CN106906792A - 基于底泥资源利用的秸秆生物碳生态型护岸及其构建方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于底泥资源利用的秸秆生物碳生态型护岸及其构建方法,以作物秸秆及河道淤泥为原料制备得到生态型护岸基材,该生态型护岸基材,通过对植物秸秆进行分类预处理,并向经脱水处理的河道清淤底泥中投入预处理后的经破碎的作物秸秆和/或秸秆生物炭,经混合后充分搅拌均匀;然后依次添加稳定剂及固化剂并调节含水率后再次搅拌均匀;本发明具有能有效解决农作物秸秆污染问题、实现清淤底泥就地资源化安全利用、固土护坡效果好、能有效滞缓地表径流、拦截径流污染物以及具备良好的景观效果等特点。

Description

基于底泥资源利用的秸秆生物碳生态型护岸及其构建方法
技术领域
本发明涉及的是一种环境保护及水土保持领域的技术,具体是一种基于农作物秸秆资源化利用的秸秆生物碳生态型护岸及其构建方法。
背景技术
我国城乡河道淤积现象比较普遍,河道原有的调蓄洪水和防灾减灾能力受到严重影响。近年来,国家重点加强了中小河道和农村河道的治理力度,其中清淤工程作为主要措施被广泛使用,江苏省在2003-2014年投资超过40亿进行河道清淤,累计清淤量超过35亿立方米。“十五”以来,我国围绕河湖治理底泥中污染物的去除问题开展了较多的“环保清淤”工程,即将河湖底泥中聚集的污染物通过清淤方式移出湖泊、河流,目前环保清淤在淤泥的处理方面普遍采用堆场堆放模式,在沉淀以后进行土地还原或者进行处理利用。
在河道清淤底泥处理处置方面,过去农村河道广泛存在“挖河泥”的冬季作业,并将挖出的河道淤泥进行堆沤后作为肥料使用,这种方式很好地解决了淤泥的去向。然而,现在由于社会经济发展导致大小河道普遍遭受了工业污水及生活污水、地表初期雨水等的污染,生活方式的变化也使得大量工业废弃物、生活垃圾被弃置于中小河道。随着社会和化工产业的发展,近二十几年来河道、湖泊等水体污染严重,尤其是河道底泥,底泥中含有大量的污染性物质,特别是致病(癌)、破坏生态的持久性的难分解有机物、严重超标的重金属离子。这些有害物质经过食物链累积和扩大效应,将会影响人类的健康,破坏自然环境和生态系统。
河湖水体底泥污染是中国乃至世界范围内的一个环境问题,其污染加剧主要是人为因素造成的,污染物通过大气沉降、废水排放、雨水淋溶与地表冲刷等途径进入水体,大量难降解的污染物相当一部分积累在水体底泥中,并随着时间推移逐渐富集,溶解于水中的污染物浓度在很大程度上受到底泥的影响。由于这些原因,曾经可用于堆沤、育肥的河道淤泥成为污泥,不再适宜直接还田或经过沤肥后作为肥料使用,对污染底泥的治理已刻不容缓。理论上来看,污染严重的底泥应作为危险废物处理,但由于每年河道清淤清出的淤泥量实在太大,为此寻求经济可靠的利用方式成为了底泥治理的新方向。
农作物秸秆数量大、种类多、分布广,我国是粮食生产大国,也是秸秆生产大国,每年可产生秸秆7亿多吨,占全球秸秆总量的20%-30%。目前,农作物秸秆处理方式主要以直接粉碎还田、工业利用(造纸、饲料、发酵清洁能源)、秸秆焚烧三种方式为主。秸秆还田有虽然具有培肥地力的作用,但在实际农业生产中常常直接粉碎在地表,如果腐熟时间不够,会导致土壤病菌增加、作物病害加重等不良现象。此外,我国秸秆露天焚烧率高达20.8%,每年秸秆焚烧产生的PM2.5达到138.1×104吨。因此,秸秆的资源化利用对于实现农业可持续发展、保护环境具有重要意义。
发明内容
本发明针对现有技术无法兼顾底泥中的有害物质并容易导致污染物质流失等问题,提出一种基于底泥资源利用的秸秆生物碳生态型护岸及其构建方法,具有能有效解决农作物秸秆污染问题、实现清淤底泥就地资源化安全利用、固土护坡效果好、能有效滞缓地表径流、拦截径流污染物以及具备良好的景观效果等特点。
本发明是通过以下技术方案实现的:
本发明涉及一种基于底泥资源利用的秸秆生物碳生态型护岸的构建方法,以作物秸秆及河道淤泥为原料制备得到生态型护岸基材,并将生态型护岸基材作为基础铺设于河道或沟渠的边坡底部,在其上部将压制成型的半六棱柱结构的生态型护岸模块按坡面依次堆砌成型;然后在生态型护岸模块构成的种植孔中回填原状土并压顶处理;最后在成型的植物种植孔中种植净化植物以实现固土和净化效果。
所述的铺设,优选预先对河道边坡进行放坡,即按照设计坡度对河岸边坡进行放坡,其中堆砌成型后的生态型护岸模块的高度满足其纵深长度比值和河道边坡设计坡比保持一致。
所述的生态型护岸基材,通过对植物秸秆进行分类预处理,并向经脱水处理的河道清淤底泥中投入预处理后的经破碎的作物秸秆和/或秸秆生物炭,经混合后充分搅拌均匀;然后依次添加稳定剂及固化剂并调节含水率后再次搅拌均匀。
所述的生态型护岸模块通过将拌和均匀的生态型护岸基材通过压制或浇筑成型,待凝固稳定后制成。
本发明涉及上述方法构建得到的生态型护岸,包括:生态型底部基础和位于其上的半六棱柱结构的生态型护岸模块组成的种植孔阵列以及位于种植孔阵列内的净化植物体系,其中:生态型底部基础和生态型护岸模块均为生态型护岸基材制成。
所述的生态型护岸模块为底层砌块或上层砌块,且均为半六棱柱结构,包括:模块顶面、模块底面、模块纵向加强部和种植孔侧壁,其中:种植孔侧壁的两侧分别设有用于水平对接的水平连接棱和水平连接槽,模块顶面和模块底面上分别设有用于竖直对接的竖直连接孔和竖直连接柱。
所述的种植孔侧壁与模块纵向加强部在堆砌成型时构成竖直方向上的六边形种植孔。
所述的上层砌块在底层砌块的基础上进一步增设有延长侧壁,从而实现在堆砌成型时组成六边形种植孔。
技术效果
与现有技术相比,本发明选取农作物秸秆和河道底泥构建生态型护岸,不但解决了困扰已久的农作物秸秆污染问题,而且也实现了清淤底泥的就地无害化、资源化安全利用,底泥内的污染物质不释放。同时,基于本发明构建的模块化生态型护坡具备良好的固土效果,其上部种植经筛选的对径流污染物截除效率高的植物及合理的搭配方式,能有效截留、去除地表径流中氮、磷等污染物质,恢复河道边坡生物多样性,营造良好的河岸湿地生态系统。
相对现有的一般混凝土护岸构建,本发明提高了生态护坡砌块中的空隙含量,比表面积大大增加,为微生物生长、水体及能量交换提供更多的通道,能更好的营造生境,提供更好的地表径流污染物拦截效果,同时具备更好的景观效果,对于河道清淤及岸坡水土保持具有重要意义。此外,地表降雨径流流经该发明构建的生态型护岸时,由于种植孔的交替层叠作用,会形成多层级自然跌落效果,通过护岸入河的径流水得以自然曝气,利于地表降雨径流充氧,进而提高河道水体溶解氧含量,有利于河道水生态系统健康。
附图说明
图1为生态型护岸模块示意图;
图中:a和b分别为底层砌块和上层砌块;
图2为生态型护岸示意图;
图中:1为模块顶面、2为模块纵向加强部、3为竖直连接孔、4为竖直连接柱、5为水平连接棱、6为水平连接槽、7为种植孔侧壁、8为延长侧壁、9六边形种植孔。
具体实施方式
本实施例位于上海市某镇级河道,具体包括以下步骤:
步骤1)将植物秸秆进行分类预处理得到经破碎的作物秸秆及秸秆生物炭,与经过脱水的河道清淤底泥混合后充分搅拌均匀,得到混合基料。
所述的分类预处理是指:对木质化程度相对较低、容易降解的作物秸秆进行机械破碎,对木质化程度相对较高的秸秆造粒后进行高温炭化。
所述的机械破碎,具体为:利用秸秆粉碎机将作物秸秆粉碎至5-8cm;过筛,纤维长度超过8cm的进行二次粉粹,将秸秆破碎到所需长度。
所述的高温炭化是指:将作物秸秆机械破碎至粒径3-5mm,然后在350-450℃碳化炉中进行热解,炭化成秸秆生物质炭。将部分秸秆生物质炭研磨成粉状。
所述的脱水是指:采取自然沉淀或利用固液分离机脱水方式对河道底泥进行干化处理,至含水率达到75-85%。
所述的混合是指:按体积比15-25%的比例向脱水后的河道清淤底泥中加入经破碎的作物秸秆;或者按重量比20-30%向脱水后的河道清淤底泥中加入秸秆生物炭,其中生物碳粉末占10-15%,生物碳颗粒占15-20。
步骤2)添加稳定剂及固化剂,并调节含水率后再次搅拌均匀,得到生态型护岸基材。
所述的稳定剂由蒙脱土和羟基磷灰石组成,其配比为2:1,一般添加用量为2%-10%,最多不能超过20%。
所述的固化剂由硅酸三钙、硅酸二钙和铝酸三钙组成,其配比为3:4:3;该硅酸盐的用量为混合浆料重量的20-25%。
所述的含水率,优选为75-85%。
步骤3)将生态型护岸基材倒入模具中压制或浇筑成型,待凝固稳定后得到生态型护岸砌块。
所述的模具,根据护岸结构需要,可设置各种不同的模块形式,本实施例如图1所示,即半六棱柱结构的模块化结构,使得成型后的生态型护岸模块包括:模块顶面1、模块底面、模块纵向加强部2和种植孔侧壁7,其中:种植孔侧壁的两侧分别设有用于水平对接的水平连接棱5和水平连接槽6,模块顶面1和模块底面上分别设有用于竖直对接的竖直连接孔3和竖直连接柱4。
所述的生态型护岸模块的边长优选为20-30厘米,堆砌成型后的生态型护岸模块两纵向加强部边长15-20厘米,用于插入护坡土层,提高边坡稳定性和护岸结构整体稳定性。
步骤4)对河道边坡进行放坡并夯实底部素土,然后在边坡底部将生态型护岸基材作为基础铺设于河道或沟渠的边坡底部,待基础稳定后在其上部将压制成型的生态型护岸模块按坡面依次堆砌成型,安装完成后生态护岸形成如图2所示的六边形种植孔。
所述的对河道边坡进行放坡是指:按照设计坡度对河岸边坡进行放坡,堆砌成型后的生态型护岸模块的高度满足其纵深长度比值和河道边坡设计坡比保持一致。
所述的夯实底部素土是指:利用夯土机或人工对放坡后坡底土壤进行多次夯实处理,夯实范围为从河岸边破往河道中心线80厘米范围。
所述的铺设是指:在边坡沟底素土夯实的基础上,先铺设5-10厘米后的碎石找平,然后按照宽60厘米、厚20厘米的尺寸制模,将生态型护岸基材倒入,适当振捣后进行凝固及稳定。
所述的依次堆砌成型是指:在垫层上首先安装第一层底部模块(没有侧边下部延长挡土部),然后依次沿整理好的边坡,后退一格距离(堆砌成型后的生态型护岸模块纵深长度),按连接孔交叉安装(图2)生态型护岸砌块,确保上、下、左、右卡口到位。
所述的种植孔侧壁与模块纵向加强部在堆砌成型时构成竖直方向上的六边形种植孔9。
所述的上层砌块在底层砌块的基础上进一步增设有延长侧壁,从而实现在堆砌成型时组成六边形种植孔9。
步骤5)在步骤4形成的六边形种植孔中回填原状土,并在顶部采用碎石压顶,最后在形成的种植孔中种植经筛选的用于固土及净化水质的植物。
所述的回填是指:将边坡整理时的原状土从最下面一排种植孔开始,往上依次填充,填土高度距离种植孔矮边顶部5-8cm;填土后通过水夯的方式进行稳定化处理。
所述的压顶是指:在种植孔回填土表面放置2-4cm的碎石或吸附填料,用于避免雨水及径流水冲刷表面泥土,避免种植孔水土流失;这样设计可以在更大程度上拦截、吸附降雨径流中的污染物质,同时减少径流水对种植孔中土壤冲刷,减少岸坡土壤流失,提高护岸结构稳定性,以及减少径流污染物入河量。
所述的种植经筛选的用于固土及净化水质的植物,包括:在常水位线下种植孔种植经筛选的沉水植物;在消落带种植孔中种植挺水植物;在上部种植孔种植草本植物,有关植物选取兼顾固土护坡、净化能力与景观效果。
所述的沉水植物是指:金鱼藻、苦草、狐尾藻、黑藻、水毯草、伊乐藻、马来眼子菜等中的一种或其组合。
所述的挺水植物是指:美人蕉、芦苇、水葱、黄菖蒲、水竹或千屈菜中的一种或其组合。
所述的草本植物是指:麦冬、高羊茅、黑麦草、剪股颖中的一种或其组合。
以下为本发明构建的生态型护岸与普通护岸效果比较:
表1不同护岸形式对地表径流净化效果比较
通过对上述实施例进行了为期2年的跟踪观测,结果表明利用本发明构建的生态型护岸具有良好的结构稳定性,护岸模块中农作物秸秆经过2年多自然分解后,在护岸模块中形成了数量众多的微小孔洞,在确保护岸结构稳定的基础上,为护岸模块提供了更多的水体流动和物质能量交换通道,同时也大大提高了微生物的生存空间,为生态护岸生境建立及生境优化提供了基础保障。经过对构件模块的浸泡试验,未发现有重金属等污染物质析出。同时,2年监测发现,该模块化梯级生态型护岸能有效截留地表径流的污染物,对地表径流水SS去处率达到50%以上,对氮、磷养分的去除率达到25%以上。结果表明,本发明提出的基于作物秸秆和清淤底泥资源化利用的生态型护岸,能有效保护河道边坡,结构稳定可靠,减少水土流失,降低径流污染物的入河量,大大减轻了地表水环境污染负荷,有效解决了秸秆污染问题,实现了底泥就地资源化利用,该方法构建的生态型护坡具备良好的景观效果。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整,本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限,在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种基于底泥资源利用的秸秆生物碳生态型护岸的构建方法,其特征在于,以作物秸秆及河道淤泥为原料制备得到生态型护岸基材,并将生态型护岸基材作为基础铺设于河道或沟渠的边坡底部,在其上部将压制成型的生态型护岸模块按坡面依次堆砌成型;然后在生态型护岸模块构成的种植孔中回填原状土并压顶处理;最后在成型的植物种植孔中种植净化植物以实现固土和净化效果;
所述的生态型护岸基材,通过对植物秸秆进行分类预处理,并向经脱水处理的河道清淤底泥中投入预处理后的经破碎的作物秸秆和/或秸秆生物炭,经混合后充分搅拌均匀;然后依次添加稳定剂及固化剂并调节含水率后再次搅拌均匀。
2.根据权利要求1所述的构建方法,其特征是,所述的生态型护岸模块通过将拌和均匀的生态型护岸基材通过压制或浇筑成型,待凝固稳定后制成。
3.根据权利要求1所述的构建方法,其特征是,所述的分类预处理是指:对木质化程度相对较低、容易降解的作物秸秆进行机械破碎,对木质化程度相对较高的秸秆造粒后进行高温炭化。
4.根据权利要求1所述的构建方法,其特征是,所述的混合是指:按体积比15-25%的比例向脱水后的河道清淤底泥中加入经破碎的作物秸秆;或者按重量比20-30%向脱水后的河道清淤底泥中加入秸秆生物炭,其中生物碳粉末占10-15%,生物碳颗粒占15-20。
5.根据权利要求1所述的构建方法,其特征是,所述的固化剂由硅酸三钙、硅酸二钙和铝酸三钙组成,其配比为3:4:3;该硅酸盐的用量为混合浆料重量的20-25%。
6.根据权利要求1所述的构建方法,其特征是,所述的铺设是指:在边坡沟底素土夯实的基础上,先铺设5-10厘米后的碎石找平,然后按照宽60厘米、厚20厘米的尺寸制模,将生态型护岸基材倒入并振捣后进行凝固及稳定。
7.根据权利要求1所述的构建方法,其特征是,所述的铺设前,先对河道边坡进行放坡,即按照设计坡度对河岸边坡进行放坡,堆砌成型后的生态型护岸模块的高度满足其纵深长度比值和河道边坡设计坡比保持一致。
8.根据权利要求1所述的构建方法,其特征是,所述的净化植物包括:
在常水位线下种植孔种植经筛选的沉水植物;在消落带种植孔中种植挺水植物;在上部种植孔种植草本植物;
所述的沉水植物是指:金鱼藻、苦草、狐尾藻、黑藻、水毯草、伊乐藻、马来眼子菜等中的一种或其组合;
所述的挺水植物是指:美人蕉、芦苇、水葱、黄菖蒲、水竹或千屈菜中的一种或其组合;
所述的草本植物是指:麦冬、高羊茅、黑麦草、剪股颖中的一种或其组合。
9.一种根据上述任一权利要求所述方法构建得到的生态型护岸,其特征在于,包括:生态型底部基础、生态型护岸模块、交替层级植物种植孔以及净化植物体系,其中:生态型底部基础和位于其上的半六棱柱结构的生态型护岸模块组成的种植孔阵列以及位于种植孔阵列内的净化植物体系,其中:生态型底部基础和生态型护岸模块均为生态型护岸基材制成。
10.根据权利要求9所述的生态型护岸,其特征是,所述的生态型护岸模块为底层砌块或上层砌块,且均为半六棱柱结构,包括:模块顶面、模块底面、模块纵向加强部和种植孔侧壁,其中:种植孔侧壁的两侧分别设有用于水平对接的水平连接棱和水平连接槽,模块顶面和模块底面上分别设有用于竖直对接的竖直连接孔和竖直连接柱。
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