CN109534632A

CN109534632A - 一种沉水植物-改善剂联合改善黑臭河道底泥的原位修复方法

Info

Publication number: CN109534632A
Application number: CN201710859994.6A
Authority: CN
Inventors: 迟杰; 肖凯丽; 陈浩
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2019-03-29

Abstract

本发明公开了一种沉水植物‑改善剂联合改善黑臭河道底泥的原位修复方法，包括以下步骤：向河道的底泥中投入底泥改善剂，其中，每平方米底泥投入1.5～2kg底泥改善剂，在投入底泥改善剂的第0～20天，在底泥中种植沉水植物，所述沉水植物为菹草、金鱼藻和狐尾藻中的一种或多种；待所述沉水植物的高度到达河道上覆水水面时，对所述沉水植物进行收割，以使沉水植物的顶部位于河道上覆水水面下方25～35厘米处；重复所述步骤3，直至底泥由黑褐色变成棕黄色即可；本发明联合使用化学修复和生物修复两种技术，综合了两者的优点，弥补了彼此的不足。黑臭河道通过投加底泥改善剂可以快速改善底泥氧环境，为种植沉水植物创造有利条件。

Description

一种沉水植物-改善剂联合改善黑臭河道底泥的原位修复方法

技术领域

本发明属于河道污染水体综合处理技术领域，具体来说涉及一种沉水植物-改善剂联合改善黑臭河道底泥的原位修复方法。

背景技术

随着经济飞速发展，人们在生产、生活中产生的污染物质大量排入河道，当其超过河道的自净能力时，就会导致水质恶化，出现黑臭现象。黑臭水体是水体中有机物污染的一种极端表现形式。大部分黑臭水体产生的机理基本一样，是由于水体氧含量缺失，致使水体氧化还原电位降低，有机物腐败造成。当污染物排放到水体，污染物在氧化分解的同时，消耗了水体中大量的溶解氧，致使水体处于缺氧状态，大量污染物质厌氧分解，使水体变黑、变臭。

目前对于黑臭河道修复技术的研究，主要分为物理修复、化学修复、生物修复三大类。物理法虽然高效，但只是暂时性地去除了水体中的污染物，并不适于黑臭河道的长期修复。化学修复主要通过向底泥中加入化学修复剂，通过化学修复剂与污染物发生化学反应，使污染物被降解或者毒性降低的过程。目前，释氧剂作为一种廉价、高效的化学修复剂已经被广泛应用于水体及底泥修复中，它能快速改善底泥的缺氧环境且作用效果明显，但存在释氧剂的作用周期较短、释氧剂中营养盐释放污染水体水质等问题。生物修复主要是利用水生植物和微生物等来降解环境中的污染物质，它是通过生物的代谢活动减少环境中的有毒有害物质，从而使其无害化，与物理和化学修复相比，生物修复技术成本较低、不破坏生态环境。其中，种植沉水植物作为生物修复中常用的一种技术手段已被广泛应用于污染水体修复。种植沉水植物能够削减底泥及水体中的污染物质，改善河道底泥环境，改善上覆水水质，增强污染水体的自净能力，能够长期有效的作用于水体环境。但沉水植物对其生存的底泥和水质环境要求较高。对于黑臭河道，水体中营养物质含量过高，氧化还原电位过低，透明度较差影响其光照条件，基本不适宜沉水植物的生长，因此单纯利用沉水植物进行黑臭河道底泥修复，可行性不高，修复效果不理想。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种沉水植物-改善剂联合改善黑臭河道底泥的原位修复方法，该原位修复方法综合了化学释氧剂快速高效和沉水植物长期有效的优点，使修复效果达到最佳。

为此，本发明的技术方案如下：

一种沉水植物-改善剂联合改善黑臭河道底泥的原位修复方法，包括以下步骤：

步骤1，向河道的底泥中投入底泥改善剂，其中，每平方米底泥投入1.5～2kg底泥改善剂；

步骤2，在投入底泥改善剂的第0～20天，在底泥中种植沉水植物，所述沉水植物为菹草、金鱼藻和狐尾藻中的一种或多种；

在所述步骤2中，所述植沉水植物的长度为10-100cm。

在所述步骤2中，在投入底泥改善剂的第0天在底泥中种植沉水植物为：在投入底泥改善剂的当天在底泥中种植沉水植物。

步骤3，待所述沉水植物的高度到达河道上覆水水面时，对所述沉水植物进行收割，以使沉水植物的顶部位于河道上覆水水面下方25～35厘米处；

步骤4，重复所述步骤3，直至底泥由黑褐色变成棕黄色即可；

其中，所述底泥改善剂由释氧剂、生物促生剂和缓释剂组成，所述释氧剂、生物促生剂和缓释剂的质量份的比为(36～40)：1:(55～80)；其中，

所述释氧剂为硝酸钙和过氧化钙的混合物，且所述硝酸钙和过氧化钙的物质的量的比为1：(0.9～1.1)；

所述缓释剂为膨润土；

所述生物促生剂由7～8质量份的赖氨酸、14～16质量份的异亮氨酸、14～16质量份的色氨酸、2～3质量份的甘氨酸、14～16质量份的谷氨酸、7～8质量份的葡萄糖、14～16质量份的乳酸钠、14～16质量份的柠檬氨酸、3～4质量份的木糖和3～4质量份的D-半乳糖组成。

在上述技术方案中，所述生物促生剂由7.5质量份的赖氨酸、15质量份的异亮氨酸、15质量份的色氨酸、2.5质量份的甘氨酸、15质量份的谷氨酸、7.5质量份的葡萄糖、15质量份的乳酸钠、15质量份的柠檬氨酸、3.75质量份的木糖和3.75质量份的D-半乳糖组成。

在上述技术方案中，所述释氧剂、生物促生剂和缓释剂的质量份的比为39：1：60。

在上述技术方案中，所述释氧剂、生物促生剂和缓释剂的质量份的比为39：1：80。

在上述技术方案中，所述硝酸钙和过氧化钙的物质的量的比为1：1。

在上述技术方案中，制备所述底泥改善剂的方法，按照下述步骤进行：

S1，将释氧剂、生物促生剂和缓释剂均匀混合，过150～250目筛，得到筛后粉末；

S2，在S1所得筛后粉末中加入去离子水，以使该筛后粉末形成润湿粉末，将所述润湿粉末通过压片机压片，制成直径3～10mm、高3～10mm的圆柱体；

S3，将S2所得圆柱体自然晾干，得到底泥改善剂。

在上述技术方案中，所述沉水植物的种植密度为：菹草的种植密度为40～60株/m²，金鱼藻的种植密度为80～100株/m²，狐尾藻的种植密度为32～70芽/m²。

一种上述原位修复方法在改善黑臭河道底泥中的应用，所述原位修复方法能够延长所述底泥改善剂的释氧周期，降低上覆水中NH₃-N浓度和TN浓度，降低底泥中的TOC含量，提高底泥中ORP。

相比于现有技术，本发明的原位修复方法的有益效果为：

1.本发明联合使用化学修复和生物修复两种技术，综合了两者的优点，弥补了彼此的不足。黑臭河道通过投加底泥改善剂可以快速改善底泥氧环境，为种植沉水植物创造有利条件；而底泥改善剂作用后期其修复效果减弱，种植沉水植物可以增强河道自身的净化能力，不依赖外源输入，持久彻底地改善底泥环境。

2.本发明所用的自制底泥改善剂兼具释氧和缓释氧功能，由于添加了膨润土缓释材料，改善剂的释氧周期由12天延长至68天，显著提高了底泥改善剂的利用效率，使改善剂的作用周期更长。

3.本发明见效快，效果持久，能从根本上改善黑臭底泥环境，同时具有廉价、高效的优点，运行成本较低且无二次污染。

附图说明

图1为实施例2～6中菹草的鲜重；

图2为实施例2～6中菹草的株长；

图3为实施例1～6中NH₃-N(氨氮浓度)的变化曲线；

图4为实施例1～6中TN(总氮浓度)的变化曲线；

图5为实施例1～6中ORP(氧化还原电位)的变化曲线；

图6为实施例1～6中TOC(有机碳含量)的变化曲线。

具体实施方式

在本发明的具体实施方式中，膨润土购买于天津市光复精细化工研究所，纯度分析纯，其中主要含有蒙脱石65.63％，吸水率(24h)为284，阳离子交换容量Ca²⁺为33.39。菹草通过组培获得，植株长度约为10cm，株重平均鲜重约为0.25g。

其他所用试剂及材料均可在市面上购买获取，具体如下：

测试方法：

1、上覆水铵态氮和总氮浓度分析方法均参照国家环境保护局的测定标准，其中铵态氮采用GB 7479-87纳氏试剂分光光度法进行测定。总氮采用GB 11894-89紫外分光光度法进行测定。

2、底泥有机碳含量(TOC)的测定方法：取50～100mg经过200目过筛的沉积物样品放置于陶瓷小舟内，加入一定量的稀盐酸于小舟中，稀盐酸与小舟内的无机碳反应，释放CO₂，继续添加稀盐酸，直至小舟中不在产生气泡为止，自然晾干，使用TOC测定仪对底泥中的TOC进行测定。(何海龙，君珊，张学宽.总有机碳(TOC)分析仪测定土壤中TOC的研究[J].分析仪器，2014，5：59-61.)。

3、底泥氧化还原电位(ORP)采用氧化还原电位仪进行测定。

4、植物株长测定采用刻度尺，鲜重测定采用电子天平。

涉及实验仪器以及型号：

在本发明的具体实施方式(下述实施例)中，所使用的底泥改善剂具体如下：底泥改善剂，由释氧剂、生物促生剂和缓释剂组成，释氧剂、生物促生剂和缓释剂的质量份的比为36.5：1：56.25，释氧剂为硝酸钙和过氧化钙的混合物，且硝酸钙和过氧化钙的物质的量的比为1：1；缓释剂为膨润土，其主要成分为蒙脱石，具有较好的离子交换性，可对释氧剂进行缓释，提高释氧剂的使用效率；生物促生剂主要成分为糖类、氨基酸和矿物质等天然物质，生物促生剂由7.5质量份的赖氨酸、15质量份的异亮氨酸、15质量份的色氨酸、2.5质量份的甘氨酸、2.5质量份的谷氨酸、7.5质量份的葡萄糖、15质量份的乳酸钠、15质量份的柠檬氨酸、3.75质量份的木糖和3.75质量份的D-半乳糖组成。

底泥改善剂呈颗粒状，制备上述底泥改善剂，按照下述步骤进行：

S1，将释氧剂、生物促生剂和缓释剂均匀混合，过200目筛，得到筛后粉末；

S2，在S1所得筛后粉末中加入去离子水，以使该筛后粉末形成润湿粉末，为了避免CaO₂过早消耗，将所述润湿粉末通过压片机压片，制成直径为5mm，高为5mm的圆柱体；

S3，将S2所得圆柱体在通风条件下自然晾干，得到底泥改善剂。

在本发明的技术方案中，沉水植物具有耐污性高，净化能力强，生长周期较长的特点，其根系不仅能够释放氧气，还能够吸收沉积物中的营养物质，其茎叶也可以吸收水中营养物质，可长期有效地改善河道底泥氧环境及上覆水水质。底泥改善剂作用时间过短底泥环境达不到种植沉水植物的条件，作用时间过长可能会出现修复后期改善剂作用较弱致使底泥环境二次恶化，在本发明的技术方案中，种植沉水植物的时间，一般为底泥改善剂作用0-20天后开始种植。为防止二次污染，当沉水植物长到水面并平铺在水面生长时进行收割，收割后沉水植物长度在水面下30cm左右为宜。底泥改善剂具有释氧作用和缓释作用，能够有效提高黑臭底泥(即底泥)的氧化还原电位，降低底泥中的有机质含量使其满足沉水植物的种植条件，但修复后期改善剂释氧作用减弱，种植沉水植物可以与改善剂协同释氧，共同改善水体氧环境且作用更为持久，从而使修复效果达到最佳。

下面结合附图和实施例对本发明的原位修复方法进行详细说明。

在本发明的具体实施方式中，共设置6个实施例(即下述实验)，选取本发明的底泥改善剂和菹草作为研究对象。准备6个透明玻璃柱，实施例1～6分别在一个直径10cm、高30cm的透明玻璃柱中进行。在每一透明玻璃柱中加入厚度5cm的黑臭底泥(即本发明技术方案中的底泥)，继续加入上覆水至柱高30cm处。将玻璃柱放在40cm×55cm×40cm(W×L×H)的玻璃缸中，控制温度25(±1)℃，光照时间为每天早上8点到晚上8点(光照光暗比＝12:12)。实验前，将装置放置在恒温玻璃缸中，稳定三天后(此时为实验的第0天)，开始计时，进行实施例1～6，实验周期为40天。

实施例1——空白

未投入底泥改善剂，未种植沉水植物。

实施例2——菹草

在实验的第0天种植沉水植物，未投入底泥改善剂。

实施例3——菹草+改善剂(0)

步骤1，向河道底泥投入底泥改善剂，其中，每平方米底泥投入1.875kg底泥改善剂；

步骤2，在投入底泥改善剂的第0天后(即当天)，在底泥中种植5株沉水植物，所述沉水植物为菹草；

步骤3，待所述沉水植物的高度到达河道上覆水水面时，对所述沉水植物进行收割，以使沉水植物的顶部位于河道上覆水水面下方且距离河道上覆水水面30厘米。

步骤4，重复步骤3，直至底泥由黑褐色变成棕黄色即可。

实施例4——菹草+改善剂(10)

步骤2，在投入底泥改善剂的第10天后，在底泥中种植5株沉水植物，所述沉水植物为菹草；

步骤4，重复步骤3，直至底泥由黑褐色变成棕黄色即可。

实施例5——菹草+改善剂(15)

步骤2，在投入底泥改善剂的第15天后，在底泥中种植5株沉水植物，所述沉水植物为菹草；

步骤4，重复步骤3，直至底泥由黑褐色变成棕黄色即可。

实施例6——菹草+改善剂(20)

步骤2，在投入底泥改善剂的第20天后，在底泥中种植5株沉水植物，所述沉水植物为菹草；

步骤4，重复步骤3，直至底泥由黑褐色变成棕黄色即可。

上述实施例1～6总结如表1所示。

表1

注：√表示实验中配备此项。

在菹草+改善剂(0)实验组、菹草+改善剂(10)实验组、菹草+改善剂(15)实验组和菹草+改善剂(20)四个实验组中分别加入制备好的底泥改善剂，用量为1.875kg/m²。在实施例1～6进行前，采集上覆水和底泥样品，测定上覆水中总氮(TN)和氨氮(NH₃-N)浓度，底泥沉积物(底泥)中氧化还原电位(ORP)和有机碳(TOC)含量。实验开始后每10天采集一次上覆水与底泥沉积物样品，测定上覆水中的TN、NH₃-N浓度和底泥沉积物中的ORP、TOC。实验过程中观察并记录各实验组中菹草生长状况，实验结束后测定各实验组菹草指标(鲜重和株长)。实验结果如下：

实施例1空白组中上覆水NH₄-N、TN去除率分别为26.73％、7.1％，底泥中ORP增大了50mV、TOC去除率为2.03％。

实施例2～6的实验过程中菹草的生长状况如表2所示。未用底泥改善剂处理的实验组中菹草长势最差，出现发黄枯死现象，说明在污染水体中直接种植沉水植物不可行。在添加底泥改善剂并种植菹草的联合修复处理组中，菹草+改善剂(15)实验组修复效果尤为显著，在该实验组中，上覆水透明度明显提高，后续菹草生长迅速，长势良好。各实验组中菹草的鲜重和株长变化，如图1和图2所示(菹草+改善剂(15)实验组中菹草投入时的鲜重为0.25g，植株长度(株长)为10cm)。

由图1菹草鲜重变化情况可以得出，添加底泥改善剂处理0、10、15、20天后种植菹草实验组中菹草的鲜重分别上升3.07g、3.49g、3.51g、3.09g，而未施加改善剂的菹草实验组中菹草鲜重仅增加了0.8g，因此，底泥改善剂作用10和15天后种植菹草，菹草生长状况比较好，实际应用中可以此作为参考。

由图2菹草株长变化情况可以得出，所有种植菹草的实验组中菹草株长都有所增加，但未经过底泥改善剂处理的菹草实验组中菹草株长增加缓慢，仅增加了10.3cm，增幅为105.0％；在菹草+改善剂(0)实验组中，植株前期生长缓慢，10天之后，植株呈现一个快速增长的趋势，实验结束时整体株长增加了25.3cm，增幅为220.1％；添加改善剂处理10、15、20天后种植菹草实验组中，实验结束时各组株长分别增长了27.7cm、28.7cm、23.7cm，增幅分别为268.9％、286.5％、251.7％，每天增长长度分别0.92cm、1.15cm、1.18cm。从上述数据可以得出，随着改善剂处理时间延长植株生长速度逐步加快。

1.底泥改善剂和菹草对上覆水中NH₃-N、TN浓度的影响，如图3和图4所示。

由图3底泥改善剂和菹草对上覆水NH₃-N的影响，可以得出，实验结束时，各组实验中NH₃-N的含量均有降低，但加入底泥改善剂并种植菹草实验组上覆水中NH₃-N浓度呈现先上升后下降的趋势。这是因为改善剂中的过氧化钙与水反应释放氧气的同时造成底泥扰动引起底泥中NH₃-N向上覆水中释放，从而导致上覆水中NH₃-N浓度升高，并且硝酸钙的加入也会引起底泥中NH₃-N含量升高，对上覆水NH₃-N浓度具有一定影响。在仅种植菹草实验组和添加改善剂处理0、10、15、20天后种植菹草的实验组中，NH₃-N的去除率分别为49.23％、42.77％、69.6％、75.70％、65.13％，菹草+改善剂(15)实验组中NH₃-N的去除率最高，对上覆水净化效果最好。由此可以得出，第15天是底泥改善剂对底泥修复效率最高的时期，此时底泥环境最适合菹草生长。

由图4底泥改善剂和菹草对上覆水中TN的影响，可以得出，实验结束时，在仅种植菹草的实验组中，上覆水中TN下降了22.35％；在添加改善剂处理0～20天后种植菹草实验组中TN浓度分别下降了17.09％、31.85％、29.38％、31.04％。而在添加改善剂处理0～20天后种植菹草实验组中，前期TN都有一个升高阶段，这是因为底泥改善剂的投加引起了底泥中NO₃-N的升高，从而造成上覆水中TN浓度增大，而菹草可以固定和吸收上覆水中的氮，最终引起了上覆水中TN降低。由此可见，菹草在上覆水修复中具有重要作用。未经处理的底泥其ORP过低，菹草生长缓慢，对上覆水中TN去除作用较弱；经底泥改善剂处理后的底泥，其ORP升高，且改善剂中还含有菹草生长所需的微量元素，极大促进了菹草的生长，提高其对TN净化效果。

2.底泥改善剂和菹草对底泥中ORP和TOC的影响，如图5和图6所示。

由图5改善剂和菹草对底泥中ORP的影响，可以得出，实验结束时所有实验组中ORP均有不同程度提高，其中空白组和仅种植菹草实验组中ORP提高最小，仅上升了50mV和67mV，是因为黑臭底泥氧含量不足，导致菹草根基泌氧能力较差，生长缓慢，所以其ORP上升较缓。在添加改善剂处理0～20天后种植菹草实验组中，底泥中ORP都得到了较大的提高，增幅均在120mV以上，这是因为底泥改善剂对于底泥中的ORP提高有较好的作用，菹草具有较强根基泌氧能力，许多耗氧微生物附着生长，消耗底泥中的有机物，从而使底泥中的ORP升高。

由图6改善剂和菹草对底泥中TOC的影响，可以得出，所有实验组底泥中有机污染物都得到了一定量的净化。6个实验组TOC的去除率分别为2.03％、5.70％、28.74％、32.14％、36.93％、34.42％。菹草与改善剂联合作用能够更大限度吸收分解底泥中的TOC，从而使底泥TOC大幅度降低，其中菹草+改善剂(15)实验组效果最佳。

综上，底泥改善剂和种植菹草均能在不同程度改善底泥中的ORP和TOC含量及上覆水中NH₃-N和TN浓度，但只有当两者联合作用时，对底泥环境及上覆水水质的修复效果才能达到最佳，并且改善剂作用15天后种植沉水植物联合修复效果最佳。

表2

注：a.√代表此时开始种植植物；b.空白处代表此项未种植植物。

本发明前期通过投加自制的底泥改善剂改善底泥环境，从而为种植沉水植物创造条件；后期为避免改善剂释放营养盐污染水体，并弥补改善剂后期修复效果减弱的不足，通过种植沉水植物强化修复效果，吸收释氧剂释放的营养物质，增强水体的自净能力，持久高效地改善水体的缺氧环境。黑臭底泥经改善剂作用后，沉积物及上覆水的氧环境明显改善，底泥中有机质含量明显降低，底泥由黑褐色逐渐变成了棕黄色，效果显著。

本发明采用苦草、眼子菜、狐尾藻等沉水植物也均可实现与上述菹草相同的性质。在本发明的技术方案中，通过调整释氧剂、生物促生剂和缓释剂的质量均可实现与上述实施例3～6一致的性质。

以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种沉水植物-改善剂联合改善黑臭河道底泥的原位修复方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，向河道的底泥中投入底泥改善剂，其中，每平方米底泥投入1.5～2.0kg底泥改善剂；

所述缓释剂为膨润土；

2.根据权利要求1所述的原位修复方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述沉水植物的长度为10～100cm。

3.根据权利要求1所述的原位修复方法，其特征在于，在所述步骤2中，在投入底泥改善剂的第0天在底泥中种植沉水植物为：在投入底泥改善剂的当天在底泥中种植沉水植物。

4.根据权利要求1所述的原位修复方法，其特征在于，所述生物促生剂由7.5质量份的赖氨酸、15质量份的异亮氨酸、15质量份的色氨酸、2.5质量份的甘氨酸、15质量份的谷氨酸、7.5质量份的葡萄糖、15质量份的乳酸钠、15质量份的柠檬氨酸、3.75质量份的木糖和3.75质量份的D-半乳糖组成。

5.根据权利要求1所述的原位修复方法，其特征在于，所述释氧剂、生物促生剂和缓释剂的质量份的比为39：1：60。

6.根据权利要求1所述的原位修复方法，其特征在于，所述释氧剂、生物促生剂和缓释剂的质量份的比为39：1：80。

7.根据权利要求1所述的原位修复方法，其特征在于，所述硝酸钙和过氧化钙的物质的量的比为1：1。

8.根据权利要求1所述的原位修复方法，其特征在于，制备所述底泥改善剂的方法，按照下述步骤进行：

S3，将S2所得圆柱体自然晾干，得到底泥改善剂。

9.根据权利要求1所述的原位修复方法，其特征在于，所述沉水植物的种植密度为：菹草40～60株/m²，金鱼藻80～100株/m²，狐尾藻32～70芽/m²。

10.如权利要求1～9中任意一项所述原位修复方法在改善黑臭河道底泥中的应用，其特征在于，所述原位修复方法能够延长所述底泥改善剂的释氧周期，降低上覆水中NH₃-N浓度和TN浓度，降低底泥中的TOC含量，提高底泥中ORP。