CN102329046B - 一种光催化还原和沉水植物联合处理沉积物磷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光催化还原和沉水植物联合处理沉积物磷的方法，其步骤是：1）筛选出当地气候及水域条件的沉水植物；2）将沉水植物种植到装有沉积物的玻璃器皿中，在沉积物上铺一层负载纳米半导体光催化剂薄膜的新型环保滤球；3）注入上覆水，其上覆水采自沉积物采样点上的水柱；4）在沉水植物生长初期和衰退期通过外加光源进行间歇照射，外加光源既能使光催化剂进行光催化反应，又能满足沉水植物生长所需光照；5）每隔一段时间采集沉积物样品，测定沉积物各形态磷变化情况。方法易行，操作简便，能高效去除富营养化水体沉积物磷，同时有效解决沉水植物恢复重建过程中的磷胁迫问题。

Description

一种光催化还原和沉水植物联合处理沉积物磷的方法

技术领域

本发明涉及一种联合处理沉积物磷的方法，特别是涉及一种光催化还原和沉水植物联合处理沉积物磷的方法。可广泛用于处理江河和湖泊中的沉积物磷。

背景技术

水体富营养化是当今世界面临的一个严重的环境问题。磷是淡水水体富营化过程的关键性影响因子之一。随着我国对污染排放控制及水体恢复管理力度的加大外源磷的输入会逐步得到控制，内源磷释放所造成的二次污染将成为水体富营养化的重要来源。对于湖泊内源负荷沉积物磷的控制方面，目前主要有底泥疏浚、引水清污、深层水的排放、物理化学覆盖以及水生植物生态恢复等方法。依据除磷方法原理，主要有物理(如吸附)、化学(如混凝沉淀)和生物等方法。若依据磷酸盐是否被还原又可将之分成转移型和还原型两类。转移型除磷工艺的特点是磷的价态并未发生改变，多是由液相(污水)转移到固相(如吸附剂，絮凝剂或活性污泥等)中去，可能会产生磷的二次污染。还原型除磷工艺的主要特征是磷被还原，甚至被还原为磷化氢，而从水中逸出，进入地球生物化学循环过程或被综合利用。

沉水植物和根系微生物可在一定程度上降解和迁移转化沉积物磷，但易受到季节，温度，植物生长周期等众多因素影响，尤其在透明度较低水体，沉水植物难以生存。对于沉水植物未能转化的剩余沉积物磷或在沉水植物萌发期和衰退期，需通过其它工艺对沉积物磷进行处理。

光催化技术是一种在环境领域有着重要应用前景的绿色高新技术，已在环保领域引起广泛的关注，并已广泛应用于各种有机污染物降解研究如藻毒素、有机磷杀虫剂、有机染料污染物等。进入21世纪以来，光催化剂还原水处理技术的研究与应用主要集中在卤代有机物脱卤，重金属还原和硝酸盐脱氮等方面，发表了大量的研究成果。但迄今尚无利用光催化剂降解沉积物磷的研究报道。

发明内容

本发明的目的是在于提供了一种光催化还原和沉水植物联合处理沉积物磷的方法，方法易行，操作简便，能高效去除富营养化水体沉积物磷，同时有效解决沉水植物恢复重建过程中的磷胁迫问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

其技术构思是：利用负载纳米半导体光催化剂薄膜的新型滤球作为光催化剂，通过光催化还原和沉水植物联合作用去除沉积物磷；其中所述的新型滤球为废物资源化利用产生的镁渣或陶瓷滤球。

一种光催化还原和沉水植物联合处理沉积物磷的方法，其步骤是：

1)筛选出适合当地气候及水域条件的沉水植物。

2)将沉水植物种植到装有沉积物的玻璃器皿中，在沉积物上铺一层负载纳米半导体光催化剂薄膜的新型环保滤球。

3)注入上覆水，其上覆水采自沉积物采样点上的水柱。

4)在沉水植物生长初期和衰退期通过外加光源进行间歇照射，外加光源既能使光催化剂进行光催化反应，又能满足沉水植物生长所需光照。

5)每隔15天采集沉积物样品，测定沉积物各形态磷变化情况。所述的沉积物磷可以是重度、中度、轻度富营养化水体或处于向富营养过渡阶段水体中的沉积物(以中国环境监测总站《湖泊(水库)富营养化评价方法及分级技术规定》中综合营养

指数法作为湖泊富营养化评价方法)；

湖泊(水库)富营养化评价方法及分级技术规定

(中国环境监测总站，总站生字[2001]090号)

1、湖泊(水库)富营养化状况评价方法：综合营养状态指数法

综合营养状态指数计算公式为：

TLI(∑)＝∑Wj·TLI(j)

式中：TLI(∑)-综合营养状态指数；

Wj-第j种参数的营养状态指数的相关权重。

TLI(j)-代表第j种参数的营养状态指数。

以chla作为基准参数，则第j种参数的归一化的相关权重计算公式为：

$\mathrm{wj}=\frac{{r_{\mathrm{ij}}}^2}{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{r_{\mathrm{ij}}}^2}$

式中：rij-第j种参数与基准参数chla的相关系数；

m-评价参数的个数。

中国湖泊(水库)的chla与其它参数之间的相关关系rij及rij2见下表。

中国湖泊(水库)部分参数与chla的相关关系rij及rij2值※

参数	chla	TP	TN	SD	CODMn
						rij	1	0.84	0.82	-0.83	0.83
rij2	1	0.7056	0.6724	0.6889	0.6889

※：引自金相灿等著《中国湖泊环境》，表中rij来源于中国26个主要湖泊调查数据的计算结果。

营养状态指数计算公式为：

(1)TLI(chl)＝10(2.5+1.086lnchl)

(2)TLI(TP)＝10(9.436+1.624lnTP)

(3)TLI(TN)＝10(5.453+1.694lnTN)

(4)TLI(SD)＝10(5.118-1.94lnSD)

(5)TLI(CODMn)＝10(0.109+2.661lnCOD)

式中：叶绿素a chl单位为mg/m3，透明度SD单位为m；其它指标单位均为mg/L。

2、湖泊(水库)富营养化状况评价指标：

叶绿素a(chla)、总磷(TP)、总氮(TN)、透明度(SD)、高锰酸盐指数(CODMn)

3、湖泊(水库)营养状态分级：

采用0～100的一系列连续数字对湖泊(水库)营养状态进行分级：

TLI(∑)＜30贫营养(Oligotropher)

30≤TLI(∑)≤50中营养(Mesotropher)

TLI(∑)＞50富营养(Eutropher)

50＜TLI(∑)≤60轻度富营养(light eutropher)

60＜TLI(∑)≤70中度富营养(Middle eutropher)

TLI(∑)＞70重度富营养(Hyper eutropher)

在同一营养状态下，指数值越高，其营养程度越重。

所述的纳米半导体光催化剂为氧化物半导体、硫化物半导体、掺杂氧化物半导体、掺杂硫化物半导体中的任意一种或任意二种以上的混合，任意二种以上混合时为任意配比。

所述的光源是高压汞灯、高压钠灯、自然光、荧光中的任意一种或任意二至四种的混合光源。

所述的新型环保滤球为废物资源化利用产生的镁渣环保陶瓷滤球；

所述的沉水植物为适合当地气候及水域条件的一种或多(2-10)种植物的组合。

所述的沉水植物具体为菹草、伊乐藻、苦草、金鱼藻、马来眼子菜、微齿眼子菜、黑藻以及金鱼藻等。

本发明的有益效果是：

1、工艺操作简单，处理效果好。

2、废物资源化利用，光催化剂载体为资源化利用镁渣等固体废物产生的镁渣环保陶瓷滤球，成本低廉，具有广阔的应用前景；

3、联合工艺在处理沉积物磷的同时，沉水植物能够为底栖生物的生长和繁殖提供有利的生态环境，加快整个生态系统的恢复和构建。

4、沉积物磷经该联合技术处理后去除率可达到80％以上。

5、光催化还原与沉水植物联合技术优势互补，可在一定程度上解决沉积物磷难以去除的问题，同时有效解决沉水植物恢复重建过程中的磷胁迫问题，为富营养化水体沉积物磷处理提供新的方法和方向。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

实施例1：

一种光催化还原和沉水植物联合处理沉积物磷的方法，其步骤是：

1)沉积物采自湖北武汉某浅水湖泊，各形态磷含量如表1所示。

2)筛选出沉水植物为菹草(Potamogeton crispus)和伊乐藻(Elodea nuttallii)。

3)将菹草和伊乐藻(数量比例为1∶1)种植到装有沉积物的玻璃缸(50cmx50cmx80cm)中，缸中泥深10cm，在沉积物上铺一层负载纳米半导体光催化剂薄膜的镁渣陶瓷滤球，厚度为2cm。

4)注入上覆水，其上覆水采自沉积物采样点上的水柱，水深60cm。

5)在沉水植物生长初期和衰退期通过外加光源(高压汞灯)进行间歇照射(白天照射4小时，晚上照射2小时)，外加光源既能使光催化剂进行光催化反应，又能满足沉水植物生长所需光照。

6)每隔15天采集沉积物样品，测定沉积物各形态磷变化情况。

所述的纳米半导体光催化剂为氧化物半导体(如二氧化钛)；所述的光源为250W的高压汞灯。

本实施例中，沉水植物生长180天后，沉积物总磷去除率可以达到85％以上。

表1沉积物各形态磷含量(mg/kg)

实施例2：

与实施例1基本相同，不同之处在于：所述的沉积物采自湖北武汉某浅水湖泊，各形态磷含量如表2所示；所述的沉水植物为菹草(Potamogeton crispus)和金鱼藻(Ceratophyllumdemersum L.)；所述的纳米半导体光催化剂为硫化物半导体(如硫化镉等)。

本实施例中，沉水植物生长180天后，沉积物总磷去除率可以达到80％以上。

表2沉积物各形态磷含量(mg/kg)

实施例3：

与实施例1基本相同，不同之处在于：所述的沉积物采自长江中下游某淡水湖泊，各形态磷含量如表3所示；所述的沉水植物为苦草(Vallisneria spiralis)和金鱼藻(Ceratophyllumdemersum L.)；所述的纳米半导体光催化剂为改性氧化物半导体(如改性二氧化钛)；所述的光源为250W高压钠灯。

本实施例中，沉水植物生长180天后，沉积物总磷去除率可以达到90％以上。

表3沉积物各形态磷含量(mg/kg)

实施例4：

与实施例1基本相同，不同之处在于：所述的沉积物采自浙江省杭州市某浅水湖泊，各形态磷含量如表4所示；所述的沉水植物为：伊乐藻(Elodea nuttalli)和金鱼藻(Ceratophyllumdemersum L.)；所述的纳米半导体光催化剂为改性硫化物半导体(如改性硫化镉等)；所述的光源为250W高压钠灯。

本实施例中，沉水植物生长180天后，沉积物总磷去除率可以达到90％以上。

表4沉积物各形态磷含量(mg/kg)

实施例5：

与实施例1基本相同，不同之处在于：所述的沉积物采自长江中下游某淡水湖泊，各形态磷含量如表5所示。所述的沉水植物为：菹草(Potamogeton crispus)和苦草(Vallisneriaspiralis)；所述的纳米半导体光催化剂为改性氧化物半导体(如改性二氧化钛)；

本实施例中，沉水植物生长180天后，沉积物总磷去除率可以达到90％以上。

表5沉积物各形态磷含量(mg/kg)

Claims (1)

1.一种光催化还原和沉水植物联合处理沉积物磷的方法，其步骤是：

1）筛选出适合当地气候及水域条件的沉水植物；

2）将沉水植物种植到装有沉积物的玻璃器皿中，在沉积物上铺一层负载纳米半导体光催化剂薄膜的环保滤球；

3）注入上覆水，其上覆水采自沉积物采样点上的水柱；

4）在沉水植物生长初期和衰退期通过外加光源进行间歇照射，外加光源既能使光催化剂进行光催化反应，又能满足沉水植物生长所需光照；

5）每隔一段时间采集沉积物样品，测定沉积物各形态磷变化情况；

所述的沉积物磷为重度、中度、轻度富营养化水体或处于向富营养过渡阶段水体中的沉积物磷；

所述的纳米半导体光催化剂为氧化物半导体、硫化物半导体、掺杂氧化物半导体、掺杂硫化物半导体中的任意一种或任意二种以上的混合，任意二种以上混合时为任意配比；

所述的光源是高压汞灯、高压钠灯、自然光、荧光中的任意一种或任意二种以上的混合光源；

所述的环保滤球为废物资源化利用产生的镁渣环保陶瓷滤球；

所述的沉水植物为适合当地气候及水域条件的一种或2-10种植物的组合；

所述的沉水植物为菹草、伊乐藻、苦草、金鱼藻、马来眼子菜、微齿眼子菜以及黑藻。