CN105712596B - 一种矿区流域重金属污染底泥的原位修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种矿区流域重金属污染底泥的原位修复方法，包括以下步骤：设置护坡墙；平整所述岸边河床坡面，在所述岸边河床坡面上铺设一层土工布；取矿区流域重金属污染底泥与重金属污染修复剂搅拌混合，铺设于土工布上，稳定一段时间，形成一修复底泥层；在所述修复底泥层上种植植物。本方法一方面可以解决河道污染底泥淤积的问题，另一方面底泥基质修复剂的加入与河道植物组合种植有效解决底泥重金属污染问题，而且同时使得河道景观优美、水质也得到了持续有效的改善。其中，植物混合间作有利于重金属污染底泥修复和稳定边坡，防止水土流失。

Description

一种矿区流域重金属污染底泥的原位修复方法

技术领域

本发明涉及重金属污染治理技术领域，具体涉及一种矿区流域重金属污染底泥的原位修复方法。

背景技术

在我国现代化发展的进程中，大量的矿产资源被开采冶炼加工。随着累年开采，选矿，冶炼再到后期的化工及电镀等工业废水不断排放到周围环境中，造成河道、湖泊等水体严重的重金属的污染，水体中大部分重金属在沉淀、络合、吸附、氧化还原等作用下由水相转入固相，最终沉积于底泥中并逐渐富集，致使底泥中重金属含量往往高于水体重金属含量好几个数量级，造成严重污染。在一定条件下，底泥中重金属可能被重新释放出来，使水体的重金属浓度升高，并且通过生物富集和食物链放大等作用，影响人类的健康，破坏自然环境和生态系统，形成明显的二次污染。例如，日本熊本县水俣病和神通川流域妇中村“痛痛病”、广东韶关大宝山矿区上坝村“癌症村”、湖南石门砷矿的死亡密码等因重金属污染导致的重大公共卫生事件频繁发生。郴州三十六湾矿区甘溪河底泥中，砷含量超标715.73倍，湖南省更是投资595亿元治理湘江流域重金属污染。因此，修复净化水体污染底泥日益成为生态环境保护的一项迫切而艰巨任务。

当前，针对污染水体底泥的修复方法主要有异位固定、异位处理、原位固定、原位处理等4类方法。异位处理或固定则是将底泥疏浚后再进行输移处理，处理的方法主要包括物理方法、化学方法、生物方法。异位处理法各有其优点，但都存在着工程量大、费用高，经济上难以承受，且容易造成二次污染等一系列问题。原位处理或固定是将污染底泥留在原处，利用物理、化学或生物方法减少受污染底泥的容积，减少污染物量或降低污染物的溶解度、毒性或迁移性，并减少污染物释放的底泥污染整治技术。现今，原位修复技术已受到了国内外学者、政府部门以及环保企业的高度重视。

原位修复技术按照修复原理的不同，一般可分为原位物理处理、原位化学处理、原位生物处理和原位生态处理四种。原位物理处理是一个人工的物理自然过程，通过破坏分层、人工曝气等方法造成异重流，提高底层水体的溶解氧含量和水体温度，加速水体和底泥中污染物的降解，以去除污染。借助于工程技术措施，直接或间接消除底泥中污染物的修复方法；原位化学处理技术是一个人工的化学自然过程，利用化学制剂与污染底泥发生氧化、还原、沉淀、聚合等反应，使重金属从底泥中分离或转化成无毒的化学形态；原位生物处理技术是指，利用底泥中生物的代谢活动降解减轻污染物的毒性并最终无害化；原位生态处理是指改变重金属的活性或在底泥中的结合态，通过改变污染物的化学或物理特性而影响他们在环境中的迁移、转化和降解速率，从而使污染了的环境能够部分或者完全恢复到原始状态的过程。生态修复的总体目标是恢复河流系统健康，实现人与河流的和谐共存。河流生态修复主要技术包括：缓冲区修复、植被恢复、河道补水、生物-生态修复、生境修复、水生生物群落修复技术等。通过受损河流的生态修复与重建，使河流具有完整的食物链系统，从而增强河流本身具有的自净作用。

从当前国内外对受污染底泥处置技术研究实践进展来看，矿区流域重金属污染底泥修复用多技术协同原位修复技术手段，是一条切实可行的途径。然而，在矿区流域重金属污染的河道，有着大量的河道淤积物，并且存在着以下需要解决的问题：（1）由于矿区流域底泥基质营养元素含量低，植被的生长发育受到限制；（2）由于矿区流域底泥中重金属含量高，对常规水生植物有所毒害，造成可用来种植的植物品种单一，建立简单的植物群落稳定性差，影响生态修复的长久性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种矿区流域重金属污染底泥的原位修复方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种矿区流域重金属污染底泥的原位修复方法，包括以下步骤：

S1：在矿区流域岸边河床坡面的最低处设置护坡墙；

S2：平整所述岸边河床坡面，在所述岸边河床坡面上铺设一层土工布；

S3：取矿区流域重金属污染底泥与重金属污染修复剂搅拌混合，铺设于S2所铺设的土工布上，稳定一段时间，形成一修复底泥层；

S4：构建植物群落，在所述修复底泥层水深不超过20cm的部分，种植挺水植物，所述挺水植物为芦苇、花叶芦竹、千屈菜、香根草、再力花、香蒲、菖蒲、翠芦莉、茭白、泽泻、荆三棱、水葱、芒草中的至少两种，所述挺水植物采用混合间作方式种植，在所述修复底泥层水深超过20cm的部分，种植沉水植物或浮水植物，所述沉水植物为苦草、菹草、绿藻、黑藻、金鱼藻、大茨藻中的至少一种，所述浮叶植物为睡莲、凤眼莲、大薸、浮萍、菱中的至少一种。

在本发明的一些实施例中，所述S4中所种植的挺水植物为花叶芦竹、菖蒲和香根草，三种植物混合间作。

在本发明的另一些实施例中，所述S4中挺水植物为芦苇、香蒲和荆三棱，三种植物混合间作。

进一步地，在所述修复底泥层水深超过20cm的部分，种植沉水植物，所述沉水植物为绿藻。

优选地，在所述S4后，还包括S5：取小石块和/或细砂铺设在所述修复底泥层上，用于稳固坡面和植物。

进一步优选地，在所述S5后，还包括S6：收割进入衰败期的植物。

在本发明的一些实施例中，所述S1的具体步骤为：对矿区流域重金属污染底泥进行筛分，分为大中石块、小石块、淤泥及细砂，在矿区流域岸边河床坡面的最低处，取大中石块堆砌并用铁丝网固定形成护坡墙。

进一步地，所述S1还包括以下步骤：紧靠所述护坡墙靠近岸边的一侧，使用黏土设置一阻隔层，用于填满所述护坡墙的孔隙。

优选地，所述S2的具体步骤为将所述岸边河床坡面平整为坡度≤35°的坡面，再在所述岸边河床坡面上铺设一层土工布。

优选地，所述护坡墙的高度高于常水位50cm以上。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种矿区流域重金属污染底泥的原位修复方法，可以就原位对重金属底泥进行修复，矿区流域重金属污染底泥中重金属含量高，直接种植植物，植物无法成活，将底泥和重金属污染修复剂混合，铺设在土工布上，使用土工布将修复后的底泥和未修复的底泥间隔开来，为底泥稳定提供条件，通过重金属污染修复剂对底泥进行钝化稳定化处理，降低其毒性，再栽种植物，植物成活率高，植物不断吸收富集修复的底泥中重金属，随着植物生长，可以逐渐去除底泥中所含重金属。此外，植物根系可以稳定河流岸带边坡，防止水土流失。本方法一方面可以解决河道污染底泥淤积的问题，另一方面重金属污染修复剂的加入与河道植物组合种植有效解决底泥重金属污染问题，而且同时使得河道景观优美、水质也得到了持续有效的改善。其中，植物混合间作更有利于植物吸收富集重金属，更有利于植物生长和稳定边坡，能更好地防止水土流失。

附图说明

图1为实施例1中三种植物单一种植和混合间作的富集重金属对比图；

图2为矿区流域重金属污染底泥修复的示意图。

具体实施方式

实施例1：

野外采集某矿区流域重金属污染底泥，风干，筛分，分为大中石块、小石块、淤泥及细砂，取淤泥过2 mm筛后得到待修复底泥，分析底泥的基本性质，得到结果如表1。底泥重金属固化实验：向待修复底泥中以2%的质量分数添加如专利CN 105062495 A中所述的重金属稳定剂，搅拌均匀，保持含水量90%，养护稳定15天，取样。采用DTPA浸提ICP-OES测定底泥中有效态重金属含量。

表1某矿区流域重金属污染底泥基本性质

经测定，添加药剂养护稳定15天后，DTPA浸提底泥中有效态重金属含量显著降低。DTPA-Pb、DTPA-Cu、DTPA-Zn、DTPA-Cd含量分别下降了70%~88%、65%~80%、60%~80%、10%~30%，pH无明显变化。

将已修复15天的底泥装入PVC箱（1.0 m×0. 8 m×0.5 m），PVC 箱底部不设渗流孔以防止由于水分渗出导致重金属的转移及二次污染，而是在箱底铺设 5cm 厚的瓦砾隔水。自然条件下室外栽培，采用自然光照，模拟植物自然生长状态。选择三种候选植物花叶芦竹、菖蒲、香根草，每箱15株进行播种，分别按照单一品种和三种植物混合间作的方式进行组合，每组设3个重复，并设立一个未种植植物的对照。使用去离子水使PVC箱内沉积物的持水率稳定在70%~90%。自然条件下室外栽培，采用自然光照，模拟植物自然生长状态。分别采集候选植物根际底泥，使用Tessier形态分析法分析检测底泥重金属赋存形态。

经测定，单一种植的植物根际表层底泥中Cu主要以残渣态存在（40%以上），有机结合态的比例也很高（超过50%），Cu的铁锰氧化态和碳酸盐结合态含量均小于15%）。Pb主要以残渣态存在（50%以上），其次为碳酸盐结合态和铁锰氧化态（10%左右）。Zn与Pb的化学形态构成相似，Zn的残渣态含量高达50%以上，而Zn的碳酸盐结合态和铁锰氧化态在10%以上。Cd主要以碳酸盐结合态存在，Cd的碳酸盐结合态在表层沉积物中的比例高达45%~57%。而植物混合间作对沉积物中Pb、Zn和Cd的活化作用较为明显，根际底泥中Pb、Zn、Cu和Cd的残渣态比例明显下降、而可交换态含量增加。根际表层底泥中Pb的残渣态含量减少了26.71%，而可交换态含量增加了近10%，对Zn的形态构成影响最大，经过修复后根际的表层底泥中残渣态Zn含量降低了17.04%，而可交换Zn提高了11.23%。

分别采集单一种植的和混合间作的花叶芦竹、菖蒲、香根草的地上部分，分析检测地上部分组织中Pb、Zn、Cu、的含量，得到三种植物单一种植和混合间作的富集重金属对比图如图1，从图1中可以看出，单一种植方式条件下各种植物地上部分组织中Pb、Zn、Cu、的含量要比混合间作低，混合间作促进植物对重金属的吸收积累，并有效降低某些低耐或不耐重金属的危害；从植物长势上，混合栽种植物的生物量也明显高于单一植物种植生物量（单一种植地上部分平均高度16cm，混合间作的地上部分平均高度115cm）。可见花叶芦竹+菖蒲+香根草的植物搭配，不但在富集重金属能力上强于单一植物，植物长势和生物量更远远超过单一植物，植物生长的程度从侧面反映了这种植物搭配体系生态稳定性大大强于单一植物，物种之间形成了一个互利共生体系。所以通过优化植物搭配，并采用混合间作方式，对底泥中重金属富集能力、重金属富集量以及生态稳定性上较以往技术大大增强。

实施例2：

参照图2，在湖南省郴州市苏仙区某一矿区流域河流中游进行本发明重金属污染底泥原位修复。本实施例重金属污染底泥原位修复中，首先选取100米长度坡度在35°以下的河段，筛分河道淤积物，分为大中石块、鹅卵石、淤泥及细沙。充分利用大中石块堆砌并用铁丝网固定形成护坡墙1，所述护坡墙1的高度高于常水位50cm以上。采用底泥中原有的石块堆砌所述护坡墙1，充分利用现有资源，可以降低成本。在紧靠所述护坡墙1靠近岸边的一侧，使用黏土设置一不透水的阻隔层2，用于填满所述护坡墙1的孔隙。在其他实施例中，所述护坡墙1也可以为水泥墙。接着平整坡面，然后铺设一层土工布4，挖取淤积于河道中的矿区流域重金属污染底泥，与重金属污染修复剂搅拌混合，所述重金属污染修复剂投加量为污染底泥质量的5%，所述重金属污染修复剂为专利CN 105062495 A中所述的重金属稳定剂，所述重金属物污染修复剂也可以选用其他市场可以购买得到的各种重金属稳定剂。将混合了修复剂的底泥铺设于S2所铺设的土工布上，稳定一段时间，稳定时间为15天以上，形成一修复底泥层3。在优选的实施例中，稳定时间为20~30天。

分成片区，选取挺水植物5、浮水植物和沉水植物4进行混合种植，在所述修复底泥层水深不超过20cm的部分，种植挺水植物5，挺水植物5为芦苇、花叶芦竹、千屈菜、香根草、再力花、香蒲、菖蒲、翠芦莉、茭白、泽泻、荆三棱、水葱、芒草中的至少一种，在所述修复底泥层3水深超过20cm的部分，种植沉水植物4或浮水植物，所述沉水植物4为苦草、菹草、绿藻、黑藻、金鱼藻、大茨藻中的至少一种，所述浮叶植物为睡莲、凤眼莲、大薸、浮萍、菱中的至少一种。种植不同植物组合，观察植物的生长情况，进行筛选试验，种植完植物后，在坡面上铺设筛分好的鹅卵石、小石头，稳固边坡。

最终得到生长情况最优的两个植物组合，分别为花叶芦竹+菖蒲+香根草+绿藻和芦苇+香蒲+荆三棱+绿藻。在花叶芦竹+菖蒲+香根草+绿藻组合中，花叶芦竹、菖蒲和香根草混合间作，种植比例为2:1:1，种植密度均为7株/m²，绿藻的种植密度为30株/m²。在芦苇+香蒲+荆三棱+绿藻组合中，芦苇与香蒲混合间作，种植比例为1：1，种植密度均为7株/m²，绿藻的种植密度为30株/m²。种植生长3个月后，通过分析检测发现，DTPA-Pb含量降低率达80%~90%，DTPA-Zn含量降低率达85%~95%，DTPA-Cu含量降低率达60~90%。说明所选的植物组合能够有效地吸收富集污染底泥中的Pb、Zn和Cu。底泥中的随着植物不断生长，根系逐渐扎透所述土工布，更为牢固地扎入坡面，稳定坡面，可以防止坡面水土流失。在植物生长到了衰败期的时候，及时收割植物，将已富集重金属的植物收割，从而实现底泥中重金属的去除。

采用本发明所述的矿区流域重金属物污染底泥的原位修复方法，一方面可以解决河道污染底泥淤积的问题，另一方面重金属污染修复剂的加入与河道植物组合种植有效解决底泥重金属污染问题，而且同时使得河道景观优美、水质也得到了持续有效的改善。其中，植物混合间作更有利于植物吸收富集重金属，更有利于植物生长和稳定边坡，能更好地防止水土流失。

以上实施例仅用以说明本发明的较佳实施进行了具体说明而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，熟悉本领域的技术人员应当理解：在不脱离本发明技术方案的精神下，可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，而这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种矿区流域重金属污染底泥的原位修复方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在矿区流域岸边河床坡面的最低处设置护坡墙；

S2：平整所述岸边河床坡面，在所述岸边河床坡面上铺设一层土工布；

S3：取矿区流域重金属污染底泥与重金属污染修复剂搅拌混合，铺设于S2所铺设的土工布上，稳定一段时间，形成一修复底泥层；

S4：构建植物群落，在所述修复底泥层水深不超过20cm的部分，种植挺水植物，所述挺水植物为花叶芦竹、香根草、菖蒲，所述挺水植物采用混合间作方式种植，在所述修复底泥层水深超过20cm的部分，种植沉水植物，所述沉水植物为绿藻。

2.根据权利要求1所述的矿区流域重金属污染底泥的原位修复方法，其特征在于，在所述S4后，还包括S5：取小石块和/或细砂铺设在所述修复底泥层上，用于稳固坡面和植物。

3.根据权利要求2所述的矿区流域重金属污染底泥的原位修复方法，其特征在于，在所述S5后，还包括S6：收割进入衰败期的植物。

4.根据权利要求1所述的矿区流域重金属污染底泥的原位修复方法，其特征在于，所述S1的具体步骤为：对矿区流域重金属污染底泥进行筛分，分为大中石块、小石块、淤泥及细砂，在矿区流域岸边河床坡面的最低处，取大中石块堆砌并用铁丝网固定形成护坡墙。

5.根据权利要求4所述的矿区流域重金属污染底泥的原位修复方法，其特征在于，所述S1还包括以下步骤：紧靠所述护坡墙靠近岸边的一侧，使用黏土设置一阻隔层，用于填满所述护坡墙的孔隙。

6.根据权利要求1所述的矿区流域重金属污染底泥的原位修复方法，其特征在于，所述S2的具体步骤为将所述岸边河床坡面平整为坡度≤35°的坡面，再在所述岸边河床坡面上铺设一层土工布。

7.根据权利要求1所述的矿区流域重金属污染底泥的原位修复方法，其特征在于，所述护坡墙的高度高于常水位50cm以上。