CN110104913A - 一种底泥修复剂及其应用于底泥原位修复的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及水污染防治与生态修复领域，公开一种底泥修复剂及其应用于底泥原位修复的方法，底泥修复剂由以下质量百分比的组分组成：原生蛭石粉：25～35％；改性牡蛎壳粉：15～25％；改性白云石粉：20～30％；改性生物炭粉：20～30％。发明提供的底泥修复剂，是以水生动物源废弃物、植物源废弃物和天然矿物为原料，经煅烧、破碎、筛分、炭化等工序处理后制备而成，原材料来源广泛、廉价宜得，制备工序简单，制备条件温和；生产易于规模化，应用不会产生二次污染问题。本发明底泥修复剂，可高效抑制底泥中污染物质的释放，特别是对容易引发水华的氮、磷物质，具有很好的抑制和钝化效应。
Description
技术领域
本发明涉及水污染防治与生态修复领域，尤其涉及一种底泥修复剂及其应用于底泥原位修复的方法。
背景技术
排入到河流、湖泊等天然水体中的污染物(营养盐、重金属等)有相当一部分最终转移到底泥中，并逐渐富集积累起来。这些污染物在一定的环境条件下会重新释放到上覆水体，导致水体水质下降，并对水体生态系统构成威胁。因此，河流等水环境的治理，不仅需要有效控制外源性污染，还需要考虑控制和削减因底泥产生的内源污染。
底泥内源污染控制的工程技术方法众多，依据于对底泥污染物的控制方式，可分为底泥疏浚和原位污染控制两种形式。底泥疏浚是一种可以有效恢复和改善河道功能的工程性措施，但该措施普通存在工程量大、作业成本高等问题；此外，若疏浚作业不当，还很有可能会对岸坡生态以及水生态系统产生负面影响。底泥原位污染控制(也称为底泥原位修复)是在不转移底泥前提下通过一定的技术措施来控制底泥中污染物的释放或加速污染物的降解转化，依据技术措施及其作用机制，主要有底泥增氧、投加微生物菌剂、底泥覆盖和底泥钝化等四种方法。底泥增氧和向底泥投加微生物菌剂，可在短期内加速污泥中的有机物污染物的降解转化，但这两种方法对磷和重金属无净化去除能力，此外，由于增氧过程的扰动和有机物的快速分解，极易导致底泥中磷、重金属等无机污染物的活化和释放。
底泥覆盖(又称为底泥封闭、掩蔽或帽封)和底泥钝化是向水体中投加一些具有较好阻隔、钝化或吸附效果的修复剂，以减少底泥中的污染物向上覆水体的释放能力和释放量，从而达到有效截断内源污染的目的。因此，这两种方法的修复效果、经济性、适用性等技术经济性能主要取决于所采用的修复剂，但现有技术所采用的修复剂普通存在生产制备成本较高、容易造成二次污染、修复途径单一、吸附钝化能力低、修复层轻散易流失等问题，有些修复剂还极有可能造成二次污染或引发生态风险，如微生物生长促进剂、高分子絮凝剂等。
申请号CN201711096931.6为发明专利，涉及一种黑臭水体底泥原位生化修复剂，按重量份计，其原料组成包括：改性生物炭粉末30～40份、骨料20～60份、微生物菌剂15～20份和共基质10～15份。本发明生化修复剂结合物理吸附、化学处理和生物处理，各组分相互协同作用，对底泥污染削减作用明显，其中，改性生物炭可有效吸附底泥释放的重金属和部分有机物；作为骨料的硅藻土和蒙脱土一方面可吸附部分污染物，另一方面，可同时与改性生物炭一起为微生物的生长提供附着载体；而共基质(玉米粉、葡萄糖、乙酸钠中的一种或多种)可促进微生物的生长，激活微生物菌剂的活性；底泥修复剂为球状，不易随水流失，可充分发挥作用。但该专利生化修复剂对有机污染物和阳离子类污染物(重金属和氨氮)有较好的削减作用，但对阴离子类污染物难以起到理想的削减效果，其中的改性生物炭是通过ZnCl2同步碳化活化生物质制成，该材料尽管原料上低廉易得，但制备成本高，且容易产生重金属的二次污染，而其中的共基质也极易造成有机物的二次污染，此外，本发明将修复剂铺撒于底泥上，每平方米底泥上生化修复剂的铺撒量为2～5KG，没有根据水体情况做出相应的调整，且投放量大，此底泥修复剂加工成粒径为5mm～8mm的球状，需要进行造粒处理，提高了使用成本。
发明内容
本发明针对现有技术中修复剂制备成本较高、容易造成二次污染、修复途径单一、污染物钝化能力低、修复层轻散易流失的缺点，提供一种底泥修复剂及其应用于底泥原位修复的方法。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
一种底泥修复剂，由以下质量百分比的组分组成：
原生蛭石粉：20～30％；
改性牡蛎壳粉：10～20％；
改性白云石粉：20～30％；
改性生物炭粉：20～30％。
作为优选，原生蛭石粉是由蛭石原矿粉经破碎和筛分处理制备而成，原生蛭石粉的粒径小于0.5mm。
作为优选，改性牡蛎壳粉是由牡蛎壳经煅烧、破碎和筛分处理制备而成，改性牡蛎壳粉的粒径小于0.5mm，煅烧温度为450～650℃。底泥修复剂中所配加的改性牡蛎壳粉，是在450～650℃条件下煅烧而成的，经该温度区处理的牡蛎壳粉，内部构造更加丰富，比表面积和固磷能力得到大幅度提升。
作为优选，改性白云石粉是白云石经煅烧、破碎和筛分处理制备而成，改性牡蛎壳粉的粒径小于0.5mm，煅烧温度为650～670℃。底泥修复剂中所配加的改性白云石粉是在650～670℃条件下煅烧而成的，该煅烧温度条件下，白云石中的碳酸镁绝大部分分解成活性氧化镁且活性最好，而白云石中的碳酸钙基本不分解，所生成的活性氧化镁能够与底泥中的PO4 3-和NH4 +结晶反应生成磷酸氨镁沉淀，从而实现对底泥N、P污染物的同步封锁和快速钝化；而白云石中的碳酸钙在底泥环境中能够缓慢释放出钙离子，并能改善底泥的酸碱缓冲性能，因而可进一步改善固磷效果。
作为优选，改性生物炭粉的制备过程如下：
(1)将收集的废弃生物质风干、破碎、筛分，获得粒径小于2mm的生物质粉；
(2)在步骤(1)得到的生物质粉中加入液态氯化镁改性剂，并充分搅拌混合得到生物质粉混合物，液态氯化镁改性剂中液态氯化镁的质量浓度为50～70％，液态氯化镁改性剂的投加量为生物质粉质量的5～10％；
(3)对步骤(2)得到的生物质粉混合物进行通风热干化处理，干化温度低于150℃，待混合物料干化至含水率低于20％后，对其限氧炭化，炭化温度为400～800℃，炭化时间为1～3h。底泥修复剂中所配加的改性生物炭粉，一方面可以促进水体中沉水植物的生长，促进植物根系泌氧，改善底泥微环境，另一方面可以丰富底泥中的微生物种群，提高底泥微生物活性，进而可以促进底泥污染物的分解转化，此外，该改性生物炭粉制备过程中所采用的改性剂为液态氯化镁，该化合物价格低廉，无二次污染问题，并且负载在改性生物炭中的氯化镁同样可以与底泥中的PO4 3-和NH4 +结晶反应生成磷酸氨镁沉淀，从而进一步改善对底泥N、P污染物的封锁和钝化效果。
一种底泥修复剂的制备方法，包括：
1)制备原生蛭石粉；
2)制备改性牡蛎壳粉；
3)制备改性白云石粉；
4)制备改性生物炭粉；
5)将步骤1)～4)制备的组分进行混合，按以下质量百分比计，原生蛭石粉：25-35％，改性牡蛎壳粉：15-25％，改性白云石粉：20-30％，改性生物炭粉：20-30％。
一种底泥修复剂应用于底泥原位修复的方法，包括以下措施：
(1)应用于开放式河道底泥修复时，选择晴朗天气、水流相对缓慢的时间段在河道水面上投加底泥修复剂；投加时，在河道上游、河道近岸处和污水入河排放口区域的投加量为每平方米水面1～5kg，在河道下游、河道中部和雨水入河排放区域的投加量为每平方米水面0.5～1kg；
(2)应用于相对封闭的天然水体时，在进水区域、水面上均匀投加底泥修复剂，投加量为每平方米水面0.5～1kg。本发明底泥修复剂为粉状，比重大，沉降性能好，因而便于使用，其应用效果受流速和水深的影响甚微。
底泥修复剂在水体底泥原位修复中应用，水体底泥是指开放式河道水体底泥投加时，在河道上游、河道近岸处和污水入河排放口区域的投加量为每平方米水面1-5kg，在河道下游、河道中部和雨水入河排放区域的投加量为每平方米水面0.5-1kg。一般选择晴朗天气、水流相对缓慢的时间段在河道水面上投加底泥修复剂。
底泥修复剂在水体底泥原位修复中应用，水体底泥是指相对封闭的天然水体，在进水区域、水面上均匀投加底泥修复剂，投加量为每平方米水面0.5-1kg。相对封闭的天然水体是指相对开放式水体封闭，但是不排除有水循环的存在的天然水体。
本发明由于采用了以上技术方案，具有显著的技术效果：本发明提供的底泥修复剂，是以水生动物源废弃物(牡蛎壳)、植物源废弃物(生物质)和天然矿物(蛭石、白云石)为原料，经煅烧、破碎、筛分、炭化等工序处理后制备而成，原材料来源广泛、廉价宜得，制备工序简单，制备条件温和；生产易于规模化，生产和应用不会产生二次污染问题。本发明底泥修复剂，可高效抑制底泥中污染物质的释放，特别是对容易引发水华的氮、磷物质具有很好的抑制和钝化效果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种底泥修复剂，由以下质量百分比的组分组成：
原生蛭石粉：20％；
改性牡蛎壳粉：20％；
改性白云石粉：30％；
改性生物炭粉：30％。
原生蛭石粉是由蛭石原矿粉经破碎和筛分处理制备而成，原生蛭石粉的粒径小于0.5mm。
改性牡蛎壳粉是由牡蛎壳经煅烧、破碎和筛分处理制备而成，改性牡蛎壳粉的粒径小于0.5mm，煅烧温度为450℃。
改性白云石粉是白云石经煅烧、破碎和筛分处理制备而成，改性牡蛎壳粉的粒径小于0.5mm，煅烧温度为65℃。
改性生物炭粉的制备过程如下：
(1)将收集的废弃生物质风干、破碎、筛分，获得粒径小于2mm的生物质粉；
(2)在步骤(1)得到的生物质粉中加入液态氯化镁改性剂，并充分搅拌混合得到生物质粉混合物，液态氯化镁改性剂中液态氯化镁的质量浓度为50％，液态氯化镁改性剂的投加量为生物质粉质量的5％；
(3)对步骤(2)得到的生物质粉混合物进行通风热干化处理，干化温度低于150℃，待混合物料干化至含水率低于20％后，对其限氧炭化，炭化温度为400℃，炭化时间为1h。
实施例2
一种底泥修复剂，由以下质量百分比的组分组成：
原生蛭石粉：30％；
改性牡蛎壳粉：20％；
改性白云石粉：20％；
改性生物炭粉：20％。
原生蛭石粉是由蛭石原矿粉经破碎和筛分处理制备而成，原生蛭石粉的粒径小于0.5mm。
改性牡蛎壳粉是由牡蛎壳经煅烧、破碎和筛分处理制备而成，改性牡蛎壳粉的粒径小于0.5mm，煅烧温度为650℃。
改性白云石粉是白云石经煅烧、破碎和筛分处理制备而成，改性牡蛎壳粉的粒径小于0.5mm，煅烧温度为670℃。
改性生物炭粉的制备过程如下：
(1)将收集的废弃生物质风干、破碎、筛分，获得粒径小于2mm的生物质粉；
(2)在步骤(1)得到的生物质粉中加入液态氯化镁改性剂，并充分搅拌混合得到生物质粉混合物，液态氯化镁改性剂中液态氯化镁的质量浓度为70％，液态氯化镁改性剂的投加量为生物质粉质量的10％；
(3)对步骤(2)得到的生物质粉混合物进行通风热干化处理，干化温度低于150℃，待混合物料干化至含水率低于20％后，对其限氧炭化，炭化温度为800℃，炭化时间为3h。
实施例3
一种底泥修复剂，由以下质量百分比的组分组成：
原生蛭石粉：25％；
改性牡蛎壳粉：20％；
改性白云石粉：30％；
改性生物炭粉：25％。
原生蛭石粉是由蛭石原矿粉经破碎和筛分处理制备而成，原生蛭石粉的粒径小于0.5mm。
改性牡蛎壳粉是由牡蛎壳经煅烧、破碎和筛分处理制备而成，改性牡蛎壳粉的粒径小于0.5mm，煅烧温度为550℃。
改性白云石粉是白云石经煅烧、破碎和筛分处理制备而成，改性牡蛎壳粉的粒径小于0.5mm，煅烧温度为660℃。
改性生物炭粉的制备过程如下：
(1)将收集的废弃生物质风干、破碎、筛分，获得粒径小于2mm的生物质粉；
(2)在步骤(1)得到的生物质粉中加入液态氯化镁改性剂，并充分搅拌混合得到生物质粉混合物，液态氯化镁改性剂中液态氯化镁的质量浓度为60％，液态氯化镁改性剂的投加量为生物质粉质量的7％；
(3)对步骤(2)得到的生物质粉混合物进行通风热干化处理，干化温度低于150℃，待混合物料干化至含水率低于20％后，对其限氧炭化，炭化温度为600℃，炭化时间为2h。
实施例4
一种底泥修复剂应用于底泥原位修复的方法，包括以下措施：
(1)应用于开放式河道底泥修复时，选择晴朗天气、水流相对缓慢的时间段在河道水面上投加底泥修复剂；投加时，在河道上游、河道近岸处和污水入河排放口区域的投加量为每平方米水面1kg，在河道下游、河道中部和雨水入河排放区域的投加量为每平方米水面0.5kg；
(2)应用于相对封闭的天然水体时，在进水区域、水面上均匀投加底泥修复剂，投加量为每平方米水面0.5kg。
实施例5
一种底泥修复剂应用于底泥原位修复的方法，包括以下措施：
(1)应用于开放式河道底泥修复时，选择晴朗天气、水流相对缓慢的时间段在河道水面上投加底泥修复剂；投加时，在河道上游、河道近岸处和污水入河排放口区域的投加量为每平方米水面5kg，在河道下游、河道中部和雨水入河排放区域的投加量为每平方米水面0.5kg；
(2)应用于相对封闭的天然水体时，在进水区域、水面上均匀投加底泥修复剂，投加量为每平方米水面0.5kg。
实施例6
一种底泥修复剂应用于底泥原位修复的方法，包括以下措施：
(1)应用于开放式河道底泥修复时，选择晴朗天气、水流相对缓慢的时间段在河道水面上投加底泥修复剂；投加时，在河道上游、河道近岸处和污水入河排放口区域的投加量为每平方米水3kg，在河道下游、河道中部和雨水入河排放区域的投加量为每平方米水面0.7kg；
(2)应用于相对封闭的天然水体时，在进水区域、水面上均匀投加底泥修复剂，投加量为每平方米水面0.8kg。
实施例7
一种底泥修复剂，加入本发明实施例3的底泥修复剂(加入量为底泥量的3％)的处理组其上覆水氨氮和总磷浓度稳定在0.21～0.23mg/L和0.08～0.09mg/L，经为期3天的连续振荡实验，而未加本发明底泥修复剂的对照组氨氮和总磷浓度分别为1.5～2.2mg/L和0.91～1.23mg/L，表明本发明底泥修复剂可高效抑制底泥中污染物的释放，应用于污染水体底泥的修复的潜力.
实施例8
一种底泥修复剂，应用于某住宅小区景观水体的富营养化治理，加入本发明实施例3的底泥修复剂(加入量为0.5kg/m2)，水华得到有效控制，上覆水中的氨氮和总磷分别下降了76％和87％。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。
Claims (9)
1.一种底泥修复剂，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：
原生蛭石粉：25～35％；
改性牡蛎壳粉：15～25％；
改性白云石粉：20～30％；
改性生物炭粉：20～30％。
2.根据权利要求1所述的一种底泥修复剂，其特征在于：原生蛭石粉是由蛭石原矿粉经破碎和筛分处理制备而成，原生蛭石粉的粒径小于0.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种底泥修复剂，其特征在于：改性牡蛎壳粉是由牡蛎壳经过煅烧、破碎和筛分处理制备而成，改性牡蛎壳粉的粒径小于0.5mm，煅烧的温度为450～650℃。
4.根据权利要求1所述的一种底泥修复剂，其特征在于：改性白云石粉是白云石经煅烧、破碎和筛分处理制备而成，改性牡蛎壳粉的粒径小于0.5mm，煅烧温度为650～670℃。
5.根据权利要求1所述的一种底泥修复剂，其特征在于：改性生物炭粉的制备过程如下：
(1)将收集的废弃生物质风干、破碎、筛分，获得粒径小于2mm的生物质粉；
(2)在步骤(1)得到的生物质粉中加入液态氯化镁改性剂，并充分搅拌混合得到生物质粉混合物，液态氯化镁改性剂中液态氯化镁的质量浓度为50～70％，液态氯化镁改性剂的投加量为生物质粉质量的5～10％；
(3)对步骤(2)得到的生物质粉混合物进行通风热干化处理，干化温度低于150℃，待混合物料干化至含水率低于20％后，对其限氧炭化，炭化温度为400～800℃，炭化时间为1～3h。
6.一种底泥修复剂的制备方法，其特征在于，包括：
1)制备原生蛭石粉；
2)制备改性牡蛎壳粉；
3)制备改性白云石粉；
4)制备改性生物炭粉；
5)将步骤1)～4)制备的组分进行混合，按以下质量百分比计，原生蛭石粉：25-35％，改性牡蛎壳粉：15-25％，改性白云石粉：20-30％，改性生物炭粉：20-30％。
7.一种底泥修复剂应用于底泥原位修复的方法，其特征在于，包括以下措施：
(1)应用于开放式河道底泥修复时，选择晴朗天气、水流相对缓慢的时间段在河道水面上投加底泥修复剂；投加时，在河道上游、河道近岸处和污水入河排放口区域的投加量为每平方米水面1～5kg，在河道下游、河道中部和雨水入河排放区域的投加量为每平方米水面0.5～1kg；
(2)应用于相对封闭的天然水体时，在进水区域、水面上均匀投加底泥修复剂，投加量为每平方米水面0.5～1kg。
8.一种如权利要求1～5任意一项所述的底泥修复剂在水体底泥原位修复中应用，其特征在于，所述水体底泥是指开放式河道水体底泥；投加时，在河道上游、河道近岸处和污水入河排放口区域的投加量为每平方米水面1-5kg，在河道下游、河道中部和雨水入河排放区域的投加量为每平方米水面0.5-1kg。
9.一种如权利要求1～5任意一项所述的底泥修复剂在水体底泥原位修复中应用，其特征在于，所述水体底泥是指相对封闭的天然水体，在进水区域、水面上均匀投加底泥修复剂，投加量为每平方米水面0.5-1kg。
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| CN118304862B (zh) * | 2024-06-12 | 2024-08-30 | 中国海洋大学三亚海洋研究院 | 海水中ARGs污染的生物炭基修复材料及制备方法和应用 |
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