CN104529099A - 一种河道或湖泊疏浚后硬质底质改良剂及其制备方法和用途 - Google Patents

一种河道或湖泊疏浚后硬质底质改良剂及其制备方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种河道或湖泊疏浚后硬质底质改良剂及其制备方法和用途，属于水体底质处理领域。具体的说，是将具有高效磷固定能力的热处理钙基海泡石和/或钙基凹凸棒粘土加入到河道或湖泊疏浚底泥中，混合均匀，并在自然环境条件下放置7-10天，之后返填到被疏浚河道或湖泊中，用于硬质底质的修复和改良。钙基海泡石和/或钙基凹凸棒粘土材料混合到疏浚底泥中，可以有效固定疏浚底泥中的磷，矿化底泥中有机质，同时降低含水率，增加孔隙度，避免二次污染问题；处理后的疏浚底泥重新填入湖体中，可以改良疏浚后的硬质底质，增强水生生物适生性，实现了污染底泥的再利用，同时取得了改善受损底质环境的双重效果。

Description

一种河道或湖泊疏浚后硬质底质改良剂及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及水体底质处理领域，更具体地说，涉及一种河道或湖泊疏浚后硬质底质改良剂及其制备方法和用途。
背景技术
在水生生态系统中，沉积物是磷等营养物质的重要蓄积库，由外界产生的污染得到了有效控制后，在生物或物理因子等作用下促使的沉积物释放，仍有可能导致水体在相当长的时期内维持富营养化。底泥疏浚能从湖体将污染底泥永久性去除，因而被较多的应用于湖泊治理中，如滇池、巢湖、西湖等湖泊陆续开展了底泥疏浚工程。
底泥疏浚在底泥治理方面具有较大优势，但是也存在两个主要问题，一是在疏浚过程中必然产生大量的疏浚底泥，并且底泥含水率高，运输困难，氮、磷及有机质含量高，如果不能得到合理的处理又会带来二次污染；二是疏浚后表层底泥环境被破坏，新生表层底泥底质较硬，水生生物难以适应新环境，导致水生生物的种类、丰度及生物量减小。因此，处理和处置疏浚底泥，降低环境风险，以及对疏浚后受损底质进行修复、改良硬质底质环境是目前疏浚技术亟待解决的问题。
中国专利申请(申请号200510028579.3，授权公告号CN100560689C)公开了一种富营养化湖泊的底质改良剂及其制备方法。该改良剂由红土壤和活性氧化铁、活性氧化铝配制而成。中国专利申请(申请号200710022520.2，授权公告号CN100497522C)公开了一种水产养殖池塘底质改良剂。该改良剂采用过碳酸钠和腐殖土、聚合硫酸铁、凹凸棒土和沸石粉的混合制备而得。但上述方法均采用化学改性方法以及物理化学复合的方法，所使用的化学试剂在一定程度上会对水生态系统产生污染和危害，带来二次污染。
中国专利申请(申请号201310655239.8，公布号CN103695336A)公开了一种改良对虾池塘底部生态环境的微生物制剂及制备方法。但该方法繁琐，其使用受微生物种类、活性和水体溶氧等因素影响较大，作用效果不稳定，成本较高且效果不显著。
发明内容
1.要解决的技术问题
针对现有技术中存在的改良剂制备方法较为繁琐，成本较高，在环境中作用效果不稳定，易产生二次污染的问题，本发明提供一种河道或湖泊疏浚后硬质底质改良剂及其制备方法和用途。它可以实现污染底泥的再利用，同时可用于硬质底质的修复和改良，改善受损底质环境。
2.技术方案
本发明通过以下技术方案实现。
一种用于河道或湖泊疏浚后硬质底质的改良剂，由疏浚底泥和钙基粘土材料混合制成，所述钙基粘土材料和疏浚底泥的干重质量比≥10:100。
进一步的，所述钙基粘土材料和疏浚底泥的干重质量比为10:100～20:100。
进一步的，所述的钙基粘土材料为钙基海泡石和/或钙基凹凸棒粘土矿物，所述的钙基海泡石分子组成为Mg4Si6O15(OH)2·6H2O，钙基凹凸棒粘土矿物分子组成Mg5Si8O20(OH)2(OH2)4·4H2O。
进一步的，所述钙基海泡石和/或钙基凹凸棒粘土矿物中白云石含量为15％～25％，所述白云石分子组成为CaMg(CO3)2。
一种用于河道或湖泊疏浚后硬质底质的改良剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将所述的钙基粘土材料制作成颗粒状，在105℃条件下烘干；
(2)将经过步骤(1)处理过的钙基粘土材料在550℃的温度下加热1h；
(3)将经过步骤(2)处理过的钙基粘土材料与疏浚底泥混匀，在自然环境条件下固化。
进一步的，步骤(1)中所述的钙基粘土材料为钙基海泡石和/或钙基凹凸棒粘土矿物。
进一步的，步骤(3)中所述钙基粘土材料与疏浚底泥混合的干重质量比为10:100～20:100。
进一步的，所述钙基海泡石和/或钙基凹凸棒粘土矿物中白云石质量含量为15％～25％。
进一步的，步骤(1)中所述钙基粘土材料的颗粒粒径为0.25～0.6mm。
一种河道或湖泊疏浚后硬质底质改良剂的用途，将上述制得的改良剂返填到被疏浚河道或湖泊中，用于改良和修复河道或湖泊疏浚后硬质底质。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)本发明的改良剂采用的钙基粘土材料具有较好的磷固定能力，与疏浚底泥结合，可以降低底泥中磷、含水率和有机质含量，降低了疏浚底泥重填湖泊的二次污染程度，同时可以改良硬质底质环境，促进湖泊沉水植物生长、提供底栖生物的繁殖和活动空间，改善生态环境；
(2)本发明的改良剂选择钙基粘土材料与疏浚底泥干重质量比≥10:100，对疏浚底泥中磷、水和有机质固定效果出现显著提高；
(3)本发明的改良剂选择钙基粘土材料与疏浚底泥干重质量比范围限定在10:100～20:100，使得以最低成本获得最好的固定效果；
(4)本发明的改良剂所采用的原材料钙基海泡石和钙基凹凸棒分布较为广泛，全国储量大，廉价易得且含有较高的碳酸盐类钙质杂质(白云石)，其氧化钙含量分别约为30％和20％左右，这种钙基粘土矿物相对于其他粘土具有更大的固磷容量；
(5)本发明的改良剂所采用的原材料钙基粘土材料中白云石含量为15％～25％，白云石粘土矿物相对于其他粘土具有更大的固磷容量，同时在热处理条件下，固磷能力更是显著增加；
(6)本发明的改良剂所采用的原材料钙基粘土材料粒径选择0.25～0.6mm有强的抗风浪能力且能保证固磷效果良好；
(7)本发明的改良剂的制备方法将钙基粘土材料在550℃的温度下加热1h，使得钙基粘土材料中的钙得到活化，增强对磷的吸附能力，在此条件下可以满足显著增强磷吸附能力，同时降低能消耗，节约成本；
(8)本发明的一种用于河道或湖泊疏浚后硬质底质的改良剂不仅能够有效固定疏浚底泥中的氮和磷，降低含水率和矿物有机质，降低疏浚底泥对环境造成二次污染的风险，同时本发明还可以修复受损的底泥环境，增强硬质底质的适生性，成本较低，操作简单，具有较广阔的应用前景；采用疏浚底泥与具有高效磷固定能力的钙基粘土材料混合用于疏浚后硬质底质的修复，是解决疏浚底泥的处置问题，同时对受损后的底泥环境进行改良的有效方法。
附图说明
图1不同干重质量比的钙基粘土材料和疏浚底泥对疏浚底泥中活性磷量的固化效果图；
图2不同干重质量比的钙基粘土材料和疏浚底泥降低疏浚底泥含水率的固化效果图；
图3不同干重质量比的钙基粘土材料和疏浚底泥对疏浚底泥中有机质含量的固化效果图；
图4未修复和经修复受损底质中沉水植物存活率对比图；
图5未修复和经修复受损底质的底栖生物迁徙深度对比图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
实施例1
本发明提供的一种河道或湖泊疏浚后硬质底质改良剂，其制备方法包括如下步骤：
(1)取江苏盱眙县的原状钙基凹凸棒50g，其中白云石质量含量为15％，采用机械方法制作粒径为0.25～0.6mm的颗粒，并在105℃条件下烘干至恒重；
(2)将经过步骤(1)处理过的钙基凹凸棒在550℃的温度下加热1h，冷却至室温，放 置干燥器内保存；
(3)取巢湖南淝河湖区疏浚底泥1000g，与经过步骤(2)处理过的钙基凹凸棒按照100:5的干重质量比混匀，在自然环境条件下固化反应7天。
实施例2
本发明提供的一种河道或湖泊疏浚后硬质底质改良剂，其制备方法包括如下步骤：
(1)取河北易县的原状钙基海泡石100g，其中白云石质量含量为20％，采用机械方法制作粒径为0.25～0.6mm的颗粒，并在105℃条件下烘干至恒重；
(2)与实施例1步骤(2)相同；
(3)取巢湖南淝河湖区疏浚底泥1000g，与经过步骤(2)处理过的钙基海泡石按照100:10的干重质量比混匀，在自然环境条件下固化反应8天。
实施例3
本发明提供的一种河道或湖泊疏浚后硬质底质改良剂，其制备方法包括如下步骤：
(1)取河北易县的原状钙基海泡石150g，其中白云石质量含量为25％，采用机械方法制作粒径为0.25～0.6mm的颗粒，并在105℃条件下烘干至恒重；
(2)与实施例步骤(2)相同；
(3)取巢湖南淝河湖区疏浚底泥1000g，与经过步骤(2)处理过的钙基海泡石按照100:15的干重质量比混匀，在自然环境条件下固化反应9天。
实施例4
本发明提供的一种河道或湖泊疏浚后硬质底质改良剂，其制备方法包括如下步骤：
(1)取江苏盱眙县的原状钙基凹凸棒200g，其中白云石质量含量为25％，采用机械方法制作粒径为0.25～0.6mm的颗粒，并在105℃条件下烘干至恒重；
(2)与实施例步骤(2)相同；
(3)取巢湖南淝河湖区疏浚底泥1000g，与经过步骤(2)处理过的钙基凹凸棒按照100:20的干重质量比混匀，在自然环境条件下固化反应10天。
实施例5
本发明提供的一种河道或湖泊疏浚后硬质底质改良剂，其制备方法包括如下步骤：
(1)取江苏盱眙县的原状钙基凹凸棒250g，其中白云石质量含量为15％，采用机械方法制作粒径为0.25～0.6mm的颗粒，并在105℃条件下烘干至恒重；
(2)与实施例1步骤(2)相同；
(3)取巢湖南淝河湖区疏浚底泥1000g，与经过步骤(2)处理过的钙基凹凸棒按照100:25的干重质量比混匀，在自然环境条件下固化反应7天。
分析底泥中含水率、有机质含量、活性磷的含量(活性磷为弱吸附态磷、铁结合态磷以及有机结合态磷的总和)。分析结果如图1-3所示。钙基粘土材料与疏浚底泥的比例大于10％时钙基粘土材料对疏浚底泥固定效果随着两者比例的提高显著增强，活性磷固定率在42.3％以上，含水率减少率24.6％以上，有机质减少率为15.4％以上，考虑到成本以及湖泊库容问题，钙基粘土材料和疏浚底泥的干重质量比选择10:100～20:100作为混合比例，将两者混合并搅拌均匀，自然干燥条件下反应7-10天，即得底质改良复合材料。
实施例6未修复和经修复受损底质中沉水植物存活率对比实验
A：在高75cm，直径50cm的生态模拟水桶中放入高20cm，直径15cm的花盆，培养苦草，花盆底部放入巢湖南淝河疏浚后的硬质底泥，高度为10cm，然后其上部覆盖厚度10cm的实施例1制得的改良剂，此组为处理组。
B：设立不添加改良剂的疏浚后的硬质底泥作为对照组，高度为20cm。
C：每个水箱体水深达40cm，水温25℃，光照强度2000lux，光暗比12h：12h，在花盆中栽种苦草草牙。
D：培养40天后，对照组相对于处理组植株明显矮小、叶片发黄；处理组的苦草枝叶翠绿，植株变高变粗。40天后对照组的平均植株高度52.5cm，平均鲜重为10.64g，处理组的平均植株高度105.8cm，平均鲜重为24.17g。
分析结果可以得出，实施例1制得的改良剂可以改善底质环境，促进沉水植被的生长，进而达到生态修复的目的。
实施例7未修复和经修复受损底质中底栖生物迁徙深度对比实验
A：在巢湖南淝河疏浚区用直径为12cm，高度为40cm的柱状有机玻璃管，采集沉积物样品，带回实验室培养，同时采集底栖生物水丝蚓，铜锈环棱螺，河蚬用于实验培养。9根有机玻璃管内沉积物柱状样作为对照组，剩余9根的硬质表层加入10cm厚度的实施例2制得的改良剂作为处理组。
B：实验开始前，为了将沉积物柱样中原先存在的底栖生物去除，在沉积物柱样上覆水处充入氮气，迫使底栖生物在厌氧条件下迁至沉积物表层。在充入氮气4d之后，用镊子小心移除沉积物柱样表层的铜锈环棱螺和河蚬，在充入氮气8d后，移除沉积物表层的霍普水丝蚓，在沉积物表层观测不到霍普水丝蚓的活动痕迹后认为沉积物柱样中的底栖生物已经全部移除。
C：选取个体长度在10～15mm，重量约为1.5～2.0g的河蚬；个体长度在10～15mm，重量为1.0～2.0g的铜锈环棱螺；霍普水丝蚓选取长度约为10～15mm用于实验，在实验组每根沉积物柱状样中投加50条霍普水丝蚓，8只河蚬，8只铜锈环棱螺，底泥上部加入15cm 的湖水，曝气培养7d。
D：对底栖生物垂向迁移能力和死亡率进行检测，将沉积物样品按2cm的间隔进行分样，并对各层沉积物中的底栖生物数量同时进行记录。
结果见图4，三种底栖生物在改良后的底泥中的存活率大大提高，河蚬、铜锈环棱螺和霍普水丝蚓存活率分别由49.52％到80.95％，31.21％到82.64％，71.66％到98.32％。如图5所示，迁移深度也明显增加，分别由2.5到4.5，3.5到8，3.5到9.5。这充分表明，改良后底质表现出良好的适生性。
本发明的一种河道或湖泊疏浚后硬质底质改良剂及其制备方法和用途同时解决了两个问题：1、疏浚底泥的处置问题，疏浚底泥通常是暴露于环境，要达到废物利用，用于湖泊修复，必须克服疏浚底泥中高含量磷、高含水率、高有机质的释放问题，加入固定剂会减弱释放，同时还可以继续提供生物所需的营养和生物生存的介质，达到了废物利用的效果；2、受损底质改良问题，湖泊底泥疏浚后，底泥环境被破坏，底栖生物的生存空间被破坏，硬质底质不适宜沉积物植被恢复，也不适宜底栖生物活动，将这种复合改良材料投入湖底后，一方面可以提供沉水植被所需的营养物质，同时提供底栖生物适宜的生存环境，达到了废物处置问题且实验结果证明了基本无生态风险。
以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，实际的技术方案并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的实施方式，均应属于本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于河道或湖泊疏浚后硬质底质的改良剂，其特征在于：所述改良剂由疏浚底泥和钙基粘土材料混合制成，所述钙基粘土材料和疏浚底泥的干重质量比≥10:100。
2.根据权利要求1所述的一种用于河道或湖泊疏浚后硬质底质的改良剂，其特征在于：所述钙基粘土材料和疏浚底泥的干重质量比为10:100～20:100。
3.根据权利要求1所述的一种用于河道或湖泊疏浚后硬质底质的改良剂，其特征在于：所述的钙基粘土材料为钙基海泡石和/或钙基凹凸棒粘土矿物，所述的钙基海泡石分子组成为Mg4Si6O15(OH)2·6H2O，钙基凹凸棒粘土矿物分子组成Mg5Si8O20(OH)2(OH2)4·4H2O。
4.根据权利要求3所述的一种用于河道或湖泊疏浚后硬质底质的改良剂，其特征在于，所述钙基海泡石和/或钙基凹凸棒粘土矿物中白云石含量为15％～25％，所述白云石分子组成为CaMg(CO3)2。
5.根据权利要求1所述的用于河道或湖泊疏浚后硬质底质的改良剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将所述的钙基粘土材料制作成颗粒状，在105℃条件下烘干；
(2)将经过步骤(1)处理过的钙基粘土材料在550℃的温度下加热1h；
(3)将经过步骤(2)处理过的钙基粘土材料与疏浚底泥混匀，在自然环境条件下固化。
6.根据权利要求5所述的用于河道或湖泊疏浚后硬质底质的改良剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的钙基粘土材料为钙基海泡石和/或钙基凹凸棒粘土矿物。
7.根据权利要求5所述的用于河道或湖泊疏浚后硬质底质的改良剂的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述钙基粘土材料与疏浚底泥混合的干重质量比为10:100～20:100。
8.根据权利要求6所述的改良剂的制备方法，其特征在于：所述钙基海泡石和/或钙基凹凸棒粘土矿物中白云石质量含量为15％～25％。
9.根据权利要求5-8中任一项所述的改良剂的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述钙基粘土材料的颗粒粒径为0.25～0.6mm。
10.一种河道或湖泊疏浚后硬质底质改良剂的用途，其特征在于：将经权利要求5-8中任一项制得的改良剂返填到被疏浚河道或湖泊中，用于改良和修复河道或湖泊疏浚后硬质底质。
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