成粘附满絮凝体的纤维状物质，挤压去大部分水后快速投入水中下沉，任其在步骤SI所得的矿化物粉末层上方舒展，自发编织成毡状实现成型，最终于步骤SI所得的矿化物粉末层的顶部凝固成具有弹性的多孔性连续材料层；
[0039]S3:久置的贝壳或钙化片岩:高铝水泥:有机絮凝剂的重量比50-100:5-50:0.05-0.25，先将高铝水泥与絮凝剂按比例混合于水中，形成团状絮凝体，然后将此团状絮凝体与久置的贝壳或钙化片岩同时投放到步骤S2所得的具有弹性的多孔性连续材料层上方，于步骤S2所得的具有弹性的多孔性连续材料层的顶部自然凝固成多孔洞高强度材料层；所述久置的贝壳指放置至贝壳中文石片层之间的有机物基本消失而形成微观多孔性的贝壳。
[0040]上述有机絮凝剂采用聚丙烯酰胺或聚二甲基二烯丙基氯化铵。
[0041]所述矿化物粉末来源于常见的含钙、镁、铁、铝的天然矿物或无害工业废料。
[0042]采用