CN106745781A - 具有底泥磷固定与吸收功能的下沉式生态修复装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有底泥磷固定与吸收功能的下沉式生态修复装置，包括下层管材(4)、中层管材(5)、上层管材(6)，所述的下层管材(4)上设有基质固定网(3)，用于装填磷固定基质(2)，所述的中部管材(5)将水生植物和磷固定基质隔开，为植物根系提供生长区域，所述的上层管材(6)上设有植物固定网(7)，用于放置水生植物(8)，所述的下层管材(4)、中层管材(5)和上层管材(6)由下到上依次设置并通过软绳(9)连接浮标(10)，各管材上均设有透水孔眼。与现有技术相比，本发明不仅实现对底泥磷的固定，而且可以对固定的磷加以吸收，最终通过植物收割将磷移除，结构简单、效果好。

Description

具有底泥磷固定与吸收功能的下沉式生态修复装置

技术领域

本发明涉及一种环境保护技术领域的装置，具体是一种具有底泥磷固定与吸收功能的生态修复装置。

背景技术

磷被认为水体富营养化的限制因子，内源磷的聚集给湖泊富营养化带来了潜在威胁，因此削减和控制内源磷的释放是治理湖泊富营养化的关键。近年来，植物修复技术被广泛地应用于内源磷的控制。然而，在一些实际应用中，植物修复去除率较低的问题逐渐显现出来。为了提高去除率，一种新开发的除磷材料水化硅酸钙作为基质被应用于植物修复技术中，促进植物生长，提高抑制内源磷释放的效果。

底泥中的磷被粗略的分为无机磷(IP)和有机磷(Org-P)。由于有机磷在底泥磷负荷中占的比例不大，无机磷分为不稳定性或松结合态磷(Lab-P)、铝结合态磷(Al-P)、铁结合态磷(Fe-P)、钙结合态磷(Ca-P)、闭蓄态磷(O-P)、不稳定性磷结合力弱、稳定性较差，它们在物化条件如温度、pH值、水动力条件及生物扰动等因素作用下，可直接通过再悬浮或渗透被带到上覆水中，或通过水体磷浓度的变化解析到水体，直接参与生态系统的循环。铁磷和铝磷主要是通过一些物理和化学作用吸附在铁、铝氧化物胶体表面上的磷。钙结合态磷主要是碳酸钙吸附的磷和钙磷酸盐沉淀。它也是无机磷的一个主要形态，在pH>8的条件下，磷酸根很容易与钙离子发生共沉淀，并主要以羟基磷灰石(Ca(PO₄)₃OH)形式存在，形式比较稳定，一般被看作永久性的磷汇。闭蓄态磷是指被Fe₂O₃或Al₂O₃胶膜所包蔽的还原性磷酸铁及磷酸铝，很难被作物吸收利用，也不易再次回到底泥的磷循环中，可认为已被固定在底泥中的磷。

内源磷负荷的削减控制技术，一般可以分为原位处理和异位处理。异位处理技术如底泥疏浚、异位淋洗等需要耗费大量的人力物力，且无法从根本上解决问题，难以大规模推广，因此主要采用内源磷的原位处理技术，按照控制方法和原理的不同，原位大致可以分为物理控制技术(如覆盖法、底层曝气、稀释冲刷等)、化学控制技术以及生态控制技术。物理法中以覆盖法最为常见，是在污染底泥上放置一层或多层覆盖物，使污染底泥与水体隔离，防止底泥磷向水体迁移，采用的覆盖物主要有未污染的底泥、沙、砾石或一些功能基质材料等。然而，由于实际的水体会受到风浪扰动和生物扰动，覆盖法在应用中难以持久有效实现。化学控制技术是指通过向底泥中投加一些化学药剂(如包括硝酸钙、氯化铁和氢氧化钙)，使其与底泥中的磷发生沉淀、配位、结晶等反应，将磷从底泥中分离出来，或控制其释放到水体中的技术，但由于底泥的生物地球化学作用，难以持久的固定磷。总的来讲，原位物理方法和化学方法都起到了暂时的作用，并没有将磷从水体中移除。

生态控制技术是利用大型的水生植物在水体中的物理过程、化学过程、生物过程及协同作用，来抑制及转移内源磷的一种技术，一方面由于水生植物生长过程需要吸收大量氮、磷营养物质，同时大型水生植物的生长可以改变根区底泥的生物地球化学性质，例如:氧化还原电位、pH值、粘土比例、有机质含量、金属离子的数量和形式和磷的吸附能力等，从而改变了磷在底泥、上覆水以及植物体之间的比例，实现对内源磷的原位修复。采用生态控制技术具有投资少、运转费用低、节省能源、无二次污染等优点，对环境扰动小，有利于资源化，有较好的经济效益和较高的美化环境价值，有利于整体生态环境的改善，在湖泊富营养化的治理技术中有广阔的发展前景。但是，这一方法也有不可避免的局限性:首先，植物修复法依靠的是植物对营养物质的吸收，而生物作用相对其物理化学等方法来说，过程较为缓慢。这就导致了植物修复的修复周期相对较长。其次，自然水体中的营养物质虽然含量很大，但是浓度并不算高，特别是在植物根系附近的水体中的营养物质浓度很可能难以达到植物需要的浓度，从而使植物难以得到充足的营养物质而抑制了植物的生长，进而影响了修复效果。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构灵活简单、便于管理的具有底泥磷固定与吸收功能的下沉式生态修复装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：具有底泥磷固定与吸收功能的下沉式生态修复装置，其特征在于，包括下层管材、中层管材、上层管材，所述的下层管材上设有基质固定网，用于装填磷固定基质，所述的中部管材将水生植物和磷固定基质隔开，为植物根系提供生长区域，所述的上层管材上设有植物固定网，用于放置水生植物，所述的下层管材、中层管材和上层管材由下到上依次设置并通过软绳连接浮标，各管材上均设有透水孔眼；

采用磷固定基质对底泥磷加以固定，并通过水生植物的根系对固定的磷加以吸收，最终通过植物的收割将磷移除。

所述的磷固定基质为除磷效率高的绿色环保的材料，包括水化硅酸钙。

所述的水生植物采用适合于当地生长的沉水植物或挺水植物。

所述的下层管材和上层管材根据需要设置至少一层。

所述的下层管材、中层管材、上层管材由高强度、耐腐蚀、耐老化的材料制成。

所述的基质固定网由高强度、耐腐蚀、耐老化的材料制成，网格尺寸小于所用磷固定基质材料颗粒的大小。

所述的植物固定网由高强度、耐腐蚀、耐老化的材料制成，网格尺寸供水生植物根系穿过。

所述的软绳采用耐腐蚀、耐老化的材料制成，承担整个下沉式生态修复装置的总重量。

多个下沉式生态修复装置根据浅水湖泊、养殖池塘、河道底泥等具体环境，按照不同组合形状灵活布设。

各下沉式生态修复装置依靠自重实现下沉，通过软绳连接浮标，以确定装置位置，并可通过软绳从水体中取出，便于对植物、基质进行收割、更换等管理。

与现有底泥磷覆盖技术相比，本发明不仅对底泥磷具有很好的覆盖和固定作用，且由于上部水生植物的作用，克服了传统功能基质覆盖易受到水力扰动的影响和沉积物覆盖的影响，同时，水生植物对磷固定基质固定的磷加以吸收利用，通过装置提升，可以将植物收割，使磷从水体中去除。

与现有沉水植物对底泥磷的吸收技术相比，本发明通过磷固定基质强化了植物对磷的吸收作用，且将装置便于提升，对植物、基质进行收割、更换等管理。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中，1-底泥；2-磷固定基质；3-基质固定网；4-下层管材；5-中层管材；6-上层管材；7-植物固定网；8-水生植物；9-软绳；10-浮标。

图2为实施例1中本发明的使用平面示意图；

图3为实施例2中本发明的使用平面示意图；

图4为实施例3中本发明的使用平面示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示。包括下层管材4、中层管材5、上层管材6，所述的下层管材4上设有基质固定网3，用于装填磷固定基质2，所述的中部管材5将水生植物和磷固定基质隔开，为植物根系提供生长区域，所述的上层管材6上设有植物固定网7，用于放置水生植物8，所述的下层管材4、中层管材5和上层管材6由下到上依次设置并通过软绳9连接浮标10，各管材上均设有透水孔眼；

采用磷固定基质2对底泥1磷加以固定，并通过水生植物8的根系对固定的磷加以吸收，最终通过植物的收割将磷移除。

将上述装置用于富营养化浅水湖泊底泥磷的固定与吸收，具体如下：

在富营养化严重的月份，底泥磷释放严重，将装置置于底泥1磷释放水平较高的区域，单个下沉式生态修复装置结构长2-4m，宽1-2m。如图2所示，多个下沉式生态修复装置A相互连接形成一定面积的覆盖区域。各下沉式生态修复装置A的管材采用高强度、耐腐蚀、耐老化的PP材料制成，管材直径110mm，管材上面布设5-10mm孔径的孔眼，可以使水进入。管材通过高强度、耐老化尼龙软绳连接固定。上层水生植物区的植物固定网7网格尺寸为100mm，下层基质固定网3网格尺寸为20mm，两种固定网均采用高强度、耐腐蚀、耐老化的尼龙网制成。沉水植物可选用穗状狐尾藻、苦草、菹草等(本实施例中选用穗状狐尾藻)。磷固定基质2采用水化硅酸钙颗粒，粒径25-40mm。水化硅酸钙(CSH)是一类以廉价易得、无毒无害的天然材料生石灰、石英粉为原料,经150-210℃水热合成的无机材料。其除磷作用基于晶析原理。对比于常见的吸附剂，水化硅酸钙显示出极强的除磷性能，水化硅酸钙与磷反应后的产物能够溶于土壤并作为磷肥直接为植物生长提供养分。

水化硅酸钙能使底泥的铁磷减少，转化为钙磷及可交换态磷，起到固磷作用。投加水化硅酸钙的实验组铁磷从初始的237.18mg/kg，下降为55.84mg/kg，而钙磷则从373.77mg/kg上升至699.2mg/kg。

水化硅酸钙的投加能够促进穗状狐尾藻对底泥中可交换态磷的吸收，使底泥磷向植物转移，并促使植物生长，35天后，投加水化硅酸钙的实验组植物含磷量比未投加组高出76％，且投加水化硅酸钙的实验组植株重量增加了149.0％。

实施例2

多个下沉式生态修复装置根据浅水湖泊、养殖池塘、河道底泥等具体环境，按照不同组合形状灵活布设。如图2所示，在本实施例中，将多个下沉式生态修复装置A均匀分散于养殖池塘中，用于富营养化水平的养殖池塘底泥磷的控制与吸收。

在养殖池塘进入6-7月份，为了避免底泥磷释放，在池塘中布设下沉式生态修复装置，单体结构长2-4m，宽1-2m。根据养殖池塘的功能结构布局，将下沉式单元结构零星随机分布。

管材采用高强度、耐腐蚀、耐老化的PP材料制成，管材直径110mm，管材上面布设5-10mm孔径的孔眼，可以使水进入。管材通过高强度、耐老化尼龙软绳连接固定。上层水生植物区的植物固定网网格尺寸为50mm，下层基质固定网网格尺寸为20mm，两种固定网均采用高强度、耐腐蚀、耐老化的尼龙网制成。磷固定基质采用水化硅酸钙颗粒，粒径25-40mm。沉水植物可选用穗状狐尾藻、伊乐藻、轮页黑藻等。

以穗状狐尾藻为例，水化硅酸钙的实验组铁磷下降为76.5％，而钙磷则上升46.5％。水化硅酸钙的投促使植物生长，投加水化硅酸钙的实验组穗状狐尾藻含磷量比未投加组高出76％。

实施例3

用于富营养化河道底泥磷的控制与吸收，如图3所示。

沿着河道方向，在中央或两侧布设具有底泥磷固定与吸收功能的下沉式生态修复装置A，单体结构长2-4m，宽1-2m，装置依次排列，长100米。

管材采用高强度、耐腐蚀、耐老化的PP材料制成，管材直径110mm，管材上面布设5-10mm孔径的孔眼，可以使水进入。管材通过高强度、耐老化尼龙软绳连接固定。上层水生植物区的植物固定网网格尺寸为50mm，下层基质固定网网格尺寸为20mm，两种固定网均采用高强度、耐腐蚀、耐老化的尼龙网制成。磷固定基质采用水化硅酸钙颗粒，粒径25-40mm。选用穗状狐尾藻、菹草等沉水植物，或芦苇、香蒲等挺水植物。

以香蒲为例，水化硅酸钙的实验组铁磷下降为75.3％，而钙磷则上升47.7％。水化硅酸钙的投促使植物生长，投加水化硅酸钙的实验组香蒲含磷量比未投加组高出76％。

Claims (9)

1.具有底泥磷固定与吸收功能的下沉式生态修复装置，其特征在于，包括下层管材(4)、中层管材(5)、上层管材(6)，所述的下层管材(4)上设有基质固定网(3)，用于装填磷固定基质(2)，所述的中部管材(5)将水生植物和磷固定基质隔开，为植物根系提供生长区域，所述的上层管材(6)上设有植物固定网(7)，用于放置水生植物(8)，所述的下层管材(4)、中层管材(5)和上层管材(6)由下到上依次设置并通过软绳(9)连接浮标(10)，各管材上均设有透水孔眼；

采用磷固定基质(2)对底泥(1)磷加以固定，并通过水生植物(8)的根系对固定的磷加以吸收，最终通过植物的收割将磷移除。

2.根据权利要求1所述的具有底泥磷固定与吸收功能的下沉式生态修复装置，其特征在于，所述的磷固定基质(2)为除磷效率高的绿色环保的材料，包括水化硅酸钙。

3.根据权利要求1所述的具有底泥磷固定与吸收功能的下沉式生态修复装置，其特征在于，所述的水生植物(8)采用适合于当地生长的沉水植物或挺水植物。

4.根据权利要求1所述的具有底泥磷固定与吸收功能的下沉式生态修复装置，其特征在于，所述的下层管材(4)和上层管材(6)根据需要设置至少一层。

5.根据权利要求1所述的具有底泥磷固定与吸收功能的下沉式生态修复装置，其特征在于，所述的下层管材(4)、中层管材(5)、上层管材(6)由高强度、耐腐蚀、耐老化的材料制成。

6.根据权利要求1所述的具有底泥磷固定与吸收功能的下沉式生态修复装置，其特征在于，所述的基质固定网(3)由高强度、耐腐蚀、耐老化的材料制成，网格尺寸小于所用磷固定基质材料颗粒的大小。

7.根据权利要求1所述的具有底泥磷固定与吸收功能的下沉式生态修复装置，其特征在于，所述的植物固定网(7)由高强度、耐腐蚀、耐老化的材料制成，网格尺寸供水生植物(8)根系穿过。

8.根据权利要求1所述的具有底泥磷固定与吸收功能的下沉式生态修复装置，其特征在于，所述的软绳采用耐腐蚀、耐老化的材料制成，承担整个下沉式生态修复装置的总重量。

9.根据权利要求1所述的具有底泥磷固定与吸收功能的下沉式生态修复装置，其特征在于，多个下沉式生态修复装置根据浅水湖泊、养殖池塘、河道底泥的具体环境布设。