CN110240279A - 一种适用于降低水体氮磷浓度的人工底质系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于水生态底质修复技术领域，具体涉及一种适用于降低水体氮磷浓度的人工底质系统，该人工底质系统由上至下依次包括上层固定层、功能层和底层固定层；所述功能层由上至下依次包括植物层、棕垫层和功能无纺布吸附层；所述棕垫层用于聚集微生物和为植物层提供碳源；所述功能无纺布吸附层用于聚集并降解磷、氮；所述上层固定层、植物层、棕垫层、功能无纺布吸附层和底层固定层均可拆卸连接。该人工底质结构科学、合理，能够针对性的降低水体中氮磷浓度；可以实现在任何底质水体下，重建水生植物群落，从多方面提供净化水质的渠道，达到水质净化和植物群落再生的目的。

Description

一种适用于降低水体氮磷浓度的人工底质系统

技术领域

本发明属于水生态底质修复技术领域，具体涉及一种适用于降低水体氮磷浓度的人工底质系统。

背景技术

经济的快速发展和人口的不断增加使大量的营养物质不断地流入湖泊，致使水体的富营养化成为愈来愈严重的全球性环境问题，而氮、磷是其中主要的限制因素。

研究和开发脱氮除磷技术是当今水污染治理的研究热点之一。目前，在湖泊河流的修复中，氮、磷的去除主要通过换水、投放微生物菌剂、投放絮凝剂等方式控制。但是换水法工程量巨大、成本高；投入微生物菌剂的生物法工艺运行稳定性一般较差，运行操作严格，受水体温度、酸碱度等影响大，对废水中有机物浓度依赖性很强；投放絮凝剂会对水生生态系统存在潜在威胁，如石灰可以增大水中氨的毒性，铁和铝盐则可以破坏鱼鳃的正常功能。基于生态毯的污染物控制技术大多只针对控制底泥上浮、为植物提供生根点的问题，而对于氮、磷此类污染营养物的去除，目前没有针对性的方法。一些方法使用大量填料进行原位覆盖从而有效地限制污染物对上覆水体的影响，但这会对水体造成二次污染，失效后材料的处置也将会成为另一难题。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供了一种适用于降低水体氮磷浓度的人工底质系统，该人工底质系统结构科学、合理，能够针对性的降低水体氮磷浓度；可以实现在任何底质水体下，重建水生植物群落，且在重建过程中，使用的材料均为环保材料，对水环境无二次污染，从多方面提供净化水质的渠道，达到水质净化和植物群落再生的目的。

为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种适用于降低水体氮磷浓度的人工底质系统，由上至下依次包括上层固定层、功能层和底层固定层；所述功能层由上至下依次包括植物层、棕垫层和功能无纺布吸附层；所述棕垫层用于聚集微生物和为植物层提供碳源；所述功能无纺布吸附层用于聚集并降解磷、氮；所述上层固定层、植物层、棕垫层、功能无纺布吸附层和底层固定层均可拆卸连接。

进一步地，所述人工底质结构的规格为宽×长＝(1～2)m×(50～200)m。

进一步地，所述上层固定层为尼龙网层，底层固定层为尼龙网层。

更进一步地，所述尼龙网材料为可降解PP材质，尼龙网网孔为0.5-3.0cm。

进一步地，所述植物层的植物为沉水植物。

更进一步地，所述沉水植物选自金鱼藻、穗花狐尾藻、轮叶黑藻中的至少一种，所述沉水植物长度为20-40cm。

进一步地，所述棕垫层为天然椰棕堆制而成，厚度为3-5cm。

进一步地，所述功能无纺布吸附层为含有磁性颗粒的无纺布层，所述磁性颗粒为纳米级颗粒、微米级颗粒、毫米级颗粒中的至少一种。

更进一步地，所述磁性颗粒选自铁粉、四氧化三铁中的至少一种。

进一步地，所述人工底质系统还包括上层固定层、功能层和底层固定层的固定装置，所述固定装置包括扎带和铆钉，所述上层固定层、功能层和底层固定层重叠后边缘用扎带固定，中部用若干铆钉固定。

本发明的人工底质系统由上至下依次包括上层固定层、植物层、棕垫层、功能无纺布吸附层和底层固定层构成，其中氮磷的降解反应通过功能无纺布表面的氧化还原反应进行，棕垫层为水生植物层提供碳源，与底泥中各种硝化细菌和反硝化细菌共同作用，进行氮磷的富集和微生物去除作用，综合修复污染水体。同时通过氧化还原反应将污染物改为无污染的价位状态，从而促进水生植物群落的繁衍。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明的人工底质系统可以有效控制底泥污染物释放，富集磷元素，促进水体氮的分解，改善底质，增加微生物群落，为水生植物的成活提供人工底质，更加有利于植物成活。

(2)本发明的人工底质系统有利于水生植物生根后逐步定植，操作方便，人力投入小，可有效解决氮磷等元素为主的水体富营养化问题，有效的促进水生植物在湖泊等水域中进行水生态修复、植物群落重建作用的发挥，实现在任何底质水体下，对该水体水生植物群落的重建。

(3)本发明的人工底质系统应用于重建水生植物群落的过程中，使用的材料均为环保材料，对水环境无二次污染，而且从多方面提供净化水质的渠道，到达水质净化和植物群落再生的目的。

(4)本发明的人工底质系统在使用时，将固定层与功能层固定层重叠后边缘用扎带固定、中部用若干铆钉固定即可，或者直接从上到下用尼龙线贯穿缝合，如棉被的缝合固定方式。如果用于工业生产，可以将最下面三层固定缝合后，机器成卷，打包运输到目的地然后加入植物层、上层固定层，用于水体底质改造和水生植物恢复。因此，铺设方式灵活简单，方便推广应用，可产业化生产，所用材料均绿色环保，造价低廉。

具体实施方式

展示一下实例来具体说明本发明的某些实施例，且不应解释为限制本发明的范围。对本发明公开的内容可以同时从材料、方法和反应条件进行改进，所有这些改进，均应落入本发明的的精神和范围之内。

本发明提供一种适用于降低水体氮磷浓度的人工底质系统，由上至下依次包括上层固定层、功能层和底层固定层；其中功能层由上至下依次包括植物层、棕垫层和功能无纺布吸附层；棕垫层用于聚集微生物和为植物层提供碳源，功能无纺布吸附层用于聚集并降解磷、氮；所述上层固定层、植物层、棕垫层、功能无纺布吸附层和底层固定层均可拆卸连接。优选人工底质结构的规格为宽×长＝(1～2)m×(50～200)m，上层固定层、底层固定层均为尼龙网层，进一步优选尼龙网材料为可降解PP材质，尼龙网网孔为0.5-3.0cm。优选植物层的植物为沉水植物，进一步优选沉水植物选自金鱼藻、穗花狐尾藻、轮叶黑藻中的至少一种，所述沉水植物长度为20-40cm。棕垫层为天然椰棕堆制而成，厚度为3-5cm。功能无纺布吸附层为含有磁性颗粒的无纺布层，所述磁性颗粒为纳米级颗粒、微米级颗粒、毫米级颗粒中的至少一种，磁性颗粒选自铁粉、四氧化三铁中的至少一种。

人工底质系统还包括上层固定层、功能层和底层固定层的固定装置，所述固定装置包括扎带和铆钉，使用时，将固定层与功能层固定层重叠后边缘用扎带固定、中部用若干铆钉固定即可，或者直接从上到下用尼龙线贯穿缝合，如棉被的缝合固定方式。如果用于工业生产，可以将最下面三层固定缝合后，机器成卷，打包运输到目的地然后加入植物层、上层固定层，用于水体底质改造和水生植物恢复。

实施例1：

1、人工底质系统及其构建

一种适用于降低水体氮磷的人工底质系统，其为多层毯式结构，共5层，由上至下依次包括上层尼龙网层、植物层、棕垫层、功能无纺布吸附层和底层尼龙网层。本实施例中的人工底质结构的规格为宽×长＝1*50m，上层尼龙网层、棕垫层、功能无纺布吸附层、底层尼龙网层，均裁剪为1*50m的大小，除上层尼龙网层外，其他4层按顺序重叠，待用。

本实施例中功能无纺布吸附层为四氧化三铁加入无纺布中制备而成的，四氧化三铁颗粒为100-300nm。本实施例中尼龙网孔眼为1.5cm，材料为可降解pp材质；棕垫层为天然椰棕堆制而成，由专门供应商提供，厚度为5cm；植物层植物种类为穗花狐尾藻，长度优选为30cm，在水生态修复中，将植物铺设与棕垫层上然后覆盖上层尼龙网，固定植物，人工底质结构边缘用扎带进行固定，中部用若干对均匀分布的固定铆钉进行固定，或者直接用尼龙线贯穿缝合。

本实施例中功能(磁性四氧化三铁耦合)无纺布的制备方法包括如下步骤：

(1)磁性四氧化三铁聚乳酸复合切片的制备，包括预共混和熔融共混。

预共混：按比例在干燥箱中对聚乳酸母粒和四氧化三铁粉体在80℃下分别干燥12h和3h，将干燥后的的铁粉体放入高速混合机中预先搅拌5min，然后按比例加入钛酸乙丁酯、液体石蜡搅拌15min，使四氧化三铁粉体表面浸润，再加入已烘干的相应比例的聚乳酸母粒，在80℃下的高速混合机中进行搅拌5min。其中四氧化三铁粉体的质量为聚乳酸母粒质量的3％，钛酸乙丁酯的质量为四氧化三铁粉体质量的3％，液体石蜡的质量为钛酸乙丁酯质量的3倍。

熔融共混：经预共混均匀混合后的聚乳酸母粒和四氧化三铁粉体经双螺杆熔融挤出，经空气冷却，切割成粒，得到磁性四氧化三铁聚乳酸复合切片。螺杆挤出机各区间的温度设置如表1所示。

表1

	1区	2区	3区	4区	5区	6区	7区	物料
									温度/℃	160	165	170	175	180	180	175	170

(2)磁性四氧化三铁聚乳酸熔喷无纺布的制备：对磁性四氧化三铁聚乳酸复合切片进行干燥，然后喂入熔喷机的双螺杆挤出机内进行熔融挤出，再经过熔体过滤和计量泵计量后，输入到熔喷模头的喷丝孔内进行喷出，在喷丝孔两侧空气牵伸下，制成磁性降解纤维，磁性降解纤维在接受装置上靠其自身余热加固成磁性四氧化三铁聚乳酸熔喷无纺布。磁性降解纤维的纤维直径为1-10μm，为超细纤维结构。

熔喷机的各工艺参数设置为：挤出量为10Hz，热风压力为0.08Mpa，热风温度为270℃，接受距离为30cm，网帘传动速度为7.5Hz。熔喷机的螺杆各区间温度设置如表2。

表2

	1区	2区	3区	4区	滤网	计量泵	模头	牵伸空气温度
									温度/℃	200	210	220	240	240	240	240	270

2、人工底质系统的铺设

将制作好的人工底质系统一头放在离岸缘近2米的地方，剩下的圈起后，通过船只承载人工底质系统，逐渐将其放入水体中，50米底质系统放完后，在末端先竹竿插入水底，然后不均匀放置石头，保持人工底质系统平整的沉入水底。

本实施例的人工底质沉水后，功能无纺布层的铁元素可以大量的聚集磷、氮元素，微生物在棕垫层富集后，利用穗花狐尾藻根系提供的养分和棕垫提供的碳源，共同实现富营养物质的去营养化，降低氮磷的含量，该底质系统可覆盖悬浮性或黑臭的底泥，减少底泥的搅动和营养物质的释放，同时为水生植物的生根和定植提供良好的环境。

实施例2

一种适用于降低水体氮磷的人工底质系统，由上至下依次包括上层尼龙网层、植物层、棕垫层、功能无纺布吸附层和底层尼龙网层。本实施例中的人工底质结构的规格为宽×长＝1.5*200m，上层尼龙网层、棕垫层、功能无纺布吸附层、底层尼龙网层，均裁剪为1.5*200m的大小，除上层尼龙网层外，其他4层按顺序重叠，待用。

本实施例中功能无纺布吸附层为铁粉加入无纺布中制备而成的铁粉无纺布，铁粉颗粒为100目。尼龙网孔眼为3.0cm，材料为可降解pp材质；棕垫层为天然椰棕堆制而成，由专门供应商提供，厚度为4cm；植物层植物种类为金鱼藻，长度优选为40cm，在水生态修复中，将植物铺设与棕垫层上然后覆盖上层尼龙网，固定植物，人工底质结构边缘用扎带进行固定，中部用若干对均匀分布的固定铆钉进行固定，或者直接用尼龙线贯穿缝合。

本实施例中功能(磁性铁粉耦合)无纺布的制备方法同实施例1。

本实施例的人工底质系统的铺设方法如实施例1。

实施例3：

一种适用于降低水体氮磷的人工底质系统，由上至下依次包括上层尼龙网层、植物层、棕垫层、功能无纺布吸附层和底层尼龙网层。本实施例中的人工底质结构的规格为宽×长＝1.5*125m，上层尼龙网层、棕垫层、功能无纺布吸附层、底层尼龙网层，均裁剪为1.5*125m的大小，除上层尼龙网层外，其他4层按顺序重叠，待用。

本实施例中功能无纺布吸附层为四氧化三铁混合铁粉后，加入无纺布制备而成。四氧化三铁、铁粉颗粒为100-300nm。尼龙网孔眼为0.5cm，材料为可降解pp材质；棕垫层为天然椰棕堆制而成，由专门供应商提供，厚度为3cm；植物层植物种类为轮叶黑藻，长度优选为20cm，在水生态修复中，将植物铺设与棕垫层上然后覆盖上层尼龙网，固定植物，人工底质结构边缘用扎带进行固定，中部用若干对均匀分布的固定铆钉进行固定，或者直接用尼龙线贯穿缝合。

本实施例的功能(磁性四氧化三铁混合铁粉耦合)无纺布的制备方法同实施例1，其中四氧化三铁与铁粉的质量比为1：1，二者混合后加入高速混合机中预共混。

本实施例的人工底质系统的铺设方法如实施例1。

按GB11893-1989、GB11894-1989的方法对实施例1-3中的水体进行检测，评价实施例1-3的人工底质系统净化水体的效果，结果如表3所示。

表3实施例1-3的人工底质系统净化水体的效果

表3结果表明，本发明的人工底质系统能有效解决氮磷等元素为主的水体富营养化问题，有效的促进水生植物在湖泊等水域中进行水生态修复并实现水生植物群落的重建。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于降低水体氮磷浓度的人工底质系统，其特征在于，由上至下依次包括上层固定层、功能层和底层固定层；所述功能层由上至下依次包括植物层、棕垫层和功能无纺布吸附层；所述棕垫层用于聚集微生物和为植物层提供碳源；所述功能无纺布吸附层用于聚集并降解磷、氮；所述上层固定层、植物层、棕垫层、功能无纺布吸附层和底层固定层均可拆卸连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于降低水体氮磷浓度的人工底质系统，其特征在于，所述人工底质系统的规格为宽×长＝(1～2)m×(50～200)m。

3.根据权利要求1所述的一种适用于降低水体氮磷浓度的人工底质系统，其特征在于，所述上层固定层为尼龙网层，底层固定层为尼龙网层。

4.根据权利要求3所述的一种适用于降低水体氮磷浓度的人工底质系统，其特征在于，所述尼龙网材料为可降解PP材质，尼龙网网孔为0.5-3.0cm。

5.根据权利要求1所述的一种适用于降低水体氮磷浓度的人工底质系统，其特征在于，所述植物层的植物为沉水植物。

6.根据权利要求5所述的一种适用于降低水体氮磷浓度的人工底质系统，其特征在于，所述沉水植物选自金鱼藻、穗花狐尾藻、轮叶黑藻中的至少一种，所述沉水植物长度为20-40cm。

7.根据权利要求1所述的一种适用于降低水体氮磷浓度的人工底质系统，其特征在于，所述棕垫层为天然椰棕堆制而成，厚度为3-5cm。

8.根据权利要求1所述的一种适用于降低水体氮磷浓度的人工底质系统，其特征在于，所述功能无纺布吸附层为含有磁性颗粒的无纺布层，所述磁性颗粒为纳米级颗粒、微米级颗粒、毫米级颗粒中的至少一种。

9.根据权利要求8所述的一种适用于降低水体氮磷浓度的人工底质系统，其特征在于，所述磁性颗粒选自铁粉、四氧化三铁中的至少一种。

10.根据权利要求1所述的一种适用于降低水体氮磷浓度的人工底质系统，其特征在于，所述人工底质系统还包括上层固定层、功能层和底层固定层的固定装置，所述固定装置包括扎带和铆钉，所述上层固定层、功能层和底层固定层重叠后边缘用扎带固定，中部用若干铆钉固定。