CN109867364B - 用于水产养殖水体内源污染物释放的原位组合控制系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于水产养殖水体内源污染物释放的原位组合控制系统及其方法，依次包括上覆水体层、底泥‑上覆水体界面层和底泥层，上覆水体层分布有若干个可移动式浮床系统，底泥‑上覆水体界面层分布有若干株沉水植物、底栖动物和自然沉降于其上方的矿物材料，底泥层内分布有底栖动物群，可移动式浮床系统包括浮床、置于浮床下方的活性氧化物负载海绵条、置于活性氧化物负载海绵条下方的重物，以及与浮床连接的遥控船；利用矿物材料、沉水植物、底栖动物和可移动式浮床系统协同作用实现对水产养殖水体污染底泥的修复和控制底泥内源磷的释放，效果好，安全环保，且浮床系统可任意移动，净化效果好。
Description
技术领域
本发明属于养殖水体处理技术领域，具体涉及用于水产养殖水体内源污染物释放的原位组合控制系统及其方法。
背景技术
渔业水域水体中的污染物来源分外源和内源，随着我国加大环境保护力度，渔业水域的外源输入逐步得到控制，但内源污染物释放逐步成为影响渔业水域水质好坏的重要因素。目前，国内外内源污染物中污染底泥修复技术包括原位修复技术和异位修复技术两大类。其中，异位修复技术主要采用环保疏浚，将污染底泥移除，以降低底泥中污染物的释放通量和生态风险，并对疏浚后的污染底泥进行安全处理，对象为氮、磷、重金属或有毒有害有机物等污染物含量较高的底泥，可以短期降低底泥污染物含量，但后续底泥处置费用较高，如将其应用于渔业水域底泥修复中可能会对水生植物和底栖动物产生严重破坏作用，彻底改变原有底栖生态系统的结构和功能，不利于渔业水域中水生生态系统和生物资源的恢复。
原位技术主要包括物理覆盖技术、化学钝化技术、生态技术和地球化学工程技术等。目前，综合运用不同原位修复技术组合搭配控制底泥中污染物的释放已得到国内外专家的共识，但如何实现不同单项技术优化组合发挥各自优势是目前的热点和难点。将生态技术中沉水植物和地球化学工程技术进行联用，利用底栖动物的天然扰动实现矿物材料和下层底泥混合、以及矿物材料高效钝化作用，弥补生态技术效率低的缺陷，实现二者有机组合，达到彻底修复污染底泥的效果，目前关于上述生态-地球化学工程技术修复污染底泥还未见相关报道。
发明内容
本发明针对以下技术问题，提供一种水产养殖水体内源污染物释放的原位控制方法：1)目前浮床系统钝磷效率较低且无法移动，仅能钝化小范围内水域；本发明技术方案采用可移动式浮床系统海绵作为吸磷活性组分的载体，充分发挥吸磷组分的高效吸磷作用，节省吸磷活性组分的消耗，降低成本，可以实现更大范围的水域污染物净化，且回收方便。2)矿物材料容易被投加到底泥-水界面的上方，而不容易进入深层底泥，实现对深层底泥中污染物的钝化；本发明技术方案采用底栖动物的天然扰动，实现矿物材料向深层底泥迁移，充分发挥矿物材料对深层底泥的钝化作用。3)表层矿物材料容易被水流冲刷而流失；本发明利用沉水植物的固定作用有效防止矿物材料的流失。4)底栖动物和沉水植物均易受外界环境条件影响，底泥中污染物被大量释放造成水质恶化，容易导致底栖动物和沉水植物死亡，无法实现生态-地球化学工程技术复合修复污染底泥的效果；本发明利用矿物材料高效钝化作用，先削减底泥中污染物的释放以防止水质恶化，改善底栖动物和沉水植物赖以生存的水质，再发挥底栖动物和沉水植物的协同净化作用，进一步控制底泥中污染物的释放。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：
第一方面，用于水产养殖水体内源污染物释放的原位组合控制系统，自上而下依次包括：上覆水体层、底泥-上覆水体界面层和底泥层；所述上覆水体层分布有若干个可移动式浮床系统，所述底泥-上覆水体界面层分布有若干株沉水植物、底栖动物和自然沉降于所述底泥-上覆水体界面上方的矿物材料，所述底泥层内分布有底栖动物群；其中，
所述可移动式浮床系统包括浮床、置于所述浮床下方的若干活性氧化物负载海绵条、置于所述活性氧化物负载海绵条下方的重物，以及与所述浮床连接的遥控船。
优选的，所述浮床可悬浮于水中，包括海绵。
优选的，所述矿物材料为由矿物混合物与水混合搅拌成泥浆后，按投加量为1～100kg/m2投加于水产养殖水体中并经自然沉降于所述底泥-上覆水体界面上方而得；其中，所述矿物混合物的制备方法为：将质量比为1：0.1～10的碳酸钙和沸石置于容器中，依次加入水、铁盐、NaOH溶液，得混合液，碳酸钙和混合液的质量体积比为1：1～10，沸石和混合液的质量体积比为1：1～10，铁盐和混合液的质量体积比为1：1～100；再调节上述混合液的pH值至8～11，固液分离，水洗固态至上清液的pH值接近8即得。
更优选的，所述铁盐包括氯化铁、硫酸铁、聚合氯化铁或聚合硫酸铁中至少一种。
优选的，所述沉水植物包括苦草、黑藻、狐尾藻、菹草或金鱼藻中至少一种，种植密度为100～600株/m2。
优选的，所述底栖动物包括贝类、蚯蚓、螺狮或泥鳅，投加量为100～500g/m2。
优选的，所述活性氧化物负载海绵条包括锆氧化物负载海绵体和/或铁氧化物负载海绵体。
更优选的，所述活性氧化物负载海绵条的制备方法为：将海绵浸泡于锆溶液或铁盐溶液2～24h后，取出海绵，再浸泡于浓度为0.05～1mol/L的NaOH溶液中，浸泡10min～24h后取出，用土工布或尼龙布将负载锆氧化物海绵或铁氧化物海绵包裹成长度为32～120cm的条形；其中，
所述锆溶液为质量浓度10～1000g/L的八水氧氯化锆溶液；
所述铁盐溶液为质量浓度10～1000g/L的氯化铁或硫酸铁的溶液。
优选的，所述重物为石块或水袋，悬挂于所述活性氧化物负载海绵条下方。
第二方面，上述原位组合控制系统用于控制水产养殖水体内源污染物释放的方法，具体地，包括以下步骤：
(1)将矿物材料按投加量为1～100kg/m2投加于水产养殖水体中并自然沉降于所述底泥-上覆水体界面上方，钝化底泥中氮、磷和重金属，改善上覆水体水质；
(2)将沉水植物种植于底泥中，投加底栖动物，并将可移动式浮床系统放置于上覆水体中，经在所述底栖动物的天然扰动作用下将步骤(1)中所述矿物材料带入深层底泥中，钝化深层底泥中氮磷和重金属，且所述底栖动物经食物链消化降低水体中氮磷含量，可移动式浮床系统经物理吸附降低水体中污染物浓度，在所述遥控船的带动作用下移动所述浮床净化不同水域污染物。
本发明的上述原位组合控制系统利用矿物材料、沉水植物、底栖动物和可移动式浮床系统的协同作用实现对水产养殖水体污染底泥的修复和控制底泥内源磷的释放。其中，矿物材料钝化底泥中氮、磷和重金属，使氮、磷和重金属的释放风险降低，改善上覆水体水质，有利于沉水植物的生长。底栖动物一方面通过底栖动物的天然扰动将矿物材料带入到深层底泥中，使深层底泥中氮磷和重金属钝化，降低其释放风险，另一方面底栖动物本身修复污染底泥，所投加的螺蛳、贝类等底栖动物通过食物链摄食藻类、沉水植物和有机碎屑等，降低水体中氮磷含量。沉水植物一方面增强底泥的稳定性，降低矿物材料被水流冲走的风险，另一方面吸收底泥中氮磷和重金属，收割后降低底泥中氮磷和重金属的含量；可移动式浮床系统利用其钝化水中污染物，进一步对从底泥中释放出来的污染物进行净化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明实现矿物材料、底栖动物和沉水植物的优势互补，实现其有机组合，可有效地控制底泥中污染物的释放。与单一矿物材料相比，本发明通过底栖动物活动所产生的天然扰动实现矿物材料和底泥的混合，对上层底泥和下层底泥中的污染物均进行钝化，有效地原位修复污染底泥，沉水植物不仅防止矿物材料随水流流失，而且通过沉水植物的吸收去除底泥中污染物；与单一沉水植物相比，本发明中矿物材料的钝化作用可以更好地维持适合沉水植物生长的水质，使沉水植物生长更好，利用沉水植物吸收去除底泥中污染物。
2.本发明中通过可移动式浮床系统对水中污染物的吸附，进一步降低水体中污染物的浓度，达到控制底泥污染物释放。与现有的浮床系统相比，本发明将安全高效的锆氧化物或铁氧化物负载于海绵上，效果好，安全环保，且浮床系统可任意移动，净化效果好。
附图说明
图1为用于水产养殖水体内源污染物释放的原位组合控制系统的示意图；其中，1遥控船，2沉水植物，3贝类，4矿物材料，5蚯蚓，6螺狮，7浮床，8活性氧化物负载海绵条，9重物。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
参见图1，用于水产养殖水体内源污染物释放的原位组合控制系统，自上而下依次包括上覆水体层、底泥-上覆水体界面层和底泥层；其中，上覆水体层分布有若干个可移动式浮床系统，底泥-上覆水体界面层分布有种植密度为100～600株/m2的沉水植物2(苦草、黑藻、狐尾藻、菹草或金鱼藻等)、投加量为100～500g/m2的底栖动物(螺蛳、贝类、泥鳅或蚯蚓等)和自然沉降于底泥-上覆水体界面上方的矿物材料4，底泥层内分布有底栖动物群(螺蛳、贝类、泥鳅或蚯蚓等)；可移动式浮床系统包括浮床7、置于浮床7下方的若干活性氧化物负载海绵条8、置于活性氧化物负载海绵条8下方的石块或水袋重物9，以及与浮床7连接的遥控船1。其中，矿物材料4为由矿物混合物与水混合搅拌成泥浆后，按投加量为1～100kg/m2投加于水产养殖水体中并经自然沉降于底泥-上覆水体界面上方而得；矿物混合物的制备方法为：将质量比为1：0.1～10的碳酸钙和沸石置于容器中，依次加入水、铁盐、NaOH溶液，得混合液，碳酸钙和混合液的质量体积比为1：1～10，沸石和混合液的质量体积比为1：1～10，铁盐和混合液的质量体积比为1：1～100；再调节上述混合液的pH值至8～11，固液分离，水洗固态至上清液的pH值接近8，即得。
在一实例中，活性氧化物负载海绵条8为锆氧化物负载海绵体，其制备方法为：将海绵浸泡于质量浓度10～1000g/L的八水氧氯化锆溶液2～24h后，取出海绵，再浸泡于浓度为0.05～1mol/L的NaOH溶液中，浸泡10min～24h后取出，用土工布或尼龙布将负载锆氧化物海绵包裹成长度为32～120cm条形。
在一实例中，活性氧化物负载海绵条8为铁氧化物负载海绵体，其制备方法为：将海绵浸泡于质量浓度10～1000g/L的氯化铁或硫酸铁的溶液2～24h后，取出海绵，再浸泡于浓度为0.05～1mol/L的NaOH溶液中，浸泡10min～24h后取出，用土工布或尼龙布将负载铁氧化物海绵包裹成长度为32～120cm条形。
上述原位组合控制系统用于控制水产养殖水体内源污染物释放的方法为：将矿物材料4按投加量为1～100kg/m2投加于水产养殖水体中并自然沉降于底泥-上覆水体界面上方，钝化底泥中氮、磷和重金属，改善上覆水体水质。再将沉水植物2种植于底泥中，投加底栖动物，并将可移动式浮床系统放置于上覆水体中，经在底栖动物的天然扰动作用下将矿物材料带入深层底泥中，钝化深层底泥中氮磷和重金属，且底栖动物经食物链消化降低水体中氮磷含量，可移动式浮床系统经物理吸附降低水体中污染物浓度，在遥控船的带动作用下移动浮床净化不同水域污染物。
实施例1
矿物混合物的制备方法为：取一定质量的碳酸钙和沸石放入容器中，再加入一定质量的氯化铁，控制碳酸钙：沸石：氯化铁的质量比为1：1：0.2；再加入一定体积的去离子水，使碳酸钙质量与去离子水体积之比控制为1g：10mL；然后向混合液中加入1mol/L的NaOH溶液，使混合液的pH值达到10，然后继续振荡反应24h，再通过固液分离并用去离子水清洗，直至上清液的pH值达到8左右，即得到用于底泥修复的矿物材料。
实施例2
可移动式浮床系统的制备方法为：
①取一块海绵(尺寸为长10cm，宽7cm，高3cm)放置于烧杯中，再加入质量浓度为50g/L的氯化锆溶液200mL，浸泡12h，然后取出，放入1.0mol/L的NaOH溶液中稳定24h，取出后放入40℃烘箱烘干，即得到氧化锆负载海绵。
②取一块海绵(尺寸为长10cm，宽7cm，高3cm)放置于烧杯中，再加入质量浓度为40g/L的氯化铁溶液250mL，浸泡24h，然后取出，放入1.0mol/L的NaOH溶液中稳定24h，取出后放入40℃烘箱烘干，即得到氧化铁负载海绵。
③取3块氧化锆负载海绵或氧化铁负载海绵，用土工布连接成条形袋子，再在袋子的末端系上一块石子，使得在投加到水体中后可以处于垂直状态。
效果例1
氧化锆负载海绵吸附水中磷酸盐能力：首先配置质量浓度为1、2、4mg/L的磷酸盐溶液(以P计)，溶液pH值为7.0，体积为200mL；接着向溶液中分别投放氧化锆负载海绵(此三处投放海绵均为整块氧化锆海绵体均分为8份中的其中一份)，在25℃条件下反应6h和24h后，分别取2mL反应液测吸光度。经计算，反应6h和24h后，质量浓度为1mg/L溶液中磷浓度分别为0.86mg/L和0.29mg/L，去除率分别为14.4％和71.5％；质量浓度为2mg/L溶液中磷浓度分别为1.64mg/L和0.75mg/L，去除率分别为18.2％和62.4％；质量浓度为4mg/L溶液中磷浓度分别为3.03mg/L和1.47mg/L，去除率分别为24.2％和63.2％，说明氧化锆负载海绵体在短时间内可以有效去除水中磷酸盐。
效果例2
氧化铁负载海绵吸附水中磷酸盐能力：首先配置质量浓度为5mg/L的磷酸盐溶液(以P计)，溶液pH值为7.0，体积为500mL；接着向溶液中投放氧化铁负载海绵(此处投放海绵为整块氧化铁负载海绵体)，在25℃条件下反应6h和24h后，分别取2mL反应液测吸光度。经计算，反应6h后溶液中磷浓度为2.47mg/L，去除率为50.7％；反应24h后溶液中磷浓度为1.71mg/L，去除率为65.8％，说明氧化铁负载海绵体在短时间内可以有效去除水中磷酸盐。
效果例3
取2个长方形容器(长60cm，宽40cm，高50cm)，向这2个容器中加入底泥，使底泥的厚度为10cm。对第一个容器中底泥不做处理，只是加入上覆水(对照组)；对第二个容器中底泥和上覆水进行以下处理(修复组)：先向底泥-水界面上方投加矿物材料，投加量为6.4kg/m2(以碳酸钙计)，再向矿物材料表面投加螺蛳和河蚌，投加量均为250g/m2，然后向底泥中种上沉水植物-苦草，种植密度为100株/m2，然后加入上覆水，再将浮床系统加入到上覆水中，共加入3套。
经测试，对照组上覆水中溶解态活性磷(SRP)和氨氮浓度分别为0.282mg/L和0.549mg/L，而修复组上覆水中SRP和氨氮浓度分别为0.021mg/L和0.238mg/L，说明本发明的原位组合控制系统用于控制水产养殖水体内源污染物释放时，可以有效地控制其底泥中氮磷的释放。
Claims (3)
1.用于控制水产养殖水体内源污染物释放的原位组合控制系统，其特征在于，自上而下依次包括分布有若干个可移动式浮床系统的上覆水体层，分布有若干株沉水植物、底栖动物和自然沉降有矿物材料的底泥-上覆水体界面层和分布有底栖动物群的底泥层；
所述可移动式浮床系统包括可悬浮于水中的浮床、置于所述浮床下方的若干活性氧化物负载海绵条、悬挂于所述活性氧化物负载海绵条下方的石块或水袋以及与所述浮床连接的遥控船；
所述矿物材料为由矿物混合物与水混合搅拌成泥浆后，按投加量为1–100kg/m2投加于水产养殖水体中并经自然沉降于所述底泥-上覆水体界面上方，所述矿物混合物的制备方法为：将质量比为1：0.1–10的碳酸钙和沸石置于容器中，依次加入水、铁盐和NaOH溶液，得混合液；调节上述混合液的pH值至8–11，固液分离，水洗固态物至上清液的pH值为8即得；其中碳酸钙和混合液的质量体积比为1：1–10，沸石和混合液的质量体积比为1：1–10，铁盐和混合液的质量体积比为1：1–100；所述铁盐包括氯化铁、硫酸铁、聚合氯化铁或聚合硫酸铁中至少一种；
所述沉水植物包括苦草、黑藻、狐尾藻、菹草或金鱼藻中至少一种，种植密度为100–600株/m2；所述底栖动物包括贝类、蚯蚓、螺狮或泥鳅，投加量为100–500 g/m2；
所述活性氧化物负载海绵条为锆氧化物负载海绵体或铁氧化物负载海绵体，制备方法为：将海绵浸泡于锆溶液或铁盐溶液2–24 h后，取出海绵，再浸泡于浓度为0.05–1mol/L的NaOH溶液中，浸泡10 min–24 h后取出，用土工布或尼龙布将负载锆氧化物海绵或铁氧化物海绵包裹成长度为32–120 cm的条形；所述锆溶液为质量浓度10–1000 g/L的八水氧氯化锆溶液；所述铁盐溶液为质量浓度10–1000 g/L的氯化铁或硫酸铁的溶液。
2.根据权利要求1所述的原位组合控制系统，其特征在于，所述浮床包括海绵。
3.权利要求1或2所述原位组合控制系统用于控制水产养殖水体内源污染物释放的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将所述矿物材料按投加量为1–100 kg/m2投加于水产养殖水体中并自然沉降于所述底泥-上覆水体界面上方，钝化底泥中氮、磷和重金属，改善上覆水体水质；
(2)将所述沉水植物种植于底泥中，投加底栖动物，并将可移动式浮床系统放置于上覆水体中，经在所述底栖动物的天然扰动作用下将步骤(1)中所述矿物材料带入深层底泥中，钝化深层底泥中氮磷和重金属，且所述底栖动物经食物链消化降低水体中氮磷含量，可移动式浮床系统经物理吸附降低水体中污染物浓度，在所述遥控船的带动作用下移动所述浮床净化不同水域污染物。
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