CN109020127B - 一种原位修复底泥内源污染的多功能耦合型生态毯 - Google Patents

Abstract

本发明提出的是一种原位修复底泥内源污染的多功能耦合型生态毯，包括塑料网格、多功能修复层、分区缝合线、密封线、底层基体、土工布、固定铆钉、连接环、金属网、尼龙网；其中生态毯共分五层，由下至上依次为土工布、底层基体、尼龙网、多功能修复层、塑料网格；其中多功能修复层包括植物修复区、功能微生物修复区、多孔材料物理吸附区，各分区之间通过分区缝合线间隔；生态毯的边缘用密封线进行缝合，中部用若干对均匀分布的固定铆钉进行固定，外层套有金属网，金属网的侧边上设有若干个连接环。优点：（1）综合多种污染物去除方法；（2）铺设方式灵活简单，方便推广应用；（3）所用材料均绿色环保，造价低廉。

Description

一种原位修复底泥内源污染的多功能耦合型生态毯

技术领域

本发明涉及的是一种原位修复底泥内源污染的多功能耦合型生态毯，属于污染底泥修复技术领域。

背景技术

河流湖泊水体底部的底泥通常富含有机质且对污染物具有强吸附性，氮磷营养盐、重金属及有机污染物在进入水体后会在底泥中累积储存，被称为污染物的“汇”。而在水流冲刷、水位变幅、外界扰动等条件下，底泥中累积的各类污染物又可以进入上覆水体，成为引起水体污染的“源”，因此，底泥污染是限制河流湖泊水质提升的重要原因之一。此外，底泥中的污染物可通过生物放大和生物富集作用，在水生生物体内累积，最终威胁人类健康。有效控制底泥内源污染对于提升水环境质量、维护水域生态系统的平衡具有重要意义。

目前针对底泥污染的修复技术包括投加药剂法、清淤法、原位覆盖法等。投加药剂法通过投加化学药剂可快速的氧化或中和底泥中的污染物，在短时间内效果明显，但是会对水体造成严重的二次污染，修复更为困难，进一步破坏了水生生态系统的平衡；清淤法通过清挖底泥可直接去除底泥中的污染物，效果明显，目前已经得到广泛应用，但是该法工程量大，并且会破坏原有的底泥微生态系统，同时一些狭窄的河道也难以进行清淤；原位覆盖法则是通过在底泥上覆盖一层或多层的覆盖物以阻遏内源污染物向上覆水体释放，可显著改善水体的水质，覆盖材料可选用无污染的底泥、清洁沙子、砾石、沸石和土工织物等，可有效应用于内源污染严重且清淤实施困难的水体。

生态毯覆盖作为原位覆盖法的一种方式，在消减底泥内源污染、构建河床微生态系统等方面具有独特优势，目前基于生态毯的底泥内源污染控制技术大多只针对某种污染物，仅利用植物吸收或物理吸附单一方法，存在去除污染物类型单一、所用填料单一、适用范围有限等问题。例如专利申请号201010151069.6公布了一种河床基底植生型生态毯修复方法，利用生态毯抑制底泥中的污染物释放，虽然造价低廉，铺设方便，无二次污染问题，但是该专利所用填料单一，仅利用了植物吸收一种处理方法，去除污染物类型单一，对于含有重金属和难降解的有机污染物的底泥处理效果很差，植物有可能无法生存，因此该专利的适用范围有限，无法大面积推广。再如专利申请号201710655268.2公布了一种原位修复难降解有机物污染底泥的覆盖毯及其铺设方法，利用鼠李糖脂改性蒙脱石混合活性炭和改性的有机膨润土作为吸附填料，可对水体中难降解有机物污染物进行吸附降解，该专利只利用了物理吸附一种处理方法，同样存在污染物去除方法单一，去除污染物类型单一等问题，无法对氮磷等营养盐进行处理，无法恢复原有的水生生态环境，故该专利的适用范围同样有限，无法大面积推广。在目前底泥内源污染物类型多样化、复杂化的背景下，亟需联合应用植物吸收、微生物降解、物理吸附等多种去除方法，开发一种对底泥内源污染物阻遏效果好、降解效率高、适用范围广、造价低廉、实施简单的新型多功能耦合型生态毯。

发明内容

本发明提出的是一种原位修复底泥内源污染的多功能耦合型生态毯，其目的旨在解决现有的底泥原位覆盖修复技术的所用填料单一、去除污染物类型单一、去除污染物方法单一和适用范围有限等问题，通过联合应用植物吸收、微生物降解、物理吸附多种方法，阻隔内源污染物向上覆水释放，有效降低底泥中多种污染物的污染水平，同时构建良好的底泥微生态系统。

本发明的技术解决方案：一种原位修复底泥内源污染的多功能耦合型生态毯，包括塑料网格1、多功能修复层、分区缝合线5、密封线6、底层基体9、土工布10、固定铆钉11、连接环12、金属网13、尼龙网15；其特征在于，生态毯整体呈长方形多层结构，共分五层，由下至上依次为土工布10、底层基体9、尼龙网15、多功能修复层、塑料网格1；其中多功能修复层包括植物修复区2、功能微生物修复区3、多孔材料物理吸附区4，植物修复区2与功能微生物修复区3、功能微生物修复区3与多孔材料物理吸附区4之间通过分区缝合线5间隔；生态毯的边缘用密封线6进行缝合，生态毯中部用若干对均匀分布的固定铆钉11进行固定；生态毯的外层套有金属网13，金属网13的侧边上设有若干个连接环12。

本发明的优点：

（1）综合运用物理吸附、植物吸收和微生物降解多种污染物去除方法，在抑制底泥内源污染物向上覆水释放的同时，对底泥中多种污染物进行去除，建立以生态毯为核心的底泥微生态系统；

（2）铺设方式灵活、实施简单，可根据修复区域的范围、和污染特征对生态毯进行灵活组装，可抵抗水流冲刷，方便推广应用；

（3）生态毯中所用材料均绿色环保，造价低廉，不会对生态环境造成二次污染。

附图说明

附图1是原位修复底泥内源污染的多功能耦合型生态毯的结构示意图。

附图2是原位修复底泥内源污染的多功能耦合型生态毯的俯视图。

附图3是原位修复底泥内源污染的多功能耦合型生态毯的应用图。

附图中1是塑料网格、2是植物修复区、3是功能微生物修复区、4是多孔材料物理吸附区、5是分区缝合线、6是密封线、7是颗粒型植生基质、8是水生植物种子、9是底层基体、10是土工布、11是固定铆钉、12是连接环、13是金属网、14是固定桩、15是尼龙网。

具体实施方式

如图1-图3所示，一种原位修复底泥内源污染的多功能耦合型生态毯，包括塑料网格1、多功能修复层、分区缝合线5、密封线6、底层基体9、土工布10、固定铆钉11、连接环12、金属网13、尼龙网15；生态毯整体呈长方形多层结构，共分五层，由下至上依次为土工布10、底层基体9、尼龙网15、多功能修复层、塑料网格1；其中多功能修复层包括植物修复区2、功能微生物修复区3、多孔材料物理吸附区4，不同功能分区之间通过分区缝合线5间隔，防止整个生态毯的填充物相互混合；生态毯的边缘用密封线6进行缝合，防止填充物漏出；生态毯中部用若干对固定铆钉11穿过上述各层进行固定，固定铆钉11均匀分布于单块生态毯的中部，使得各层填料之间紧密结合，防止水流冲散；生态毯的外层套有金属网13，可将生态毯进行整体固定，并且增加了一定的重量，可保护生态毯不被水流冲散；金属网13的侧边上设有若干个连接环12，用于多块生态毯的组合、连接，在多块生态毯铺设后用固定桩14将其四个角固定于底泥上，以抵抗流水体冲刷。

所述塑料网格1网孔直径应小于填充物粒径，可采用30-50目，厚度为0.1-0.5 cm之间，可有效防止填料被水流冲散。

所述植物修复区2包括颗粒型植生基质7和水生植物种子8，其中植生基质7为松树皮颗粒、仙土和陶粒的混合物，三者比例为4：2：1，粒径应在8-15目的范围内，水生植物种子8均匀添加到颗粒型的植生基质7中；植生基质7可为水生植物提供营养，同时固着植物根系；水生植物种子8生长之后产生的水生植物可通过根系或茎叶表面吸附、根际微生物降解、叶片表面生物膜、植物吸收等方式减轻底泥及上覆水体中的污染水平；水生植物种子8的品种可选用轮叶黑藻、伊乐藻和苦草等多种水生植物，既可选用单一植物类型，也可同时用多种植物。

所述功能微生物修复区3中填充对污染物具有高效降解作用的固定化功能微生物颗粒，其具体制作步骤如下：

1）功能微生物选择与扩繁：通过筛选土著微生物或购买商品化降解菌种得到功能微生物，选择适用于功能微生物的培养基和培养条件，进行恒温扩大培养；

2）固定化方法选择及试剂准备：固定化方法可用吸附法、包埋法、吸附包埋法、共价结合法、交联法等，优选吸附包埋法，以包埋法为例介绍相关试剂准备：配制1%-3%浓度的海藻酸钠溶液，使用恒温水浴锅进行加热溶解，搅拌均匀，在高压灭菌锅中121℃灭菌30分钟，冷却至室温备用，同时还需配置浓度为2%-5%的CaCl₂溶液；

3）固定化功能微生物颗粒制作：以包埋法为例，将步骤2）中准备的海藻酸钠溶液加入功能微生物的菌剂，形成海藻酸钠-微生物混合液，使得混合液中菌剂的浓度为15%-25%，并混合搅拌均匀。将步骤2）中配置的CaCl₂溶液使用注射器以110-140滴/min的速度将海藻酸钠-微生物混合液注入到CaCl₂溶液中，在4℃冰箱中固定一定时间后使其形成凝胶，经纱布漏斗过滤，收集固定化功能微生物颗粒，粒径为15-25目，用生理盐水冲洗3次后备用。

所述多孔材料物理吸附区4中填充多孔材料，优选沸石、活性炭和陶粒三种多孔颗粒，粒径为15-25目，按照比例2：1：4进行投加，这些多孔颗粒拥有较大的孔隙率和大比表面积，可将污染物质吸附固定在颗粒内部孔隙中，同时多孔结构为土著微生物提供良好生存环境，在颗粒内部孔隙中实现土著微生物对污染物的降解去除。

所述分区缝合线5和密封线6采用尼龙线。

所述底层基体9为河沙、粘土和石子的混合物，石子的粒径为4目-8目，河沙的粒径为10目-15目，三者混合比例为1:1:0.4。

所述土工布10大小根据单块生态毯的尺寸进行确定，优选地，宽度为1-4 m，长度为6-12 m。土工布10厚度优选为0.5-1.0 cm，只能够使水分自由通过，同时有效防止底泥再悬浮进入上层水体中。

所述尼龙网15网孔直径可采用50-60目，厚度为0.1-0.5 cm之间，可有效防止填料相互混合。

所述单块生态毯的组合与铺设步骤如下：

1）铺设最底层的土工布10，接着铺设一定厚度的底层基体9（厚度为4-6 cm）；

2）在最上层铺设尼龙网15，接着铺设塑料网格1，缝纫分区缝合线5，将单块生态毯分为三个功能区，分别为植物修复区2、功能微生物修复区3、多孔材料物理吸附区4；

3）在尼龙网和塑料网格之间的不同功能区中分别对应加入颗粒型植物基质与水生植物种子混合物、功能微生物颗粒、多孔材料，各功能区厚度为2-4 cm；

4）将单块生态毯的四周使用密封线6进行缝合，在中部使用固定柳钉11进行固定；将金属网13对折，并将整个生态毯装入带有连接环12的金属网13中；金属网13面积是单块生态毯的两倍，可使得金属网完全包裹生态毯，并且在开口处使用铁丝连接固定，则完成生态毯的组装，可将其卷成筒状，便于运输和铺设；

5）根据底泥污染区域确定所需生态毯的数量，通过拖船将卷成筒状的生态毯运输到底泥污染的水域，将生态毯放开平铺于底泥之上，多块生态毯可通过连接环12进行连接，组装完成后在整块生态毯的四个角分别打入固定桩14，将整块生态毯固定于底泥之上防止被水流冲走，可有效阻隔内源污染物向上覆水释放，降低底泥中多种污染物的污染水平，同时构建良好的底泥微生态系统。

以下通过具体实施例详细说明发明的实施步骤，目的在于使本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明；应当指出的是，对本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出的若干变形和改进，都属于本发明的保护范围。

实施例

一种原位修复底泥内源污染的多功能耦合型生态毯，其结构包括塑料网格1、植物修复区2、功能微生物修复区3、多孔材料物理吸附区4、分区缝合线5、密封线6、颗粒型植生基质7、水生植物种子8、底层基体9、土工布10、固定铆钉11、连接环12、金属网13、固定桩14、尼龙网15；生态毯共分五层，由下至上依次为土工布、底层基体、尼龙网、多功能修复层（包括植物修复区2、功能微生物修复区3、多孔材料物理吸附区4）、塑料网格；在填充层制作时首先按照不同功能分区用分区缝合线5间隔，然后对各分区分别进行填充，其中植物修复区2中填充颗粒型植生基质7和水生植物种子8，功能微生物修复区3填充对污染物具有高效降解作用的固定化功能微生物颗粒，多孔材料物理吸附区4填充陶粒、活性炭、沸石等多孔材料；生态毯五层组装后，边缘用密封线6进行缝合，中部用固定铆钉11进行固定，在每一块生态毯外层套有金属网13，并在金属网13上设置连接环12，用于多块生态毯的组合、连接，在生态毯铺设后用固定桩14将其固定于底泥上，以抵抗流水体冲刷。

所述塑料网格1网孔直径应小于填充物粒径，可采用30-50目，厚度为0.1-0.5 cm之间，可有效防止填料被水流冲散。

所述植物修复区2包括颗粒型植生基质7和水生植物种子8，植生基质为松树皮颗粒、仙土和陶粒的混合物，三者比例为4：2：1，粒径应在8-15目的范围内，将植物种子均匀添加到颗粒型植生基质中；植生基质可为水生植物提供营养，同时固着植物根系；水生植物可通过根系或茎叶表面吸附、根际微生物降解、叶片表面生物膜、植物吸收等方式减轻底泥及上覆水体中的污染水平；本发明同时投加轮叶黑藻、伊乐藻和苦草三种植物，比例为1：1：1。

所述功能微生物修复区3为经固定化的对污染物具有高效降解作用的功能微生物颗粒。固定化功能微生物颗粒制作的具体步骤如下：

1）功能微生物选择与扩繁：选用枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis），购置于北京百欧博伟生物技术有限公司，菌株编号ACCC01031。使用LB培养基于恒温30℃进行扩大培养，使分光光度计测得的OD600值为2.0以上，得到所需菌剂备用；

2）固定化方法选择及试剂准备：选择吸附包埋法，试剂准备如下：筛选得到粒径为30-40目的陶粒，于121℃灭菌30 min，冷却后浸入菌剂24 h，得到吸附固定的微生物载体，接着配置海藻酸钠浓度为2%和聚乙烯醇浓度为8%的混合溶液，于121℃灭菌30 min，冷却至室温，配置2%CaCl₂饱和硼酸溶液；

3）固定化功能微生物颗粒制作：将步骤2）中准备的海藻酸钠和聚乙烯醇混合溶液加入吸附固定的微生物载体，混合搅拌均匀后，逐滴注入到步骤2）中配置的CaCl₂饱和硼酸溶液中，在4℃冰箱中固定一定时间后使其形成粒状颗粒，经纱布漏斗过滤，收集功能微生物颗粒，用生理盐水冲洗3次后备用。

所述多孔材料物理吸附区4为多孔材料，优选沸石、活性炭和陶粒三种多孔颗粒，粒径为15-25目，按照比例2：1：4进行投加，这些多孔颗粒拥有较大的孔隙率和大比表面积，可将污染物质吸附固定在颗粒内部孔隙中，同时多孔结构为土著微生物提供良好生存环境，在颗粒内部孔隙中实现土著微生物对污染物的降解去除。

所述尼龙网15网孔直径采用50目，厚度为0.2 cm，可有效防止填料相互混合。

所述分区缝合线5采用尼龙线，以便填充上述三种类型的填料，植物基质与水生植物种子混合物、功能微生物固定化颗粒、多孔材料，防止整个生态毯的填充物相互混合。

所述密封线6采用尼龙线，在单个生态毯完成组装后将生态毯的四周进行缝合密封，防止填充物漏出。

所述底层基体9为河沙、粘土和石子的混合物，石子的粒径为4目-8目，河沙的粒径为10目-15目，三者混合比例为1:1:0.4。

所述土工布10宽度为2 m，长度为6 m，厚度为0.6 cm，只能够使水分自由通过，可有效防止底泥再悬浮进入上层水体中。

所述固定铆钉11均匀分布于单块生态毯的中部，每个功能区使用两个柳钉进行固定，单块生态毯使用6个柳钉，具体布置方式见附图2，柳钉可将生态毯紧密固定，使得各层填料之间紧密结合，防止水流冲散。

所述金属网13宽度为4 m，长度为6 m，将金属网沿宽度方向对折，中间放入生态毯，使得金属网完全包裹生态毯，并且在开口处使用铁丝连接固定。金属网上有连接环12，可用于多块生态毯进行连接组合，金属网可将生态毯进行整体固定，并且增加了一定的重量，可保护生态毯不被水流冲散。

所述固定桩14设置于已经铺设的整块生态毯的四个角落上，可将整块生态毯固定于底泥之上，防止被水流冲走。

所述单块生态毯的组合步骤如下：

1）铺设最底层的土工布10，接着铺设厚度为4 cm的底层基体9；

2）在最上层铺设尼龙网15，接着铺设塑料网格1，每间隔2 m缝纫分区缝合线5，将单块生态毯分为三个功能区，分别为植物修复区2、功能微生物修复区3、多孔材料物理吸附区4；

3）在尼龙网和塑料网格之间的不同功能区中分别对应加入颗粒型植物基质与水生植物种子混合物、功能微生物颗粒、多孔材料，功能区厚度为2 cm；

4）将单块生态毯的四周使用密封线6进行缝合，在中部使用固定柳钉11进行固定，并将整个生态毯装入带有连接环12的金属网13中，则完成生态毯的组装，可将其卷成筒状，便于运输和铺设；

5）底泥污染区域需要使用4块上述规格的生态毯，通过拖船将卷成筒状的生态毯运输到底泥污染的水域，将生态毯放开平铺于底泥之上，4块生态毯通过连接环12进行连接，组装完成后在整块生态毯的四周打入固定桩14防止被水流冲走，可有效阻隔内源污染物向上覆水释放，降低底泥中多种污染物的污染水平，同时构建良好的底泥微生态系统。

Claims (10)

1.一种原位修复底泥内源污染的多功能耦合型生态毯，包括塑料网格（1）、多功能修复层、分区缝合线（5）、密封线（6）、底层基体（9）、土工布（10）、固定铆钉（11）、连接环（12）、金属网（13）、尼龙网（15）；其特征在于，生态毯整体呈长方形多层结构，共分五层，由下至上依次为土工布（10）、底层基体（9）、尼龙网（15）、多功能修复层、塑料网格（1）；其中多功能修复层包括植物修复区（2）、功能微生物修复区（3）、多孔材料物理吸附区（4），植物修复区（2）与功能微生物修复区（3）、功能微生物修复区（3）与多孔材料物理吸附区（4）之间通过分区缝合线（5）间隔；生态毯的边缘用密封线（6）进行缝合，生态毯中部用若干对均匀分布的固定铆钉（11）进行固定；生态毯的外层套有金属网（13），金属网（13）的侧边上设有若干个连接环（12）；植物修复区（2）和多孔材料物理吸附区（4）分别位于功能微生物修复区（3）的左右两侧。

2.根据权利要求1所述的一种原位修复底泥内源污染的多功能耦合型生态毯，其特征是所述塑料网格（1）的网孔直径小于填充物粒径，采用30-50目，厚度为0.1-0.5 cm之间。

3.根据权利要求1所述的一种原位修复底泥内源污染的多功能耦合型生态毯，其特征是所述植物修复区（2）包括颗粒型植生基质（7）和水生植物种子（8），其中植生基质（7）为松树皮颗粒、仙土和陶粒的混合物，松树皮颗粒、仙土和陶粒的比例为4：2：1，粒径为8-15目，水生植物种子（8）均匀添加到颗粒型的植生基质（7）中，水生植物种子（8）的品种选用轮叶黑藻、伊乐藻和苦草中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的一种原位修复底泥内源污染的多功能耦合型生态毯，其特征是所述功能微生物修复区（3）中填充对污染物具有高效降解作用的固定化功能微生物颗粒，其具体制作步骤如下：

1）功能微生物选择与扩繁；通过筛选土著微生物或购买商品化降解菌种得到功能微生物，选择适用于功能微生物的培养基和培养条件，进行恒温扩大培养；

2）固定化方法选择及试剂准备；固定化方法选用吸附包埋法：配制1%-3%浓度的海藻酸钠溶液，使用恒温水浴锅进行加热溶解，搅拌均匀，在高压灭菌锅中121℃灭菌30分钟，冷却至室温备用，同时配置浓度为2%-5%的CaCl₂溶液；

3）固定化功能微生物颗粒制作；将步骤2）中准备的海藻酸钠溶液加入功能微生物菌剂，形成海藻酸钠-微生物混合液，使得混合液中菌剂的浓度为15%-25%，并混合搅拌均匀；将步骤2）中配置的CaCl₂溶液使用注射器以110-140滴/min的速度将海藻酸钠-微生物混合液注入到CaCl₂溶液中，在4℃冰箱中固定后使其形成凝胶，经纱布漏斗过滤，收集固定化功能微生物颗粒，粒径为15-25目，用生理盐水冲洗3次后备用。

5.根据权利要求1所述的一种原位修复底泥内源污染的多功能耦合型生态毯，其特征是所述多孔材料物理吸附区（4）中填充多孔材料，多孔材料包括沸石、活性炭和陶粒三种多孔颗粒，粒径为15-25目，沸石、活性炭和陶粒按照比例2：1：4进行投加。

6.根据权利要求1所述的一种原位修复底泥内源污染的多功能耦合型生态毯，其特征是所述分区缝合线（5）和密封线（6）采用尼龙线。

7.根据权利要求1所述的一种原位修复底泥内源污染的多功能耦合型生态毯，其特征是所述底层基体（9）为河沙、粘土和石子的混合物，石子的粒径为4目-8目，河沙的粒径为10目-15目，河沙、粘土和石子的混合比例为1:1:0.4。

8.根据权利要求1所述的一种原位修复底泥内源污染的多功能耦合型生态毯，其特征是所述土工布（10）的宽度为1-4 m，长度为6-12 m，厚度为0.5-1.0 cm。

9.根据权利要求1所述的一种原位修复底泥内源污染的多功能耦合型生态毯，其特征是所述尼龙网（15）网孔直径为50-60目，厚度为0.1-0.5 cm。

10.如权利要求1所述的一种原位修复底泥内源污染的多功能耦合型生态毯，其在于，单块生态毯的组合与铺设包括如下步骤：

1）铺设最底层的土工布（10），接着铺设厚度为4-6 cm的底层基体（9）；

2）在最上层铺设尼龙网（15），接着铺设塑料网格（1），缝纫分区缝合线（5），将单块生态毯分为三个功能区，分别为植物修复区（2）、功能微生物修复区（3）、多孔材料物理吸附区（4）；

3）在尼龙网（15）和塑料网格（1）之间的不同功能区中分别对应加入颗粒型植物基质（7）与水生植物种子（8）的混合物、功能微生物颗粒、多孔材料，各功能区厚度为2-4 cm；

4）将单块生态毯的四周使用密封线（6）进行缝合，在中部使用若干固定柳钉（11）进行固定；将金属网（13）对折，并将整个生态毯装入带有连接环（12）的金属网（13）中；金属网（13）面积是单块生态毯的两倍，使得金属网完全包裹生态毯，并且在开口处使用铁丝连接固定，则完成生态毯的组装，将其卷成筒状，便于运输和铺设;

5）根据底泥污染区域确定所需生态毯的数量，通过拖船将卷成筒状的生态毯运输到底泥污染的水域，将生态毯放开平铺于底泥之上，多块生态毯通过连接环（12）进行连接，组装完成后在整块生态毯的四个角分别打入固定桩（14），将整块生态毯固定于底泥之上防止被水流冲走，有效阻隔内源污染物向上覆水释放，降低底泥中多种污染物的污染水平，同时构建良好的底泥微生态系统。

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