CN111807449A - 一种原位治理天然水体污染的装置和方法 - Google Patents

一种原位治理天然水体污染的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种原位治理天然水体污染的装置和方法，该装置包括用于布设在天然水体中的挂件，挂件上挂有若干个网袋，网袋中装有改性生物炭，其中改性生物炭是由生物炭经酸处理、碱处理和金属盐改性后制备得到。本发明原位治理天然水体污染的装置，能够有效改善天然水体的水质，具有治理效果好、治理成本低的优点，有着很高的使用价值和很好的应用前景。采用本发明装置对天然水体污染进行原位治理时，可实现对水体中多种污染物(如氮、磷、重金属)的有效去除，具有工艺简单、操作方便、成本低廉、处理效果好等优点，对于有效治理天然水体污染具有十分重要的意义。

Description

一种原位治理天然水体污染的装置和方法
技术领域
本发明属于天然水体污染治理领域，涉及一种原位治理天然水体污染的装置和方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展，江河湖库等地表水体(天然水体)的富营养化问题越来越严重。造成水体富营养化的主要营养盐元素是氮和磷，因此治理水体富营养化的关键就是控制氮磷。常用的氮磷去除方法有生物法、化学法和吸附法。生物法去除效率较低，机理复杂，过程不易控制；化学法虽然去除率很高，但是要投加化学试剂，成本高，而且可能造成二次污染；而吸附法常被认为是高效快速、易于操作、无二次污染、可回收利用且成本低廉的方法。其中，生物炭作为新型、廉价的吸附材料已经成为国内外学者研究的热点，但生物炭对磷的吸附效果有待进一步加强。与此同时，由于水体中重金属对环境和人体具有毒害作用，因而如何去除水体中的重金属，也受到了极大的关注。
另外，作为农业大国，我国每年都会产生大量的农业秸秆和畜禽粪便，但目前农业秸秆多被闲置浪费或者就地焚烧，不仅容易造成土地肥力下降，而且产生了严重的环境问题。如每年农业收获季节，秸秆的大量焚烧，引起空气质量急剧下降，同时烟雾笼罩机场及高速公路，导致机场及高速公路关闭，给社会生产、生活带来诸多不利影响；畜禽粪便也多随意排放，引发了一系列的环境和卫生问题。农业秸秆和畜禽粪便的高效处置及资源化利用也因此成为社会各界关注的焦点。
随着科技的发展，科研人员成功地利用生物质材料缺氧热解制备了具有高吸附效率的廉价的生物炭，其吸附能力是活性炭的2～3倍。应用于水体污染控制既解决了水体污染的问题，又实现了生物质废物的资源化利用。而农业秸秆和畜禽粪便是一种优质的生物质材料，这为解决上述问题提供了可能。生物炭对多种污染物具有较好的吸附效率，但对磷的吸附效率有待进一步提高。同时，为了提高生物炭对磷的吸附效率，目前采用的新技术为生物炭原材料中加入铝盐或铁盐后高温热解，这种技术虽然在一定程度上提高了生物炭的吸附效率(特别是对磷的吸附效率)，但生物质材料炭化前微孔结构有限，负载金属离子的能力不强；同时，为了提高生物炭吸附能力，一般都会进行酸或碱活化，而现有该技术制备的生物炭在酸或碱活化后，负载的部分金属离子会发生置换、沉淀、解吸等反应而脱离生物炭，从而降低了金属离子负载量和吸附功效。因此，如何获得一种金属离子负载量高、吸附性能好的改性生物炭，对于有效治理天然水体污染具有十分重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种治理效果好的原位治理天然水体污染的装置和方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种原位治理天然水体污染的装置，包括用于布设在天然水体中的挂件，所述挂件上挂有若干个网袋，所述网袋中装有改性生物炭；所述改性生物炭是由生物炭经酸处理、碱处理和金属盐改性后制备得到。
上述的原位治理天然水体污染的装置，进一步改进的，所述改性生物炭的制备方法，包括以下步骤：
S1、将生物炭进行酸处理和碱处理；
S2、将步骤S1中得到的生物炭置于改性溶液中进行超声震荡，得到改性生物炭；所述改性溶液为铝盐溶液、铁盐溶液、铝铁盐溶液中的至少一种。
上述的原位治理天然水体污染的装置，进一步改进的，步骤S1中，对生物炭的酸处理和碱处理为：
S1-1、采用酸溶液对生物炭进行洗涤，时间为1h～6h；所述酸溶液为盐酸溶液、硫酸溶液、硝酸溶液中的至少一种；所述酸溶液的浓度为0.5mol/L～2.5mol/L；所述生物炭的制备包括以下步骤：将生物质材料在厌氧或缺氧条件下进行热解，所得产物粉碎成粒径为2.0mm～5.0mm的颗粒，得到生物炭；所述生物质材料为农业秸秆、畜禽粪便、林草枝叶、木屑、活性污泥中的至少一种；
S1-2、采用水对步骤S1-1中得到的生物炭进行洗涤；
S1-3、采用碱溶液对步骤S1-2中得到的生物炭进行洗涤，时间为1h～6h；所述碱溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液中的至少一种；所述碱溶液的浓度为0.5mol/L～2.5mol/L；
S1-4、采用水对步骤S1-3中得到的生物炭进行洗涤。
上述的原位治理天然水体污染的装置，进一步改进的，步骤S2中，所述超声震荡的时间为1h～4h；所述改性溶液的饱和度≥80％；所述铝盐溶液为氯化铝溶液、硫酸铝溶液、聚合铝盐溶液中的至少一种；所述聚合铝盐溶液为聚氯化铝溶液和/或聚合硫酸铝溶液；所述铁盐溶液为氯化铁溶液、氯化亚铁溶液、硫酸铁溶液、硫酸亚铁溶液或聚合铁盐溶液中的至少一种；所述聚合铁盐溶液为聚氯化铁溶液、聚合硫酸铁溶液、聚亚铁溶液、聚氯硫酸铁溶液中的至少一种；所述铝铁盐溶液为聚合铝铁盐溶液；所述聚合铝铁盐溶液为聚氯化铝铁溶液和/或聚合硫酸氯化铝铁溶液。
上述的原位治理天然水体污染的装置，进一步改进的，所述装置还包括布设在天然水体水面上的漂浮物，所述漂浮物连接在挂件的上部。
上述的原位治理天然水体污染的装置，进一步改进的，所述漂浮物的数量为至少两个，所述漂浮物之间通过绳子串联在一起；所述漂浮物为浮筒、浮管、浮球中的至少一种；所述绳子固定在天然水体岸边的固定桩上并横跨于天然水体上或通过锚固定在水中；所述绳子为缆绳和/或尼龙绳。
上述的原位治理天然水体污染的装置，进一步改进的，所述挂件的数量为至少一个；所述挂件的形状为线状、网状中的至少一种；所述挂件的下方设有吊坠；所述网袋在挂件上的投影面积占挂件平面面积的5％～25％；所述网袋的网孔直径为0.1mm～2.0mm。
上述的原位治理天然水体污染的装置，进一步改进的，所述挂件上还连接有用于固定挂件于天然水体中的锚。
作为一个总的发明构思，本发明还提供了一种原位治理天然水体污染的方法，所述方法为采用上述的装置对天然水体污染进行原位治理。
上述的方法，进一步改进的，包括以下步骤：将权利要求1～7中任一项所述装置中的挂件布设在天然水体中，完成对天然水体的原位治理；所述天然水体为河道水体、湖泊水体或水库水体。
上述的方法，进一步改进的，所述挂件的形状为网状时，将网状挂件沿着布平行水流或垂直水流方向布设在河道中；所述网状挂件平行水流方向布设在河道中时，网状挂件的间隔距离为1.0m～4.0m；所述网状挂件垂直水流方向布设在河道中时，网状挂件的间隔距离为5.0m～10.0m；所述挂件的形状为线状时，每个挂件间隔1m～2m。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明提供了一种原位治理天然水体污染的装置，包括用于布设在天然水体中的挂件，挂件上挂有若干个网袋，网袋中装有改性生物炭，其中改性生物炭是由生物炭经酸处理、碱处理和金属盐改性后制备得到。本发明中，采用的改性生物炭具有金属离子负载量高、吸附性能好等优点，对多种污染物(特别是磷、氮)具有较好吸附效果，通过将其挂载在挂件上并将挂件布设在天然水体中，即可利用改性生物炭吸附天然水体中的污染物，从而有效去除天然水体中的污染物，大大改善了天然水体的水质，实现了对天然水体污染的原位治理，有效的降低了天然水体出现水体富营养化的可能。本发明中，采用的改性生物炭填装在网袋中，有利于实现生物炭的回收和再利用，可实现本发明装置的循环使用，也有利于降低治理成本，同时，也能够避免投加物残留在水体中引发二次污染。本发明原位治理天然水体污染的装置，能够有效改善天然水体的水质，具有治理效果好、治理成本低的优点，有着很高的使用价值和很好的应用前景。
(2)本发明中，所用的改性生物炭的制备方法中，先将生物炭进行酸处理和碱处理，洗去生物炭孔隙中的灰分，增加孔隙度，有利于增加生物炭吸附能力和负载阳离子(包括金属离子)的能力，然后将上述酸碱处理后的生物炭置于改性溶液(铝盐溶液、铁盐溶液、铝铁盐溶液中的至少一种)中，使铝铁等金属离子负载到生物炭中，增加生物炭对污染物的吸附能力，且在超声震荡中进行金属离子负载，能够进一步增加金属离子的负载量，从而显著的提高了生物炭中金属离子的负载量，进一步提高了生物炭的吸附性能，最终制备得到对多种污染物(磷、氮、重金属)具有较好吸附效果的改性生物炭，解决了现有改性生物炭制备方法中“先负载金属离子再酸或碱活化”造成“先负载的金属离子发生置换、沉淀、解吸等反应”而导致的生物炭吸附功能降低或失效的问题。本发明制备方法制得的改性生物炭具有金属离子负载高、吸附性能好等优点，可广泛用于吸附环境中的污染物(如磷、氮、重金属)，能够实现对水体中污染物(如磷、氮、重金属)的高效吸附，且该改性生物炭经简单的活化处理后即可继续用于对污染物的吸附，有着很高的使用价值和应用前景；同时，本发明制备方法还具有工艺简单、操作方便、原料易得、成本低廉等优点，可实现大规模制备，适合于工业化生产，有利于改性生物炭的推广应用。
(3)本发明中，所用的改性生物炭的制备方法中，优化了超声震荡的时间为1h～4h，能在保证较低制备成本的前提下进一步提高金属离子的负载量，这是因为超声震荡时间对于金属离子的负载具有重要的影响，若超声震荡时间过短，则难以在生物炭中负载足量的金属离子，从而会导致改性生物炭的吸附性能差，而超声震荡时间过长，由于生物炭本身的活性位点有限因而也并不能显著增加金属离子的负载量，反而，过长的震荡时间会增加生产成本和时间，导致制备成本较高。
(4)本发明中，所用的改性生物炭的制备方法中，优化了改性溶液的饱和度≥80％，这有利于提高金属离子在生物炭上的负载量。
(5)本发明中，所用的改性生物炭的制备方法中，采用的生物炭由农业秸秆、畜禽粪便、林草枝叶、木屑、活性污泥等富含生物质的生物质材料制备得到，实现了农业秸秆、畜禽粪便、林草枝叶、木屑、活性污泥等生物质材料的资源化利用，具有原料来源广、成本低廉等优点。
(6)本发明提供了一种原位治理天然水体污染的方法，通过将本发明装置中的挂件布设在天然水体中，即可实现对水体中多种污染物(如氮、磷、重金属)的有效去除，具有工艺简单、操作方便、成本低廉、处理效果好等优点，对于有效治理天然水体污染具有十分重要的意义。
具体实施方式
以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
以下实施例中，若无特别说明，所采用的材料和仪器均为市售，所采用的工艺为常规工艺，所采用的设备为常规设备，且所得数据均是三次以上试验的平均值。
实施例1：
一种原位治理天然水体污染的装置，包括用于布设在天然水体中的挂件，挂件上挂有若干个网袋，网袋中装有改性生物炭，其中改性生物炭是由生物炭经酸处理、碱处理和金属盐改性后制备得到。
本实施例中，采用的改性生物炭的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备生物炭：
将玉米秸秆在缺氧条件下加热至300℃热解2h，粉碎成粒径为2.0mm～5.0mm的颗粒，得到生物炭。
(2)对生物炭进行酸处理和碱处理：
(2.1)采用1.0mol/L的盐酸溶液对步骤(1)中制得的生物炭进行洗涤，时间为2h。
(2.2)采用水对步骤(2.1)中得到的生物炭进行洗涤，时间为20min。
(2.3)采用1.0mol/L的氢氧化钠溶液对步骤(2.2)中得到的生物炭进行洗涤，时间为2h。
(2.4)采用水对步骤(2.3)中得到的生物炭进行洗涤，时间为20min。
(3)对酸碱处理后的生物炭进行改性：
将步骤(2)中得到的生物炭置于饱和度为85％的聚氯化铝铁溶液中，超声震荡2h，得到改性生物炭。
本实施例中，原位治理天然水体污染的装置还包括布设在天然水体水面上的漂浮物，漂浮物连接在挂件的上部。
本实施例中，漂浮物的数量为至少两个，可根据实际处理情况进行适当调整，且每个漂浮物的间隔距离为5m，同时漂浮物之间通过绳子串联在一起，绳子固定在天然水体岸边的固定桩上并横跨于天然水体上。
本实施例中，漂浮物为浮球，还可以为浮筒、浮管。本实施例中，绳子为缆绳，还可以为尼龙绳。
本实施例中，挂件的形状为网状，具体为尼龙网，还可以是线状，即尼龙绳。本发明中，采用网状挂件，在不使用时，可将挂件收紧，便于存放；在使用时，可将网状挂件打开成面状布设在天然水体中，从而能够扩大装置的治理面积，有利于提高治理效果和治理效率。
本实施例中，网袋可拆卸式的挂在网状挂件两侧，呈对称布置，网袋的数量可根据实际清淤河道下游水体的深度、污染情况常规选择。本实施例中，网袋在网状挂件上的投影面积占网状挂件平面面积的10％。本发明中，网袋通过挂钩可拆卸式的挂在网状挂件两侧的交叉部上，这有利于改性生物炭合理、均匀的布设在天然水体中，也有利于提高治理效果和治理效率。
本实施例中，网袋的网孔直径为1.0mm。本发明中，采用网孔直径为0.1mm～2.0mm的网袋，其目的是在保证改性生物炭与天然水体中污染物有效接触的前提下，将改性生物炭填装在网袋内，能够减少改性生物炭进入到天然水体中的数量，从而避免因吸附了污染物的改性生物炭重新进入水体中而造成的二次污染。
本实施例中，挂件的下方设有吊坠(如市售渔网网坠)，用于将网状挂件铺展在水体中，好处是保证网状挂件在水中始终处于展开状态，从而保证装有生物炭的网袋均匀分布在网状挂件的截面上。
本实施例中，挂件上还连接有用于固定挂件于天然水体中的锚。本发明中，通过利用锚的固定作用将挂件固定在天然水体中，也有利于网状挂件铺展在水体中。
实施例2：
一种原位治理天然水体污染的方法，利用实施例1中的装置对河道水体污染进行原位治理，包括以下步骤：
将实施例1的装置中的网状挂件打开形成面状，沿着平行水流方向布设在河道中，固定，其中网状挂件的长度为320m，网状挂件之间的间隔距离为2.0m，完成对天然水体的原位治理。
本实施例中，网状挂件沿着平行水流方向布设在河道中，网状挂件之间的间隔距离为1.0m～4.0m时均能实现相同或相似的技术效果。
本实施例中，网状挂件的长度，以下游水质达标为宜。
本实施例中，网状挂件的数量，以下游水质达标为宜。
为了对比本发明装置的治理效果，制备了其他的生物炭材料(如对比例1-3)用于替代本发明中的改性生物炭，从而制成挂载有不同生物炭材料的装置；同时，在相同条件下，利用这些挂载有不同生物炭材料的装置对河道水体进行原位治理。
对比例1：实施例1步骤(2.2)中制备的生物炭。
对比例2：将实施例1步骤(1)中制备的生物炭直接浸泡在饱和度85％的聚氯化铝铁溶液中，浸泡30min，在3MPa超声2h，离心，300℃烧制2h，得到生物炭。
对比例3：将实施例1步骤(1)中制备的生物炭直接浸泡在饱和度85％的聚氯化铝铁溶液中，浸泡30min，在3MPa超声2h，离心，300℃烧制2h，用1.0mol/L的盐酸溶液洗涤2h，得到生物炭。
空白组：研究区域不布设任何设施条件下检测自然情况下的水质变化。
在装置上游以及下游分别取样，测定总氮、总磷含量，结果如表1所示。
表1实施例2中不同装置对河道水体的治理效果
Figure BDA0002590077720000071
由表1可知，实施例2中，经本发明挂载有改性生物炭的装置处理后河道水体中总氮、总磷的含量分别下降至0.93mg/L和0.20mg/L，达到地表水环境质量标准Ⅲ类水标准，而挂载有其他生物炭材料的装置并不能有效降低河道水体中氮、磷的含量，经它们治理后的河道水体中总氮、总磷的含量仍然较高，没有达到地表水环境质量标准Ⅲ类水标准。由此可见，本发明实施例1中挂载有改性生物炭的装置中，利用改性生物炭对多种污染物(特别是磷、氮)的高效吸附性，能够将河道水体中的氮、磷等污染物吸附固定在改性生物炭中，从而能够有效去除河道水体中的氮、磷等污染物，有效改善了河道水体的水质，实现了对河道水体污染的原位治理，降低了河道水体出现水体富营养化的可能。因此，本发明中，利用本发明装置原位治理河道水体时，通过将装置中的挂件沿着平行水流方向布设在河道水体中，即可实现对河道水体中多种污染物(如氮、磷)的有效去除，由此实现了对河道水体的有效治理，且具有工艺简单、操作方便、成本低廉、处理效果好等优点，对于有效治理天然水体污染具有十分重要的意义。
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种原位治理天然水体污染的装置，其特征在于，包括用于布设在天然水体中的挂件，所述挂件上挂有若干个网袋，所述网袋中装有改性生物炭；所述改性生物炭是由生物炭经酸处理、碱处理和金属盐改性后制备得到。
2.根据权利要求1所述的原位治理天然水体污染的装置，其特征在于，所述改性生物炭的制备方法，包括以下步骤：
S1、将生物炭进行酸处理和碱处理；
S2、将步骤S1中得到的生物炭置于改性溶液中进行超声震荡，得到改性生物炭；所述改性溶液为铝盐溶液、铁盐溶液、铝铁盐溶液中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的原位治理天然水体污染的装置，其特征在于，步骤S1中，对生物炭的酸处理和碱处理为：
S1-1、采用酸溶液对生物炭进行洗涤，时间为1h～6h；所述酸溶液为盐酸溶液、硫酸溶液、硝酸溶液中的至少一种；所述酸溶液的浓度为0.5mol/L～2.5mol/L；所述生物炭的制备包括以下步骤：将生物质材料在厌氧或缺氧条件下进行热解，所得产物粉碎成粒径为2.0mm～5.0mm的颗粒，得到生物炭；所述生物质材料为农业秸秆、畜禽粪便、林草枝叶、木屑、活性污泥中的至少一种；
S1-2、采用水对步骤S1-1中得到的生物炭进行洗涤；
S1-3、采用碱溶液对步骤S1-2中得到的生物炭进行洗涤，时间为1h～6h；所述碱溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液中的至少一种；所述碱溶液的浓度为0.5mol/L～2.5mol/L；
S1-4、采用水对步骤S1-3中得到的生物炭进行洗涤；
步骤S2中，所述超声震荡的时间为1h～4h；所述改性溶液的饱和度≥80％；所述铝盐溶液为氯化铝溶液、硫酸铝溶液、聚合铝盐溶液中的至少一种；所述聚合铝盐溶液为聚氯化铝溶液和/或聚合硫酸铝溶液；所述铁盐溶液为氯化铁溶液、氯化亚铁溶液、硫酸铁溶液、硫酸亚铁溶液或聚合铁盐溶液中的至少一种；所述聚合铁盐溶液为聚氯化铁溶液、聚合硫酸铁溶液、聚亚铁溶液、聚氯硫酸铁溶液中的至少一种；所述铝铁盐溶液为聚合铝铁盐溶液；所述聚合铝铁盐溶液为聚氯化铝铁溶液和/或聚合硫酸氯化铝铁溶液。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的原位治理天然水体污染的装置，其特征在于，所述装置还包括布设在天然水体水面上的漂浮物，所述漂浮物连接在挂件的上部。
5.根据权利要求4所述的原位治理天然水体污染的装置，其特征在于，所述漂浮物的数量为至少两个，所述漂浮物之间通过绳子串联在一起；所述漂浮物为浮筒、浮管、浮球中的至少一种；所述绳子固定在天然水体岸边的固定桩上并横跨于天然水体上或通过锚固定在水中；所述绳子为缆绳和/或尼龙绳。
6.根据权利要求1～3中任一项所述的原位治理天然水体污染的装置，其特征在于，所述挂件的数量为至少一个；所述挂件的形状为线状、网状中的至少一种；所述挂件的下方设有吊坠；所述网袋在挂件上的投影面积占挂件平面面积的5％～25％；所述网袋的网孔直径为0.1mm～2.0mm。
7.根据权利要求6所述的原位治理天然水体污染的装置，其特征在于，所述挂件上还连接有用于固定挂件于天然水体中的锚。
8.一种原位治理天然水体污染的方法，其特征在于，所述方法为采用权利要求1～7中任一项所述的装置对天然水体污染进行原位治理。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：将权利要求1～7中任一项所述装置中的挂件布设在天然水体中，完成对天然水体的原位治理；所述天然水体为河道水体、湖泊水体或水库水体。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述挂件的形状为网状时，将网状挂件沿着布平行水流或垂直水流方向布设在河道中；所述网状挂件平行水流方向布设在河道中时，网状挂件的间隔距离为1.0m～4.0m；所述网状挂件垂直水流方向布设在河道中时，网状挂件的间隔距离为5.0m～10.0m；所述挂件的形状为线状时，每个挂件间隔1m～2m。
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