CN110316918A - 一种原位控制水体底泥磷释放的联合修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种原位控制水体底泥磷释放的联合修复方法，属于原位修复技术领域，一种原位控制水体底泥磷释放的联合修复方法，包括沉水植物、红土、沉积物和实验控制瓶，将沉积物放入实验控制瓶底部构成沉积层，再将红土铺设于沉积层表面构成红壤覆盖层，再将沉水植物根部植入红壤覆盖层中构成沉水植物层，利用红土覆盖来控制底泥中的易释放形态磷向难释放形态磷转化，抑制底泥中磷的释放，并对红土进行动态吸附实验和静态吸附实验，在实验过程中，可通过观察密封垫的位置来判断下瓶体中红土溶液温度的变化，方便及时作出相关应对控制措施，为准确探究天然红土吸附磷的最佳条件提供重要保障。

Description

一种原位控制水体底泥磷释放的联合修复方法
技术领域
本发明涉及原位修复技术领域，更具体地说，涉及一种原位控制水体底泥磷释放的联合修复方法。
背景技术
磷元素是生物体所必需的营养元素之一，与生命活动密切相关，同时也是水生生物生长的限制元素，其在河流、湖泊等不同系统中的丰度、赋存形态和分布特征与水体富营养化过程有着密切联系(黄清辉等，2006)。一般认为，TP浓度为0.02mg/L时，是造成水体富营养化的临界浓度值。水中过量的磷会增加淡水水生生态系统初级生产力，导致水体富营养化，进而给水生生态系统带来负面的影响(Baietal.，2009)。底泥作为自然水体污染的蓄积场所(ZhangBetal.，2012)，当外源污染被减少或切断以后，底泥中的磷释放是水体磷污染的主要来源(Shillaetal.，2009)。Hullebusch(2003)等人研究发现法国Courtille湖上覆水中99％的TP都来自表层底泥中的磷释放，且好氧条件下也会引起底泥中磷的释放(JuracekandZiegler，2009)。长江中下游20个湖泊的内源磷含量比外源磷的含量高几个数量级(Wangetal.，2013)。
通常，底泥中P的控制技术主要为异位处理技术和原位处理技术，异位处理技术的原理主要是从湖泊中疏浚受污染的沉积物，泥沙疏浚已应用于许多工程项目(Choiv等，2016；Jia等，2015)。然而，从长远来看，这可能会破坏湖泊生态系统的平衡，也不符合成本效益。因此，湖泊沉积物磷的原位处理技术越来越受到人们的重视。为了减少沉积物中磷的释放，设计了许多用于湖泊内部磷负荷控制的原位技术，包括低磁通气(Gerlingetal.2014)，原位覆盖(Choietal.2014)，原位物理化学降水(Dithmeretal.2016)，植物修复(Zhaoetal.，2012)与原位吸附-生物结合(ZhangYetal.2016)的技术。
沉水植物可以减轻沉积物的再悬浮和磷的释放，是修复富营养化水体的有效替代物。由于沉水植物修复对底质磷的处理能力往往受到植物生长周期和周边环境的限制，单一的生态技术已不能再得到有效和普遍的应用，迫切需要一种联合技术来处理沉积物中的磷。同时，原位控制技术是控制稳定沉积物和减少溶解污染物迁移到上覆的潜在有效技术(Evansetal.，2004；Zhou等，2005)。为进一步提高沉水植物对沉积物磷的修复作用，弥补应用单一技术的不足，Udy开发了物理化学和沉水植物相结合的技术。
天然红土，又称红壤，在我国西南地区广泛分布，是在湿热的气候条件下由岩石风化而成，主要成分为碳酸盐，富含铁铝等氧化物，会对底泥中的磷进行吸附固定，所以被广泛应用于原位覆盖控制底泥中内源磷污染。用天然红土作为覆盖材料对富营养化的滇池水体进行修复，能有效的抑制底泥内源磷的释放和修复滇池水体的富营养化。
现有技术中已有将沉水植物与红土结合来对沉积物磷进行原位修复，红土作为覆盖层，其对不同形态磷的吸附量和去除效率需要实验测得，即探究天然红土吸附磷的最佳条件。
发明内容
1.要解决的技术问题
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种原位控制水体底泥磷释放的联合修复方法，利用红土覆盖来控制底泥中的易释放形态磷向难释放形态磷转化，抑制底泥中磷的释放，并对红土进行动态吸附实验和静态吸附实验，在实验过程中，可通过观察密封垫的位置来判断下瓶体中红土溶液温度的变化，方便及时作出相关应对控制措施，为准确探究天然红土吸附磷的最佳条件提供重要保障。
2.技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种原位控制水体底泥磷释放的联合修复方法，包括沉水植物、红土、沉积物和实验控制瓶，将所述沉积物放入实验控制瓶底部构成沉积层，再将所述红土铺设于沉积层表面构成红壤覆盖层，再将沉水植物根部植入红壤覆盖层中构成沉水植物层，利用所述沉水植物和红土联合原位控制技术实现水体磷污染的修复。
进一步的，所述红土选用天然红土，且天然红土为原生土壤，未受到污染和种植蔬菜，更有利于实验的准确性。
进一步的，对天然红土的理化性质进行测定，包括交换量阳离子交换容量(CEC)、比表面积(Sbet)、总孔容(Va)、微孔体积(Vmikro)、外表面(ST)和平均孔径(DP)。
进一步的，对所述红土进行吸附实验，所述吸附实验包括动态吸附实验和静态吸附实验，动态吸附实验和静态吸附实验相结合有利于实验的准确性。
进一步的，所述动态吸附实验包括在含0.02mol/L的250mL氯化钾溶液、5g沉积物样品和天然红土的密封瓶中进行吸附实验，加入两滴0.1％氯仿抑制细菌活性，然后测定吸附处理后各组分的沉积物磷含量。
进一步的，所述天然红土的份量分别控制为0.5g、2g、4g、6g、8g、10g和12g。
进一步的，控制所述动态吸附实验在不同pH(5.0、6.0、7.0、8.0、9.0)、不同温度(20℃、25℃、30℃、35℃)、不同振荡时间(2h、4h、6h、8h、12h、24h)的条件下探究天然红土吸附磷的最佳条件。
进一步的，所述静态吸附实验包括在pH值为7.0±0.2的密封瓶中进行吸附实验，在20±2℃的黑暗条件下保存0-30天，在整个实验期间将密封瓶密封，使溶液体积保持在250mL；记录吸附达到平衡的时间，分析天然红土对不同形态磷的吸附量和去除效率。
进一步的，所述密封瓶包括瓶体、密封盖和密封垫，所述密封垫位于瓶体内侧中部；所述瓶体包括上瓶体和下瓶体，所述上瓶体和下瓶体之间固定连接有隔热环，所述隔热环为透明材质，且隔热环外表面刻设有刻纹，所述密封垫与隔热环内壁相抵并与隔热环滑动连接，所述密封垫上端中心处固定连接有伸缩杆，所述伸缩杆上端固定连接有顶盘，将氯化钾溶液、沉积物样品、天然红土和氯仿抑制细菌活性倒入密封瓶中，使得溶液体积为250mL，然后将密封垫放置于密封瓶中，使得密封垫与隔热环内壁相抵，利用现有技术控制瓶体内部温度为20±2℃，然后将顶盘螺纹连接于伸缩管上端，盖上密封盖密封黑暗保存，上瓶体中的温度易于观测、控制和保持，但是下瓶体中盛有实验溶液，其内部温度难以观测，下瓶体中溶液温度变化时，由于上瓶体和下瓶体中的温度不同，其内部的压强会发生变化，压强差会使得密封垫的位置发生改变，在实验过程中，可通过观察密封垫的位置来判断下瓶体中溶液温度的变化，方便及时作出相关应对控制措施，为准确探究天然红土吸附磷的最佳条件提供重要保障。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)本方案利用红土覆盖来控制底泥中的易释放形态磷向难释放形态磷转化，抑制底泥中磷的释放，并对红土进行动态吸附实验和静态吸附实验，在实验过程中，可通过观察密封垫的位置来判断下瓶体中红土溶液温度的变化，方便及时作出相关应对控制措施，为准确探究天然红土吸附磷的最佳条件提供重要保障。
(2)红土选用天然红土，且天然红土为原生土壤，未受到污染和种植蔬菜，更有利于实验的准确性。
(3)对红土进行吸附实验，吸附实验包括动态吸附实验和静态吸附实验，动态吸附实验和静态吸附实验相结合有利于实验的准确性。
(4)将氯化钾溶液、沉积物样品、天然红土和氯仿抑制细菌活性倒入密封瓶中，使得溶液体积为250mL，然后将密封垫放置于密封瓶中，使得密封垫与隔热环内壁相抵，利用现有技术控制瓶体内部温度为20±2℃，然后将顶盘螺纹连接于伸缩管上端，盖上密封盖密封黑暗保存，上瓶体中的温度易于观测、控制和保持，但是下瓶体中盛有实验溶液，其内部温度难以观测，下瓶体中溶液温度变化时，由于上瓶体和下瓶体中的温度不同，其内部的压强会发生变化，压强差会使得密封垫的位置发生改变，在实验过程中，可通过观察密封垫的位置来判断下瓶体中溶液温度的变化，方便及时作出相关应对控制措施，为准确探究天然红土吸附磷的最佳条件提供重要保障。
附图说明
图1为本发明的实验控制瓶的结构示意图；
图2为本发明的红土吸附实验的结构示意图；
图3为本发明的密封垫处的结构示意图；
图4为本发明的红土溶液温度上升状态下结构示意图；
图5为本发明的红土溶液温度下降状态下的结构示意图；
图6为本发明的实验记录样表。
图中标号说明：
1实验杯体、2沉积层、3红壤覆盖层、4沉水植物层、5密封瓶、6密封盖、7隔热环、8密封垫、9伸缩管、10顶盘。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
请参阅图1，一种原位控制水体底泥磷释放的联合修复方法，包括沉水植物、红土、沉积物和实验控制瓶，将沉积物放入实验控制瓶底部构成沉积层2，再将红土铺设于沉积层2表面构成红壤覆盖层3，再将沉水植物根部植入红壤覆盖层3中构成沉水植物层4，利用沉水植物和红土联合原位控制技术实现水体磷污染的修复方法。
红土选用天然红土，且天然红土为原生土壤，未受到污染和种植蔬菜，更有利于实验的准确性。
对天然红土的理化性质进行测定，包括交换量阳离子交换容量CEC、比表面积Sbet、总孔容Va、微孔体积Vmikro、外表面ST和平均孔径DP。
对红土进行吸附实验，吸附实验包括动态吸附实验和静态吸附实验，动态吸附实验和静态吸附实验相结合有利于实验的准确性。
动态吸附实验包括在含0.02mol/L的250mL氯化钾溶液、5g沉积物样品和天然红土的密封瓶中进行吸附实验，加入两滴0.1％氯仿抑制细菌活性，然后测定吸附处理后各组分的沉积物磷含量。
请参阅图6，天然红土的份量分别控制为0.5g、2g、4g、6g、8g、10g和12g。
控制动态吸附实验在不同pH 5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、不同温度20℃、25℃、30℃、35℃、不同振荡时间2h、4h、6h、8h、12h、24h的条件下探究天然红土吸附磷的最佳条件。
静态吸附实验包括在pH值为7.0±0.2的密封瓶中进行吸附实验，在20±2℃的黑暗条件下保存0-30天，在整个实验期间将密封瓶密封，使溶液体积保持在250mL；记录吸附达到平衡的时间，分析天然红土对不同形态磷的吸附量和去除效率。
请参阅图2，密封瓶包括瓶体5、密封盖6和密封垫8，密封垫8同样为隔热材料制作而成，密封垫8侧端设置有环形凹槽，环形凹槽中胶接有掺有荧光剂的隔热密封胶，密封垫8位于瓶体5内侧中部；瓶体5包括上瓶体和下瓶体，上瓶体和下瓶体之间固定连接有隔热环7，隔热环7为透明材质，且隔热环7外表面刻设有刻纹，密封垫8与隔热环7内壁相抵并与隔热环7滑动连接；
请参阅图3，密封垫8上端中心处固定连接有伸缩杆9，伸缩杆9上端固定连接有顶盘10，将氯化钾溶液、沉积物样品、天然红土和氯仿抑制细菌活性倒入密封瓶中，使得溶液体积为250mL，然后将密封垫8放置于密封瓶中，使得密封垫8与隔热环7内壁相抵，利用现有技术控制瓶体5内部温度为20±2℃，然后将顶盘10螺纹连接于伸缩管9上端，盖上密封盖6密封黑暗保存，上瓶体中的温度易于观测、控制和保持，但是下瓶体中盛有实验溶液，其内部温度难以观测，请参阅图4和图5，下瓶体中溶液温度变化时，由于上瓶体和下瓶体中的温度不同，其内部的压强会发生变化，压强差会使得密封垫8的位置发生改变，在实验过程中，可通过观察密封垫8的位置来判断下瓶体中溶液温度的变化，方便及时作出相关应对控制措施，为准确探究天然红土吸附磷的最佳条件提供重要保障。
本方案利用利用红土覆盖来控制底泥中的易释放形态磷向难释放形态磷转化，抑制底泥中磷的释放；另外，相较于现有技术，本方案在红土的动态吸附实验和静态吸附实验的密封瓶中增设密封垫，在实验过程中，可通过观察密封垫8的位置来判断下瓶体中红土溶液温度的变化，方便及时作出相关应对控制措施，为准确探究天然红土吸附磷的最佳条件提供重要保障。
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改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种原位控制水体底泥磷释放的联合修复方法，其特征在于：包括沉水植物、红土、沉积物和实验控制瓶，将所述沉积物放入实验控制瓶底部构成沉积层(2)，再将所述红土铺设于沉积层(2)表面构成红壤覆盖层(3)，再将沉水植物根部植入红壤覆盖层(3)中构成沉水植物层(4)，利用所述沉水植物和红土联合原位控制技术实现水体磷污染的修复。
2.根据权利要求1所述的一种原位控制水体底泥磷释放的联合修复方法，其特征在于：所述红土选用天然红土，且天然红土为原生土壤。
3.根据权利要求2所述的一种原位控制水体底泥磷释放的联合修复方法，其特征在于：对天然红土的理化性质进行测定，包括交换量阳离子交换容量(CEC)、比表面积(Sbet)、总孔容(Va)、微孔体积(Vmikro)、外表面(ST)和平均孔径(DP)。
4.根据权利要求1所述的一种原位控制水体底泥磷释放的联合修复方法，其特征在于：对所述红土进行吸附实验，所述吸附实验包括动态吸附实验和静态吸附实验。
5.根据权利要求4所述的一种原位控制水体底泥磷释放的联合修复方法，其特征在于：所述动态吸附实验包括在含0.02mol/L的250mL氯化钾溶液、5g沉积物样品和天然红土的密封瓶中进行吸附实验，加入两滴0.1％氯仿抑制细菌活性，然后测定吸附处理后各组分的沉积物磷含量。
6.根据权利要求5所述的一种原位控制水体底泥磷释放的联合修复方法，其特征在于：所述天然红土的份量分别控制为0.5g、2g、4g、6g、8g、10g和12g。
7.根据权利要求5所述的一种原位控制水体底泥磷释放的联合修复方法，其特征在于：控制所述动态吸附实验在不同pH(5.0、6.0、7.0、8.0、9.0)、不同温度(20℃、25℃、30℃、35℃)、不同振荡时间(2h、4h、6h、8h、12h、24h)的条件下探究天然红土吸附磷的最佳条件。
8.根据权利要求4所述的一种原位控制水体底泥磷释放的联合修复方法，其特征在于：所述静态吸附实验包括在pH值为7.0±0.2的密封瓶中进行吸附实验，在20±2℃的黑暗条件下保存0-30天，在整个实验期间将密封瓶密封，使溶液体积保持在250mL；记录吸附达到平衡的时间，分析天然红土对不同形态磷的吸附量和去除效率。
9.根据权利要求5或8所述的一种原位控制水体底泥磷释放的联合修复方法，其特征在于：所述密封瓶包括瓶体(5)、密封盖(6)和密封垫(8)，所述密封垫(8)位于瓶体(5)内侧中部。
10.根据权利要求9所述的一种原位控制水体底泥磷释放的联合修复方法，其特征在于：所述瓶体(5)包括上瓶体和下瓶体，所述上瓶体和下瓶体之间固定连接有隔热环(7)，所述隔热环(7)为透明材质，且隔热环(7)外表面刻设有刻纹，所述密封垫(8)与隔热环(7)内壁相抵并与隔热环(7)滑动连接，所述密封垫(8)上端中心处固定连通有伸缩管(9)，所述伸缩管(9)上端螺纹连接有顶盘(10)。
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