CN112159061A - 一种对泥水界面污染物精准定位并原位处理的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及水环境治理技术领域，具体公开了一种对泥水界面污染物精准定位并原位处理的方法。所述方法先利用高通量测序技术与污染物的源解析技术，对待治理底泥进行精准定位，再利用电渗析‑真空负压脱水技术，对待治理底泥进行原位脱水处理，实现了采用最小清淤量进行的精准治理。本发明进一步配合应用微生物试剂，调节泥水界面的微生物群落环境，加快了底泥的脱水速度。结合本发明的电渗析‑真空负压脱水技术，可将底泥含水率降至50％左右，底泥体积缩减20～30％，降低电动力学污泥脱水的脱水成本30％以上及后续处理成本约40％。在提高脱水率的同时，缩减了运行成本和后续处理成本，具有良好的社会效益和经济效益。

Description

一种对泥水界面污染物精准定位并原位处理的方法
技术领域
本发明涉及水环境治理技术领域，具体地说，涉及对底泥的定位与处理。
背景技术
河湖泥水界面的污染物控制技术是目前湖泊科学的学科前沿和优先发展领域。国内外学者对河湖泥水界面开展多学科的交叉研究，取得了大量的成果，主要集中在泥水界面结构与特征、营养元素的赋存形态、吸附/解吸及其动力学与环境因子影响等方面。
然而，尽管河湖泥水界面的污染物控制技术已经引起湖泊科学领域的高度重视，但其发展水平远远不足以满足我国现阶段河湖水环境治理的巨大压力，国内底泥脱水成熟技术依旧欠缺，且成本居高不下。
目前，常采用电动力学污泥脱水技术，通过污泥泵和板框压滤对底泥进行疏挖和脱水处理。然而，该方法虽可利用电解技术对污泥的重金属进行去除，却难以对污泥中污染物进行精准定位、且脱水率仅能达到25％，后续还需要离子交换膜处理，整体运行成本较高。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种对泥水界面污染物精准定位并原位处理的方法，实现对待治理底泥的精准定位与原位处理，并在提高处理效率的同时降低处理成本。
为了实现本发明目的，本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种对泥水界面污染物精准定位并原位处理的方法，其特征在于，所述方法先利用高通量测序技术与污染物的源解析技术，对待治理底泥进行精准定位，再利用电渗析-真空负压脱水技术，对待治理底泥进行原位脱水处理。
进一步地，本发明所述方法利用分子生物学中的高通量测序手段对底泥中的碱性磷酸酶phoD功能菌群的丰度进行分析，根据分析结果确定待治理底泥的位置。
更进一步地，本发明所述方法利用污染物的源解析技术，在确定出的待治理底泥位置，测定该位置不同深度底泥的生物有效磷释放通量，根据测定结果确定待治理底泥的深度。
进一步地，本发明所述方法中对底泥进行原位脱水处理的方法具体包括：利用硝酸盐调节待治理区域的水体pH至7.5～8.3，改变底泥中的优势菌群；将待治理底泥置于低压大电流电场中，并在真空负压条件下，对底泥进行脱水处理。
作为优选，投加硝酸盐后，对水体进行低氧曝气处理。
其中，所述低氧曝气的曝氧量为30～60mg/L，优选50mg/L。
作为优选，所述低压大电流电场为电压10～12V电流8～10A的电场。
更为具体地，本发明所述方法包括如下步骤：
(1)在待治理河湖水域的泥水界面的不同位置取样底泥样品，提取样品中的微生物DNA，进行16sRNA高通量测序分析，得到不同位置底泥样品中碱性磷酸酶phoD功能菌群的丰度，将碱性磷酸酶phoD功能菌群丰度大于25％的底泥样品的取样位置确定为待治理底泥的位置；
(2)在步骤(1)确定出的待治理底泥位置，测定不同深度底泥生物有效磷的释放通量，将释放通量大于0.6mg/L的深度范围确定为待治理底泥的深度；
(3)在步骤(1)和步骤(2)确定的待治理底泥位置和深度的基础上，对待治理底泥进行脱水处理：
先利用硝酸盐调节待治理区域的水体pH至7.5～8.3，并配合低氧曝气，改变底泥中的优势菌群；之后将待治理底泥置于低压大电流电场中，并在真空负压条件下，对底泥进行脱水处理。
向底泥中投加硝酸盐并采取低氧曝气的方式，可使水体呈现兼性好氧状态，在反硝化细菌的参与下，可在短期内迅速消耗水体的有机物，同时由于反硝化细菌的繁殖，能够与硫化菌形成竞争机制，抑制硫化菌的生长，进而抑制硫化氢的产生。
其中，所述硝酸盐为硝酸钠和/或硝酸钾。
所述反硝化细菌包括反硝化假单胞菌、脱氮硫杆菌、脱氮小球菌等。
更进一步地，所述低压大电流电场由以下方法形成：将正负电极相对置于待治理底泥的边缘，并插入底泥中，通电压12V电流10A，形成低压大电流电场。
所述电极以碳纤维束作为导电集流体，以导电炭黑和石墨粉作为导电物质，与塑料共混热塑成型，得到电极材料。
作为优选，所述正负电极插入底泥的深度为电极长度的2/3。
更进一步地，所述底泥与其周围部分水体(泥水混合物)通过导水管由真空负压装置吸入并脱水。由于投加硝酸盐和低氧曝气处理，待治理底泥已由硫化自养反硝化过程向自养与异养反硝化耦合过程转变。同时，在低压大电流电场的作用下，重金属与带正电的水分子在电场的作用下向阴极移动，实现了污泥脱水与重金属的协同去除。步骤(3)的底泥处理方法可加快待治理底泥的脱水速度，将渗透性差的粘性底泥的含水率降至50％左右，底泥体积缩减20～30％。
本发明中，所述术语“碱性磷酸酶phoD功能菌群”是指具有水解有机磷作用的功能菌群，主要包括Limnohabitans、Pirellula、Plesiocystis等属的细菌；其可在核苷酸、蛋白质、生物碱等分子上去除磷酸基，进行去磷酸化作用，在碱性环境下最为有效。
本发明所采用的高通量测序技术与污染物的源解析技术为本领域常规的技术手段，在本发明的具体实施方式中仅作示例性说明，不另做限定。
本发明涉及到的原料或试剂均为普通市售产品，涉及到的操作如无特殊说明均为本领域常规操作。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可以相互组合，得到具体实施方式。
本发明的有益效果在于：
本发明通过高通量测序技术与污染物的源解析技术，对待治理底泥的疏挖区域进行精准定位，并利用电渗析-真空负压脱水技术，对待治理底泥进行原位脱水处理，实现了对河湖水环境采用最小清淤量进行的精准治理。
本发明进一步配合应用微生物试剂，调节泥水界面的微生物群落环境，实现了底泥由硫化自养反硝化过程向自养与异养反硝化耦合过程转变，加快了底泥的脱水速度。结合本发明的电渗析-真空负压脱水技术，可将底泥含水率降至50％左右，底泥体积缩减20～30％，降低电动力学污泥脱水的脱水成本30％以上及后续处理成本约40％。在提高脱水率的同时，缩减了运行成本和后续处理成本，具有良好的社会效益和经济效益。
附图说明
图1为本发明所述电渗析-真空负压脱水技术的示意图。
具体实施方式
本发明提供一种泥水界面污染物精准定位并原位处理的方法，具体包括如下步骤。
(1)在待治理河湖水域的泥水界面的不同位置取样底泥样品，提取样品中的微生物DNA，进行16sRNA高通量测序分析，得到不同位置底泥样品中碱性磷酸酶phoD功能菌群的丰度，将碱性磷酸酶phoD功能菌群丰度大于25％的底泥样品的取样位置确定为待治理底泥的位置；
(2)在步骤(1)确定出的待治理底泥位置，测定不同深度底泥生物有效磷的释放通量，将释放通量大于0.6mg/L的深度范围确定为待治理底泥的深度；
生物有效磷的释放通量采用孔隙水扩散模型法计算，根据沉积物间隙水和上覆水浓度梯度，按照Fick第一定律计算底泥生物有效磷释放通量；
计算公式：
Figure BDA0002668599860000051
其中：F为分子在沉积物-水界面扩散通量，mg·(m2·d)-1；
Figure BDA0002668599860000055
为沉积物孔隙率，％；
DS为分子实际扩散系数，cm2·s-1；
Figure BDA0002668599860000052
为分子在沉积物-水界面浓度梯度，mg·(L·cm)-1；
DS与
Figure BDA0002668599860000053
间经验关系
Figure BDA0002668599860000054
(3)在步骤(1)和步骤(2)确定的待治理底泥位置和深度的基础上，对待治理底泥进行脱水处理：
先利用硝酸盐调节待治理区域的水体pH至7.5～8.3，并配合50mg/L的低氧曝气，改变底泥中的优势菌群；之后将待治理底泥置于电压12V电流10A的低压大电流电场中，并在真空负压条件下，对底泥进行脱水处理。
投加硝酸盐后，底泥优势菌群在纲水平上由Clostridia(梭菌纲)转变为Gamma-proteobacteria(变形菌纲)，其相对丰度可达到60.0％，且硫化细菌等厌氧菌群被有效抑制；在属水平上出现Rhodanobacter(产黄杆菌属)、Thiobacillus(硫杆菌属)和Thermomonas(热单胞菌属)等脱氮菌群，为水体底部生态系统营造了良好稳定的生境，实现调节底泥中的胞间水目的。
将导电性优良的碳纤维束作为导电集流体，导电炭黑和石墨粉作为关键导电物质，与塑料共混热塑成型，制备了导电性能和机械性能均满足电动力学脱水的新型电极材料，解决了传统电极材料(如贵金属涂层电极、石墨等)价格昂贵和机械性能不佳的问题。
下面将结合实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。需要理解的是以下实施例的给出仅是为了起到说明的目的，并不是用于对本发明的范围进行限制。本领域的技术人员在不背离本发明的宗旨和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和替换。
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1
本实施例以长约20m、宽约2m、总面积40m2的水面，且岸边具备投放设备的河道段，水深3～5m，水质低于地表水环境质量标准V类水质标准，溶解氧小于2.0mg/L和重污染河道为治理对象。
(1)以每1m2对泥水界面的不同位置均匀取样底泥样品40份；
提取样品中的微生物DNA，通过DNA纯化→PCR扩增→荧光定量→Miseq文库构建→Miseq测序等本领域常规技术手段，对以Limnohabitans、Pirellula(小梨形菌属)、Plesiocystis属的细菌为主要微生物的碱性磷酸酶phoD功能菌群进行16sRNA高通量测序分析，得到不同取样位置底泥样品中碱性磷酸酶phoD功能菌群的丰度，将碱性磷酸酶phoD功能菌群丰度大于25％的底泥样品的取样位置确定为待治理底泥的位置；确定出11个待治理底泥位置；
(2)在步骤(1)确定出的待治理底泥位置，测定不同深度底泥生物有效磷的释放通量，将释放通量大于0.6mg/L的深度范围确定为待治理底泥的深度；
11个位置分别确定待治理底泥深度为2m、1.8m、1.6m、1.4m、1.2m、1.0m、0.8m、0.6m、0.4m、0.2m、0m(即泥水界面)。
(3)分别以步骤(1)确定的待治理位置(取样位置)为中心，划定周围1m2为治理区域。
针对该治理区域，向泥水界面处施加80mg/L的硝酸盐(硝酸钠或硝酸钾)溶液，调节待治理区域的水体pH至7.5～8.3，并配合50mg/L的低氧曝气；
之后，将本发明所述新型电极材料制备的正负电极，相对插入治理区域边缘位置的底泥中，插入深度为电极长度的2/3；通电压12V电流10A的低压大电流，形成低压大电流电场；
在真空负压条件下，对治理区域的底泥进行抽提与脱水处理。
通过控制电极插入底泥的深度实现对不同治理深度的底泥的处理。
处理后，底泥含水率降至50％左右，底泥体积缩减20～30％。之后，无需再对脱水后的污泥进行离子交换膜处理。
相对传统底泥脱水技术，降低了电动力学污泥脱水的脱水成本30％以上及后续处理成本约40％。
经过治理的水质得到明显改善，水质可达到地表水III类标准。水体经过处理24小时后即可提升水体底部的溶解氧到3.0mg/L以上，起效时间较同类产品缩短了一半以上，而作用时间较同类产品提高了4倍。
实施例2
本实施例以总面积100m2，且湖泊岸边具备投放设备条件的小型湖泊，水深0.7～2m，水质低于地表水环境质量标准V类水质标准，溶解氧小于2.0mg/L和重污染小型湖泊为治理对象。
(1)以每4m2对泥水界面的不同位置均匀取样底泥样品25份；
提取样品中的微生物DNA，通过DNA纯化→PCR扩增→荧光定量→Miseq文库构建→Miseq测序等本领域常规技术手段，对以Limnohabitans、Pirellula(小梨形菌属)、Plesiocystis属的细菌为主要微生物的碱性磷酸酶phoD功能菌群进行16sRNA高通量测序分析，得到不同取样位置底泥样品中碱性磷酸酶phoD功能菌群的丰度，将碱性磷酸酶phoD功能菌群丰度大于25％的底泥样品的取样位置确定为待治理底泥的位置；确定出8个待治理底泥位置；
(2)在步骤(1)确定出的待治理底泥位置，测定不同深度底泥生物有效磷的释放通量，将释放通量大于0.6mg/L的深度范围确定为待治理底泥的深度；
8个位置分别确定待治理底泥深度为1.3m、1.1m、0.9m、0.7m、0.5m、0.3m、0.1m、0m(即泥水界面)。
(3)分别以步骤(1)确定的待治理位置(取样位置)为中心，划定周围1m2为治理区域。
针对该治理区域，向泥水界面处施加80mg/L的硝酸盐(硝酸钠或硝酸钾)溶液，调节待治理区域的水体pH至7.5～8.3，并配合50mg/L的低氧曝气；
之后，将本发明所述新型电极材料制备的正负电极，相对插入治理区域边缘位置的底泥中，插入深度为电极长度的2/3；通电压12V电流10A的低压大电流，形成低压大电流电场；
在真空负压条件下，对小型湖泊的底泥进行抽提与脱水处理。
通过控制电极插入底泥的深度实现对不同治理深度的底泥的处理。
处理后，底泥含水率降至50％左右，底泥体积缩减20～30％。之后，无需再对脱水后的污泥进行离子交换膜处理。
相对传统底泥脱水技术，降低了电动力学污泥脱水的脱水成本30％以上及后续处理成本约40％。
经过治理的水质得到明显改善，小型湖泊可达到甚至优于地表水III类标准。水体经过处理24小时后即可提升水体底部的溶解氧到3.0mg/L以上，起效时间较同类产品缩短了一半以上，而作用时间较同类产品提高了4倍。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种对泥水界面污染物精准定位并原位处理的方法，其特征在于，所述方法先利用高通量测序技术与污染物的源解析技术，对待治理底泥进行精准定位，再利用电渗析-真空负压脱水技术，对待治理底泥进行原位脱水处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法利用分子生物学中的高通量测序手段对底泥中的碱性磷酸酶phoD功能菌群的丰度进行分析，根据分析结果确定待治理底泥的位置。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法利用污染物的源解析技术，在确定出的待治理底泥位置，测定该位置不同深度底泥的生物有效磷释放通量，根据测定结果确定待治理底泥的深度。
4.根据权利要求1～3任一项所述的方法，其特征在于，对底泥进行原位脱水处理的方法包括：
利用硝酸盐调节待治理区域的水体pH至7.5～8.3；
改变底泥中的优势菌群；
将待治理底泥置于低压大电流电场中，并在真空负压条件下，对底泥进行脱水处理。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，投加硝酸盐后，对水体进行低氧曝气处理。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述低氧曝气的曝氧量为30～60mg/L，优选50mg/L。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述低压大电流电场为电压10～12V电流8～10A的电场。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)在待治理河湖水域的泥水界面的不同位置取样底泥样品，提取样品中的微生物DNA，进行16sRNA高通量测序分析，得到不同位置底泥样品中碱性磷酸酶phoD功能菌群的丰度，将碱性磷酸酶phoD功能菌群丰度大于25％的底泥样品的取样位置确定为待治理底泥的位置；
(2)在步骤(1)确定出的待治理底泥位置，测定不同深度底泥生物有效磷的释放通量，将释放通量大于0.6mg/L的深度范围确定为待治理底泥的深度；
(3)在步骤(1)和步骤(2)确定的待治理底泥位置和深度的基础上，对待治理底泥进行脱水处理：
先利用硝酸盐调节待治理区域的水体pH至7.5～8.3，再配合低氧曝气，改变底泥中的优势菌群；之后将待治理底泥置于低压大电流电场中，并在真空负压条件下，对底泥进行脱水处理。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述硝酸盐为硝酸钠和/或硝酸钾。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述低压大电流电场由以下方法形成：
将正负电极相对置于待治理底泥的边缘，并插入底泥中，通电压12V电流10A，形成低压大电流电场。
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