CN112062199A - 沉积物-水界面营养盐靶向阻断方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了沉积物‑水界面营养盐靶向阻断方法,选用碳酸钙粉末,碳酸钙粉末和聚合氯化铝粉末混合物、白云石粉末其中任意一种作为营养盐处理剂。操作方法是将过量的营养盐处理剂投入水体中,少部分营养盐处理剂在沉降过程吸附水体中磷酸盐及悬浮的颗粒态磷,降低水体中总磷含量;而过量的营养盐处理剂沉降到沉积物表面形成覆盖层,阻断沉积物中氨氮和磷酸盐向水体中释放,达到消除水体富营养化的目的,可以广泛应用于河流湖泊氮磷营养盐释放的靶向阻断、天然水体深度控磷、人工湿地水质净化、污水处理厂尾水深度净化、水厂提标改造。
Description
方法领域
本发明涉及水环境治理方法领域,具体为沉积物-水界面营养盐靶向阻断方法。
背景方法
现阶段,我国河流、湖泊的水体富营养化日趋严重,已经成为当前最受关注的主要环境问题。水体富营养化的发生与水体氮、磷含量密切相关。河流、湖泊水体中氮、磷来源既有外部输入,也有水体内部释放。水体内部释放主要指从底泥中释放氮、磷,氮、磷的内部释放是持续不断进行的,会导致水体富营养逐渐加重。因此控制氮、磷的内部释放是治理河流、湖泊水体富营养化的关键。
另外,一些河流和湖泊在清除淤泥后,往往会留下不同厚度的淤泥层,便于后期种植水生植物;但留下来的淤泥层也会带来新的环境问题。留下的淤泥层与水体之间会形成新沉积物- 水界面,沉积物中颗粒与间隙水相互之间的生物化学作用,会不断地向水体找中释放氨氮和磷酸盐,增加水体富营养化的风险。
以南京莫愁湖为例,2020年初莫愁湖进行清淤处理,为了便于后期种植植物,清淤后留下20cm后的淤泥层;留下的20cm 厚淤泥未做任何处理,与水体之间形成了新的沉积物-水界面,沉积物会不断向水体中释放氨氮和磷酸盐,增加水体中富营养化的风险。
发明内容
本发明的目的在于提供沉积物-水界面靶向阻断方法,以解决上述问题。
为实现上述目的,本发明提供如下方法方案:
沉积物-水界面营养盐靶向阻断方法,其特征在于:将营养盐处理剂投入水体中,营养盐处理剂沉降至沉积物-水界面形成覆盖层,靶向阻断沉积物中氨氮和磷酸盐的释放。营养盐处理剂在沉降过程中,还可以吸附水体中磷酸盐和颗粒态磷。
优选的,营养盐处理剂为碳酸钙粉末。
优选的,营养盐处理剂为碳酸钙粉末和聚合氯化铝粉末混合。
优选的,营养盐处理剂还可以为白云石粉末。
优选的,碳酸钙粉末的粒径为30-70μm;白云石粉末的粒径为30-70μm;碳酸钙粉末与聚合氯化铝粉末的质量比为250~ 500:1。
优选的,营养盐处理剂在沉积物表面形成的覆盖层厚度为 3-6mm。本方案通过多次试验总结,确定覆盖层最佳厚度为 3-6mm,厚度小于3mm时阻隔氮、磷效果不理想;厚度大于6mm 时阻隔氮、磷效果没有提高同时还造成了成本的浪费。
营养盐处理剂可通过机械或人工投入至水体中,采用气流和机械搅拌方式与水体混合。
本方案的作用机理:本发明方法方案中通过球磨机将碳酸钙粉末打磨至超细水平,粒径达到30-70μm;碳酸钙粉末投入水体,在混合下降过程中快速、高效吸附水体中的有机磷酸盐和无机磷酸盐,大幅降低水体磷酸盐含量,可直接达到三类水的标准。碳酸钙粉末可去除绝大多数磷,但无法去除水体中悬浮的颗粒态磷,本发明技术方案中提出投入絮凝剂聚合氯化铝粉末,聚合氯化铝与水混合会水解形多核聚羟阳离子,多核聚羟阳离子与磷酸氢根、磷酸二氢根结合发生配位反应;形成了结构更复杂的大分子配合物,使多核聚羟阳离子聚集程度加大,具有较强吸附性;在水混合下降过程网捕悬浮的颗粒态磷,形成更大絮体,沉降至水底。故碳酸钙粉末与絮凝剂聚合氯化铝协同作用,降磷效果优异,使水体中的总磷含量较低。
本方法方案中还强调碳酸钙粉末需过量,在去除水体中磷酸盐后,过量的碳酸钙粉末沉降在沉积物-水界面,形成碳酸钙粉末覆盖层。因沉积物颗粒之间的间隙水,经生物化学作用会连续不断产生营养盐并向水体中释放,营养盐主要为氨氮和磷酸盐,会使水体富营养化。为了阻止氨氮和磷酸向水体中释放,本方法方案利用碳酸钙粉末形成的覆盖层,靶向阻断氨氮和磷酸盐向水体中释放。其作用机理如下;碳酸钙可以磷酸盐发生离子交换,形成磷酸钙沉淀,阻断磷酸盐向水体中释放。
化学反应方程式如下:
Ca2++PO4 3-→Ca3(PO4)2↓
另一方面,氨氮厌氧生物氧化过程是一种自养微生物作用下的生化反应过程;其微生物细胞合成的氮源有两种,分别为硝态氮和氨氮;当反应以NH4 +作为氮源时,氨氮氧化过程需要消耗一定的碱度;而本方案中碳酸钙可为微生物氧化氨氮反应提供碱度,促进微生物对氨氮氧化,降低水体中氨氮含量。
用碳酸钙作为覆盖层的独特优势还在于,碳酸根离子作用且仅作用于氨氮和磷酸盐,不会带来其他副危害。同时因碳酸钙粉末不溶于水,分子间处于离散状态,形成的覆盖层与其他的膜覆盖层相比,碳酸钙粉末覆盖层不会阻断沉积物-水界面的水、氧气、生物生长所需的物质交换,底栖动物可在沉积物-水界面自由进出和其他生物的生长,维持良好的生态平衡。
特别说明:白云石粉末作为营养盐处理剂时,其作用原理及效果与上述一致。
与现有方法相比,本发明的有益效果是:
本发明沉积物-水界面营养盐靶向阻断方法,操作步骤简单,使用碳酸钙粉末、白云石粉末、碳酸钙粉末和聚合氯化铝粉末混合物,其中的任意一种作为营养盐处理剂,原材料来源广、成本低。过量营养盐处理剂投入水体中,一方面有效降低了水体中总磷含量;另一方面过量的营养盐处理剂沉降到水和沉积物表面形成覆盖层,靶向阻断沉积物中氨氮和磷酸盐向水体的释放;达到了消除水体富营养化的目的;可以广泛应用于河流湖泊氮磷营养盐释放的靶向阻断、天然水体深度控磷、人工湿地水质净化、污水处理厂尾水深度净化、水厂提标改造。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解,并且构成说明书的一部分,与本发明的实施例一起用于解释本发明,并不构成对本发明的限制。在附图中:
图1是本发明中,实施例1的营养盐处理剂对沉积物中氨氮的靶向阻断效果图;
图2是本发明中,实施例1的营养盐处理剂对沉积物中磷酸盐的靶向阻断效果图;
图3是本发明中,实施例2中营养盐处理剂对沉积物中磷的靶向阻断效果图;
图4是本发明中,实施例3的营养盐处理剂对沉积物中氨氮的靶向阻断效果图;
图5是本发明中,实施例3的营养盐处理剂对沉积物中磷酸盐的靶向阻断效果图;
图6是本发明中,实施例4的营养盐处理剂对沉积物中氨氮的靶向阻断效果图;
图7是本发明中,实施例4的营养盐处理剂对沉积物中磷酸盐的靶向阻断效果图。
具体实施方式:
下面将对本发明实施例中的方法方案进行清楚、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,本领域普通方法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。
实施例1
准备营养盐处理剂,取粒径为30μm的碳酸钙粉末作为营养盐处理剂。2020年3月在莫愁湖东湖心、西湖心、长沟三段水域分别施用500Kg营养盐处理剂,营养盐处理剂对沉积物中氨氮和磷酸盐的靶向阻断效果见图1、图2,其中空白组为不做任何处理的沉积物;
数据分析:由图1、图2可知,营养盐处理剂处理后的水体氨氮含量处于减小趋势,从开始到第20天时,氨氮含量从8.0mg/l降至 0.8mg/l,在第20-72天内,氨氮含量保持0.8mg/l及以下;空白组从开始到第19天时也呈现减小的趋势,第19天时氮含量降至2.1mg/l,在第19-46天则呈现增大趋势,氮含量从2.1mg/l增大至2.5 mg/l。
从开始到第19天时,水体中磷含量处于递减趋势;从0.3mg/l 降至0.01mg/l以下,到第72天一直保持0.01mg/l的磷含量;而在空白组中,从开始到第19天时,磷含量处于递增趋势;从0.3mg/l 增至最高值0.53mg/l,第19天后磷含量逐渐减小,但都大于营养盐处理剂处理后的磷含量。
根据以上对图1、图2的分析可知本技术方案,可降低水体磷酸盐和总磷含量,对沉积物红的氨氮和磷酸盐的靶向阻断效果优异。
实施例2
营养盐处理剂准备:取粒径为30μm的碳酸钙粉末,作为营养盐处理剂。
在某市国控断面,实施面积为4000m2,共计投入34吨营养盐处理剂,形成5mm厚度的营养盐处理剂覆盖层;在投入前、投入当天、投入三天后、投入四天后、投入一个月后分别取水体样品,利用全自动水质分析仪检测水体中的磷含量,检测数据见图3,
由图3可知,水体中的磷含量从营养盐处理剂投入开始到第1个月的区间内,水体中磷含量处于递减趋势;本实验方案在较大规模的原位的工程实践中,具有良好的靶向阻断效果。
实施例3
营养盐处理剂准备,取粒径为30μm的碳酸钙粉末与聚合氯化铝混合,碳酸钙粉末与聚合氯化铝质量比为300:1,得到营养盐处理剂。于2020年3月在莫愁湖水域进行了原水实验,对莫愁湖东湖心、西湖心、长沟三段水域施用500Kg营养盐处理剂;营养盐处理剂对沉积物中氨氮和磷酸盐的靶向阻断效果见图4、图5;
根据以上对图4-5的分析可知碳酸钙粉末与聚合氯化铝配合使用可降低水体磷酸盐和总磷含量,高效阻断沉积物中氨氮和磷酸盐释放;且与图1-2相比可知,碳酸钙粉末和聚合氯化铝配合使用对沉积物中氨氮和磷酸盐的释放靶向阻断能力更强。
实施例4
营养盐处理剂准备:取粒径为30μm的白云石粉末,作为营养盐处理剂。
于2020年3月在莫愁湖水域进行了原水实验,对莫愁湖东湖心、西湖心、长沟三段水域施用500Kg营养盐处理剂;营养盐处理剂对沉积物中氨氮和磷酸盐的靶向阻断效果见图6、图7;
根据图6-7与图1-2可知,白云石粉末对沉积物中氨氮和磷酸盐的靶向阻断效果与碳酸钙粉末的阻断效果同样优异,故白云石粉末可代替碳酸钙粉末,作为营养盐处理剂。
实施例5:实验室模拟试验
在南京莫愁湖任意水段采集沉积物和湖水,取5只2L烧杯编号为A、B、C、D、E、F,每只烧杯放入4cm沉积物5cm水;检测水体中氮、磷含量,检测数据见表8-9;向A、B、C、D、E 五只烧杯中加入碳酸钙粉末,粒径为30μm,分别在沉积物-水界面形成2mm、5mm、6mm、0.4mm、9mm的覆盖层。第F组为空白对照组,不加任何处理剂。静置第3天、第10天,取样检测水体中氮、磷含量,检测数据见表8-9;
实验组 | 处理前TN,mg/l | 处理第3天TN,mg/l | 处理第10天TN,mg/l |
A | 8.1 | 5.3 | 0.48 |
B | 8.0 | 5.2 | 0.44 |
C | 8.1 | 5.4 | 0.42 |
D | 8.2 | 5.3 | 4.53 |
E | 7.9 | 5.2 | 0.40 |
F | 7.8 | 9.7 | 12.5 |
表8
表9
由表8-9可知;F组未加任何处理剂,沉积物向水体中释放氮、磷,导致水体氮、磷含量在第3天和第10天呈现增长趋势。D组形成的覆盖层厚度为0.4mm,其阻隔氮、磷效果明显低于A、B、C三组; E组形成额覆盖层厚度为10mm,其阻隔氮、磷效果与C组基本持平;故营养盐处理剂形成的覆盖层厚度为2-6mm是最佳范围,小于2mm,阻隔氮、磷效果欠佳,大于6mm阻隔氮、磷效果没有提高反而增加了营养盐处理的浪费。
综上所述,本技术方案在南京莫愁湖和某市国控段水域的试验,均取得了良好的试验结果;故本技术方案中利用碳酸钙粉或白云石粉末作为营养盐处理剂在沉积物-水界面形成覆盖层,覆盖层厚度为 2-6mm时对沉积物中氨氮及磷酸盐释放的靶向阻断效果良好,若配合聚合氯化铝使用,靶向阻断效果更优异。
对于本领域方法人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
Claims (10)
1.沉积物-水界面营养盐靶向阻断方法,其特征在于:将营养盐处理剂投入水体中,营养盐处理剂沉降至沉积物-水界面形成覆盖层,靶向阻断沉积物中氨氮和磷酸盐的释放。
2.根据权利要求1所述的沉积物-水界面营养盐靶向阻断方法,其特征在于;营养盐处理剂在沉降过程中,还可以吸附水体中磷酸盐和颗粒态磷。
3.根据权利要求1所述的沉积物-水界面营养盐靶向阻断方法,其特征在于;所述营养盐处理剂为碳酸钙粉末。
4.根据权利要求1所述的沉积物-水界面营养盐靶向阻断方法,其特征在于;所述营养盐处理剂为碳酸钙粉末和聚合氯化铝粉末混合。
5.根据权利要求1所述的沉积物-水界面营养盐靶向阻断方法,其特征在于;所述营养盐处理剂还可以为白云石粉末。
6.根据权利要求3-4中任意一项所述的沉积物-水界面营养盐靶向阻断方法,其特征在于;所述碳酸钙粉末的粒径为30-70μm。
7.根据权利要求4所述的沉积物-水界面营养盐靶向阻断方法,其特征在于;所述碳酸钙粉末与聚合氯化铝粉末的质量比为250~500:1。
8.根据权利要求5所述的沉积物-水界面营养盐靶向阻断方法,其特征在于;所述白云石粉末的粒径为30-70μm。
9.根据权利要求1所述的沉积物-水界面营养盐靶向阻断方法,其特征在于;营养盐处理剂在沉积物表面形成的覆盖层厚度为3-6mm。
10.根据权利要求1所述的沉积物-水界面营养盐靶向阻断方法,其特征在于;营养盐处理剂可通过机械或人工投入至水体中,采用气流和机械搅拌方式与水体混合。
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