CN101503238A - 一种利用纳米气泡修复湖泊和厌氧底泥的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用纳米气泡快速清除湖泊水华并修复厌氧底泥的复合材料，所述复合材料可以达到在大面积快速消除水华、提高水体透明度的同时，修复厌氧底泥，提高底泥的氧化还原电位，增加水体的溶解氧水平，所述的纳米气泡为氧气纳米气泡、臭氧纳米气泡或空气纳米气泡，并可通过一定方法调控纳米气泡的数量、大小和密度等性质。本发明还提供了一种使用前述复合材料修复湖泊和厌氧底泥的方法，包括通过机械方法将前述复合材料播撒或喷射到湖面，可同步完成大面积的水华清除，提高水体透明度，修复厌氧底泥和提高水体溶解氧水平的目的，为沉水植被的快速生长和富营养化水体生态恢复提供良好的环境，并且此方法兼具湖泊治理的生态安全性和长效性。

Description

一种利用纳米气泡修复湖泊和厌氧底泥的方法

技术领域

本发明涉及一种利用纳米气泡治理湖泊污染和修复厌氧底泥的复合材料和方法。本发明属于纳米技术与环境污染治理领域。

背景技术

水体的富营养化问题是我国水体污染中一个比较严重的问题。在富营养化水体中，溶解氧含量低，水体透明度不高，底质严重厌氧，水体营养盐含量高，水质恶化。目前许多已公开的针对天然水体污染治理与控制技术由于自身技术的缺陷和诸多因素的限制，被认为不宜用于此类大范围的天然水体，例如，化学法由于化学试剂本身对环境的污染而被禁用，生物法由于选择性、制备和成本等原因，难以大范围应用。此外，治理此类水体污染，除了要去除水华和部分营养盐、提高水体的透明度外，更要增加水体含氧量和改善底质厌氧环境，使沉水植被尽快得到恢复，从而才能从根本上扭转水体富营养化进程，恢复水体功能。目前，用得较多的增氧技术是通过曝气装置于水体中进行曝气，但是此类技术对动力和能量要求较高，成本较大，其增氧效果也不可能突破溶解氧饱和值，曝气过程中大量的气泡会溢出，造成很大程度的浪费，效率低，难以大面积应用，只适用于小水体的环境治理。

近年来，有大量的实验结果表明了纳米气泡的存在，原子力显微镜也直接观察到了纳米气泡，由于其量子效应以及巨大的界面效应，加上纳米气泡的绿色环保和安全性，纳米气泡技术将可能具有非常广阔的应用前景。已有报道表明，利用高压溶解发泡和高速旋回式气液混合发泡等技术，可产生微米、纳米级的气泡，并利用微、纳米气泡的特性承载气体，比如氧气或者臭氧等气体，生产各种机能水，用于污水处理等方面。但是，这类技术产生的微纳米气泡都是存在于气液体系中，气泡的存在时间短，稳定性不强，实际使用时需要原位持续产气，能耗很高，效率较低，此外，这类纳米气泡技术需要特殊的设备在限定的水体中应用，使用范围受到很大的限制。目前为止，只有通过特殊曝气产生纳米气泡的报道，尚不知如何使纳米气泡稳定，更不知如何操控纳米气泡的大小、密度及其他性能。这成为纳米气泡技术迈向实际应用的主要障碍。

为了达到治理和修复富营养化湖泊等大范围天然水体的目的，必须要有低成本的、可大规模应用的治理方法和技术，并考虑治理的生态安全性以及长效性，在大面积快速改善水质的同时，达到生态恢复的条件(如沉水植物)，实现湖泊的稳态转化。本发明人曾于2002年提出了一种以天然高分子聚合物改性粘土来制备高效无毒的藻絮凝剂，用于藻华治理的专利技术(申请号：02155284.3)，该技术不仅可将任何当地土壤改性成为高效的藻絮凝剂，而且可以大规模低成本的治理富营养化水体，但此技术有其缺陷：投加的粘土增加了底泥和沉积物的积累，沉降到底部的藻类死亡分解消耗大量的氧气，造成底质厌氧。为克服上述缺陷，本发明人分别于2003年和2005年提出了一种用湖泊沉积物治理水华和底泥的二次污染的专利技术(申请号：200310113305.5)和一种利用粘土凝聚将水华转化为水底植被的方法(申请号：200510099736X)，以上2个技术虽然在低成本、可大规模应用的基础上，向治理的生态安全性以及长效性又靠近了一步，但是，在底泥修复和提高水体溶解氧水平上效果不显著，沉水植被恢复比较缓慢。因此，配合前述的水体纳米气泡增氧技术和可大规模应用的湖泊治理技术，将有望实现低成本、可大规模应用的湖泊等天然水体治理方法和技术，同时兼具生态安全性以及长效性，在大面积快速改善水质的同时，改善底质和提高水体溶解氧水平，达到生态恢复的条件(如沉水植物恢复所需的条件)，实现湖泊的稳态转化。

发明内容

本发明旨在提供一种利用纳米气泡改性固体颗粒物，在清除湖泊水华和污染物的同时，快速修复水体厌氧环境、特别是修复底泥厌氧环境的复合材料和方法。具体的说，是采用无毒无害的固体颗粒物，经过一定方式负载纳米气泡后制得复合材料，并将所述复合材料用于大面积絮凝去除富营养化水体中有害藻类和污染物，同时改善底泥厌氧环境，提高厌氧底泥的氧化还原电位和增加水体中溶解氧的方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种可以快速消除湖泊水华和污染物，同时改善底泥厌氧环境、增加底泥和水体溶解氧的复合材料，所述复合材料为稳定的含有纳米气泡的气-液-固三相共存材料，是采用土壤或粘土等固体颗粒物，经过一定方式负载纳米气泡后制得，并可通过调节固体颗粒物的种类、浓度和改性剂等手段调控纳米气泡的数量、大小和密度等性质。

所述的纳米气泡可以是由纳米气泡发生装置产生的空气纳米气泡、氧气纳米气泡或者臭氧纳米气泡。

所述的负载纳米气泡的一定方式可以是通过纳米气泡发生装置直接负载于原位土壤或粘土颗粒上，也可以是首先通过改性剂对原位土壤或粘土颗粒表面进行改性，然后再通过纳米气泡发生装置负载，也可以是通过调控温度变化产生纳米气泡来进行负载。

所述的固体颗粒物可以是当地的土壤颗粒物，也可以是多孔性的或含有憎水基团的粘土或矿物，如沸石、硅藻土、膨润土、高岭土、海泡石、蒙脱土中的一种或几种，也可以是具有疏水性表面的固体颗粒，如二氧化硅、石墨、云母中的一种或几种。

所述的改性剂可以是天然的高分子聚合物，例如壳聚糖及其衍生物，也可以是通过与粘土或土壤结合而形成憎水基团的其他聚合物，如阴离子和阳离子表面活性剂等。

根据本发明的另一方面，提供了一种使用前述复合材料治理富营养化水体和修复厌氧底泥的方法。包括通过机械方法将前述复合材料播撒或喷射到湖面，所述复合材料能快速絮凝藻类等污染物并除浊，此后，沉降于底泥上的复合材料能对厌氧底泥进行修复，提高底泥的氧化还原电位，并可以缓慢释放出氧气，提高水体的溶解氧水平。由此，可通过一步完成大面积的水华清除，提高水体透明度，修复厌氧底泥和提高水体溶解氧水平的目的。

使用本发明的复合材料和方法，可以达到在清除湖泊水华、提高水体透明度的同时，大面积的改善底泥厌氧环境，提高水体的溶解氧水平，为沉水植被的快速生长和富营养化水体生态恢复提供良好的环境，并且兼具湖泊治理的生态安全性和长效性。

附图说明

图1是本发明实施例1中氧气纳米气泡材料的含氧量；

图2是本发明实施例3中用复合材料进行大面积除藻和底泥修复前后水体透明度的变化；

图3是本发明实施例3中用复合材料进行大面积除藻和底泥修复前后水体溶解氧的变化；

图4是本发明实施例3中用复合材料进行大面积除藻和底泥修复前后水体ORP的变化；

具体实施方式

本发明提供了一种可以大面积应用的湖泊水华清除和底泥修复的复合材料，所述复合材料是采用固体颗粒材料，经过一定方式负载纳米气泡后制得，其能在大面积清除水华的同时，显著的改善底泥厌氧环境，提高水体溶解氧水平。本发明还提供了一种可以大面积清除水华同时修复厌氧底泥的方法。具体的说，通过机械方法将前述复合材料播撒或喷射到湖面，所述复合材料能快速絮凝藻类等污染物并除浊，此后，沉降于底泥上的复合材料能对厌氧底泥进行修复，提高底泥的氧化还原电位，并可以缓慢释放出氧气，提高水体的溶解氧水平。本发明的特点是在达到清除水华、提高水体透明度的同时，大面积的改善底泥厌氧环境，提高水体的溶解氧水平，为沉水植被的快速生长和生态恢复提供良好的环境。

下面通过具体实施例详细介绍本发明。

实施例1：负载氧气纳米气泡材料的制备

将2000mg膨润土悬浮于1L水中制得悬浊液，然后采用纳米气泡发生装置于前述悬浊液中产生纳米气泡，使得氧气纳米气泡负载于膨润土颗粒空隙表面，取装置运行30min后的悬浊液测定氧气的含量；为了对比负载氧气纳米气泡的效果，拟定两组对照，一组以蒸馏水代替悬浊液，采取同样步骤，测定含有氧气纳米气泡的蒸馏水氧气的含量，另一组采用蒸馏水直接测定溶解氧含量，做完全空白对照。结果见图1。从图1可以发现，有氧气纳米气泡存在的蒸馏水和膨润土悬浊液中，氧气含量显著高于空白蒸馏水的氧气含量(此含量为实验温度下蒸馏水饱和溶解氧的含量)，而且在负载了氧气纳米气泡的膨润土悬浊液中，氧气含量高于氧气纳米气泡存在的蒸馏水。负载了氧气纳米气泡的膨润土悬浊液能将氧气含量提高到溶解氧水平的4倍到5倍。

实施例2：氧气纳米与改性土壤复合材料制备

采用20g太湖岸边土壤，过180目筛，然后加入1g天然高分子聚合物壳聚糖，在稀酸条件下制成1L悬浆。然后将前述悬浆与实施例1中的悬浊液按照一定比例在一定条件下混合，从而制得氧气纳米气泡与改性土壤复合材料。

实施例3：用氧气纳米气泡复合材料进行大面积除藻和底泥修复

将制得的氧气纳米气泡和改性土壤复合材料与水按一定比例混合，采用机械方式喷洒至所选取的太湖工程示范区，示范区面积5万平米，喷洒前，水体表面覆盖着蓝藻水华，水体的透明度低于10cm，溶解氧低于0.5mg/L，ORP在-100mV以下。喷洒前述复合材料1天后，在工程区内取6个点采样测定水质指标，水体透明度由不足10cm提高到40cm以上，溶解氧由不足0.5mg/L提高到3mg/L以上，ORP转为正值(见图2、图3和图4)。

Claims (7)

1、一种利用纳米气泡改性固体颗粒物，在清除湖泊水华和污染物的同时，快速修复水体厌氧环境、特别是修复底泥厌氧环境的复合材料和方法，具体的说，是采用无毒无害的固体颗粒物，经过一定方式负载纳米气泡后制得复合材料，并将所述复合材料用于大面积絮凝去除富营养化水体中有害藻类和污染物，同时改善底泥厌氧环境，提高厌氧底泥的氧化还原电位和增加水体中溶解氧的方法。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复合材料为稳定的含有纳米气泡的气-液-固三相共存材料，其中固体材料可以是土壤或粘土等固体颗粒物，经过一定方式负载纳米气泡后制得，并可通过调节固体颗粒物的种类、浓度和改性剂等手段调控纳米气泡的数量、大小和密度等性质。

3、根据权利要求1和2所述的复合材料，其特征在于，所述的负载纳米气泡的一定方式可以是通过纳米气泡发生装置直接负载于原位土壤或粘土颗粒上，也可以是首先通过改性剂对原位土壤或粘土颗粒表面进行改性，然后再通过纳米气泡发生装置负载，也可以是通过调控温度变化产生纳米气泡来进行负载。

4、根据权利要求1和2所述的复合材料，其特征在于，所述的固体颗粒物可以是当地的土壤颗粒物，也可以是多孔性的或含有憎水基团的粘土或矿物，如沸石、硅藻土、膨润土、高岭土、海泡石、蒙脱土中的一种或几种，也可以是具有疏水性表面的固体颗粒，如二氧化硅、石墨、云母中的一种或几种。

5、根据权利要求1和2所述的复合材料，其特征在于，所述的纳米气泡可以是由纳米气泡发生装置产生的空气纳米气泡、氧气纳米气泡或者臭氧纳米气泡。

6、根据权利要求1和2所述的复合材料，其特征在于，所述的改性剂可以是天然的高分子聚合物，例如壳聚糖及其衍生物，也可以是通过与粘土或土壤结合而形成憎水基团的其他聚合物，如阴离子和阳离子表面活性剂等。

7、一种使用了权利要求1和2所述的复合材料治理富营养化水体和修复厌氧底泥的方法，包括通过机械方法将前述复合材料播撒或喷射到湖面，前述复合材料能快速絮凝藻类等污染物并除浊，此后，沉降于底泥上的复合材料能对厌氧底泥进行修复，提高水体的溶解氧水平，并且兼具湖泊治理的生态安全性和长效性。

Images