CN107486139A - 原位覆盖抑制黑臭水体底泥磷释放的功能土及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及环保技术领域，尤其是原位覆盖抑制黑臭水体底泥磷释放的功能土及其使用方法。由天然材料和稳定剂配比混合搅拌，在室温下养护一定时间制得；所述的稳定剂为高锰酸钾、过氧化氢、硝酸钙、三氯化铁中的一种或多种混合物。本发明提供的原位覆盖抑制黑臭水体底泥磷释放的功能土及其使用方法，可有效增加底泥磷的钝化效果，在天然红土添加稳定剂的过程中，除了发挥天然红土本身的作用外，稳定剂还起到了吸附、固定底泥磷和改善底泥还原环境的作用，同时，功能土的覆盖厚度减小，对底栖生物的活动场所和生态结构影响也随之减小。

Description

原位覆盖抑制黑臭水体底泥磷释放的功能土及其使用方法
技术领域
本发明涉及环保技术领域，尤其是原位覆盖抑制黑臭水体底泥磷释放的功能土及其使用方法。
背景技术
随着经济的快速发展和城市化过程的加快，我国许多城市河流水质污染十分严重，耗氧性有机污染物和氮磷营养盐含量居高不下，甚至出现了季节性和常年性黑臭水体、黑苔爆发现象。水体黑臭的产生不仅是一种表象的物理作用结果，而是生物化学等各种反应因素的综合作用结果(谢飞等，2016)，受水体有机负荷、Fe和Mn金属污染、底泥污染和水动力条件等多种因素的影响。外源输入以及内源释放的营养盐和有机物在分解过程中会消耗大量的溶解氧，造成水体缺氧(Xu M et al.2015)，水体缺氧会进一步促进有机物的厌氧分解和发酵，产生氨氮、硫化氢、挥发性有机物等恶臭物质以及铁、锰硫化物等黑色物质，形成黑臭水体。
底泥中磷营养盐的循环对水体黑臭有很大影响。当外源排放的含磷生活、工业污水进入水体后，可以通过水体中颗粒状物质的吸附，沉降，絮凝，络合等作用进入底泥中，随着排放时间的持续，底泥中含磷污染物越积越多(董黎明等，2011)。由于不断的累积富集，受污染底泥中耗氧有机物和营养盐等污染物的浓度往往要比上覆水中高出几个数量级。底泥与上覆水之间不停地进行着物质交换和能量交换，底泥中的磷也与上覆水保持着一种吸收与释放的动态平衡，当外源污染得到有效控制或者某些外界因素发生较大改变时，汇聚于底泥中高浓度的营养盐将通过溶解、解吸、分解以及生物转化等过程又不断地迁移到上覆水中，与一般的碳水化合物一起参与耗氧过程，使水体DO降低，导致水体黑臭(DannyD.Rrible et al.2014)，降低水体功能，产生生物毒性效应(Ulrich et al.2007)。同时，底泥是微生物繁殖的主要场所，磷元素作为微生物所需营养元素，底泥中高浓度的磷会促进微生物消耗氧气降解有机质，产生黑色素及CH4、N2和H2S等气体，加速水体黑臭化的速度。
虽然截污纳管、加强污水深度处理等措施在阻断外源污染物排入水体方面具有成效，但是受污染底泥的内源释放会在一定程度上削弱河流的修复效果，甚至加重水体污染负荷。研究发现(张彬等，2012)，当外源污染源得到有效控制后，底泥中的营养盐会逐步向上覆水释放，使水体营养盐保持较高的浓度。Redell C J et al(2011)对瑞典的一个湖泊研究发现，夏季湖泊99％的营养盐来自于底泥，即使切断外源污染，底泥营养盐的季节性再悬浮仍可使水体继续保持富营养化水平数十年，从而延迟或制约水体的修复效果。因此，底泥磷污染控制是城市河道污染治理的重要内容，也是从根本上解决水体黑臭的主要途径之一。
原位覆盖技术常用于控制污染底泥磷释放，它通过表面吸附、离子交换和物理阻隔作用减少黑臭底泥磷的释放，但传统原位覆盖技术存在覆盖厚度过大，会影响底栖生物的活动场所、破坏生态结构等缺点。因此，有必要对传统覆盖材料进行优化。
目前使用较多的掩蔽材料有未污染的底泥、清洁砂子、砾石、钙质膨润土、灰渣、人工沸石、水泥，还可以采用方解石、粉煤灰、土工织物或一些复杂的人造地基材料等。
周莹等(2011)以土壤和硅藻土为覆盖层，研究了其对改善泥水界面微环境的影响，结果表明，两种覆盖层均能够提高泥水界面的氧化还原电位(ORP)，同时能够降低深层水体对溶解氧的消耗以及上覆水中总氮和总磷的含量。
Xu等(2012)研究清洁土壤原位覆盖控制底泥磷释放效果，结果表明，底泥磷与土壤中的活性铁铝结合成Fe/Al-P，从而减少了磷的释放，但由于Fe/Al-P属于非稳定态磷，存在再释放的风险。
天然材料属于惰性覆盖层，主要通过水力阻滞与物理化学吸附等作用减缓底泥间隙水中的溶解性污染物向水体扩散、迁移，并非起降解作用。惰性材料在底泥上的覆盖厚度是影响覆盖效果的主要因素，但天然材料在底泥表面覆盖厚度过大，会影响底栖生物的活动场所，破坏生态结构。
发明内容
本发明提供一种原位覆盖抑制黑臭水体底泥磷释放的功能土，克服上述现有均压技术缺点。
本发明采用的技术方案是：
原位覆盖抑制黑臭水体底泥磷释放的功能土，由以下方法制备所得：由天然材料和稳定剂配比混合搅拌，在室温下养护一定时间制得；所述的稳定剂为高锰酸钾、过氧化氢、硝酸钙、三氯化铁中的一种或多种混合物。
进一步的，所述的天然材料为红土、方解石、高岭土或膨润土中的一种或多种混合物。
进一步的，所述的养护时间为24—48小时。
具体的，所述的天然材料粒径为2-5mm。
进一步的，各原料的配比为，每kg天然材料加入稳定剂：5-15g的KMnO4，或/和20-40g的质量浓度为30％的H2O2溶液，或/和10-30g的Ca(NO3)2·4H2O，或/和2-10g的FeCl3。
优选的，所述的混合搅拌，搅拌时间为1-2小时。
该原位覆盖控制黑臭水体底泥磷释放的功能土的使用方法，其特征在于：在底泥上铺设所述的功能土，铺设厚度为0.05-5厘米，功能土上面还有上覆水。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)有效增加底泥磷的钝化效果；
(2)对底泥磷起到降解作用；
(3)改善底泥还原环境作用；
(4)相比天然材料，改性材料活性覆盖对污染物具有更好的吸附作用，覆盖厚度减小对底栖生物的活动场所和生态结构影响也随之减小；
(5)在低剂量范围内不会造成二次污染；
(6)减少了材料的用量，降低黑臭底泥修复成本。
本发明提供的原位覆盖抑制黑臭水体底泥磷释放的功能土及其使用方法，可有效增加底泥磷的钝化效果，在天然材料添加稳定剂的过程中，除了天然材料本身的作用外，稳定剂还起到了吸附、固定底泥磷和改善底泥还原环境的作用，同时，功能土的覆盖厚度减小，对底栖生物的活动场所和生态结构影响也随之减小。因此，该功能土原位覆盖可降低黑臭底泥修复成本，并有效控制底泥磷的释放，在低剂量范围内不会造成二次污染，在黑臭底泥磷释放控制方面具有应用前景。
附图说明
图1是本发明功能土原位覆盖河流中污染底泥的示意图；
图2是实施例1的功能土原位覆盖上覆水总磷(TP)浓度变化曲线；
图3是实施例1的功能土原位覆盖上覆水溶解性磷酸盐(SRP)浓度变化曲线；
图4是实施例1的功能土原位覆盖底泥磷形态含量变化图。
具体实施方式
下面通过具体的实例对本发明做进一步详细的描述：
实施例1
原位覆盖抑制黑臭水体底泥磷释放的功能土的制备方法：将红土风干过筛后得到粒径为2-5mm颗粒，然后分别添加高锰酸钾、过氧化氢、硝酸钙和三氯化铁。用量分别为，每kg红土：8g的KMnO4、28g的30％H2O2溶液、18g的Ca(NO3)2·4H2O、4g的FeCl3，搅拌1小时后在室温下养护24小时，分别得到高锰酸钾功能土、过氧化氢功能土、硝酸钙功能土、三氯化铁功能土。
该原位覆盖功能土对黑臭水体底泥磷释放的抑制效果：实验是在水桶中进行，温度、pH等不受人为控制。
如图1所示，将3.5kg混合均匀的新鲜底泥加入，使底泥厚度约为8cm。再铺设3cm功能土，利用虹吸法向反应器中缓慢加入上覆水，上覆水取至成都市十陵河，加水过程应尽量缓慢，避免扰动底泥。每隔一定时间测定上覆水TP、溶解性磷酸盐(SRP)浓度。
还有对比例子，分别为空白组、只用红土。
实验结果如图2到图4所示。
实验结果证明：功能土可增强底泥磷释放的抑制效果。添加改功能土覆盖上覆水中TP浓度相比于只使用天然红土覆盖上覆水TP浓度分别减少了51％、23％、54％、12％。功能土覆盖能促进弱吸附态、铁铝结合态等非稳定形态磷转化为更稳定的钙磷，抑制底泥磷的释放。
实施例2
原位覆盖抑制黑臭水体底泥磷释放的功能土的制备方法：将方解石风干过筛后得到粒径为2-5mm颗粒，然后分别添加高锰酸钾、过氧化氢、硝酸钙和三氯化铁。用量分别为，每kg红土：5g的KMnO4、24g的30％H2O2溶液、28g的Ca(NO3)2·4H2O、9g的FeCl3，搅拌1小时后在室温下养护24小时，分别得到高锰酸钾功能土、过氧化氢功能土、硝酸钙功能土、三氯化铁功能土。
实施例3
原位覆盖抑制黑臭水体底泥磷释放的功能土的制备方法：将高岭土风干过筛后得到粒径为2-5mm颗粒，然后分别添加高锰酸钾、过氧化氢、硝酸钙和三氯化铁。用量分别为，每kg红土：14g的KMnO4、35g的30％H2O2溶液、23g的Ca(NO3)2·4H2O、5g的FeCl3，搅拌2小时后在室温下养护36小时，分别得到高锰酸钾功能土、过氧化氢功能土、硝酸钙功能土、三氯化铁功能土。
实施例4
原位覆盖抑制黑臭水体底泥磷释放的功能土的制备方法：将膨润土风干过筛后得到粒径为2-5mm颗粒，然后分别添加高锰酸钾、过氧化氢、硝酸钙和三氯化铁。用量分别为，每kg红土：6g的KMnO4、22g的30％H2O2溶液、25g的Ca(NO3)2·4H2O、7g的FeCl3，搅拌1.5小时后在室温下养护48小时，分别得到高锰酸钾功能土、过氧化氢功能土、硝酸钙功能土、三氯化铁功能土。
实施例5
原位覆盖抑制黑臭水体底泥磷释放的功能土的制备方法：将方解石风干过筛后得到粒径为2-5mm颗粒，然后分别添加高锰酸钾、过氧化氢、硝酸钙和三氯化铁。用量分别为，每kg红土：12g的KMnO4、33g的30％H2O2溶液、28g的Ca(NO3)2·4H2O、10g的FeCl3，搅拌1小时后在室温下养护36小时，分别得到高锰酸钾功能土、过氧化氢功能土、硝酸钙功能土、三氯化铁功能土。
实施例6
原位覆盖抑制黑臭水体底泥磷释放的功能土的制备方法：将红土风干过筛后得到粒径为2-5mm颗粒，然后分别添加高锰酸钾、过氧化氢、硝酸钙和三氯化铁。用量分别为，每kg红土：5g的KMnO4、40g的30％H2O2溶液、20g的Ca(NO3)2·4H2O、10g的FeCl3，搅拌2小时后在室温下养护24小时，分别得到高锰酸钾功能土、过氧化氢功能土、硝酸钙功能土、三氯化铁功能土。
实施例7
原位覆盖抑制黑臭水体底泥磷释放的功能土的制备方法：将高岭土风干过筛后得到粒径为2-5mm颗粒，然后分别添加高锰酸钾、过氧化氢、硝酸钙和三氯化铁。用量分别为，每kg红土：15g的KMnO4、20g的30％H2O2溶液、18g的Ca(NO3)2·4H2O、2g的FeCl3，搅拌1小时后在室温下养护48小时，分别得到高锰酸钾功能土、过氧化氢功能土、硝酸钙功能土、三氯化铁功能土。
实施例8
原位覆盖抑制黑臭水体底泥磷释放的功能土的制备方法：将膨润土风干过筛后得到粒径为2-5mm颗粒，然后分别添加高锰酸钾、过氧化氢、硝酸钙和三氯化铁。用量分别为，每kg红土：8g的KMnO4、40g的30％H2O2溶液、10g的Ca(NO3)2·4H2O、7g的FeCl3，搅拌1小时后在室温下养护24小时，分别得到高锰酸钾功能土、过氧化氢功能土、硝酸钙功能土、三氯化铁功能土。

Claims (7)

1.原位覆盖抑制黑臭水体底泥磷释放的功能土，其特征在于，由以下方法制备所得：由天然材料和稳定剂配比混合搅拌，在室温下养护一定时间制得；所述的稳定剂为高锰酸钾、过氧化氢、硝酸钙、三氯化铁中的一种或多种混合物。
2.根据权利要求1所述的原位覆盖控制黑臭水体底泥磷释放的功能土，其特征在于：所述的天然材料为红土、方解石、高岭土或膨润土中的一种或多种混合物。
3.根据权利要求1所述的原位覆盖控制黑臭水体底泥磷释放的功能土，其特征在于：所述的养护时间为24—48小时。
4.根据权利要求1所述的原位覆盖控制黑臭水体底泥磷释放的功能土，其特征在于：所述的天然材料粒径为2-5mm。
5.根据权利要求1所述的原位覆盖控制黑臭水体底泥磷释放的功能土，其特征在于：各原料的配比为，每kg天然材料加入稳定剂：5-15g的KMnO4，或/和20-40g的质量浓度为30％的H2O2溶液，或/和10-30g的Ca(NO3)2·4H2O，或/和2-10g的FeCl3。
6.根据权利要求1所述的原位覆盖控制黑臭水体底泥磷释放的功能土，其特征在于：所述的混合搅拌，搅拌时间为1-2小时。
7.根据权利要求1到6任一项所述的原位覆盖控制黑臭水体底泥磷释放的功能土的使用方法，其特征在于：在底泥上铺设所述的功能土，铺设厚度为0.05-5厘米，功能土上面还有上覆水。
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