CN112607956A - 一种高原湖泊污染水体生态修复与水生生态系统恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于环保技术领域，尤其涉及一种高原湖泊污染水体生态修复与水生生态系统恢复方法。本技术联合利用铝盐钝化剂和沉水植物修复技术，先在污染区域开展底泥原位钝化，控制底泥污染物释放，快速降低上覆水体营养盐含量，同时提高水体透明度，为沉水植物恢复提高有利条件。然后搭配种植沉水植物，恢复沉水植物生态系统，进一步提高水体透明度和含氧量，并减小水动力扰动，降低底泥再悬浮作用。此外，沉水植物还可吸收水体和底泥中营养物质，大幅降低营养物质从底泥向上覆水体释放，通过化感作用抑制藻类生长。冬季沉水植物死亡后，钝化剂仍能发挥作用，控制水体营养盐含量保存在较低水平。钝化剂和沉水植物协同作用修复污染水体，形成健康稳定的水生生态系统。

Description

一种高原湖泊污染水体生态修复与水生生态系统恢复方法

技术领域

本发明属于环保技术领域，尤其涉及一种高原湖泊污染水体生态修复与水生生态系统恢复方法。

背景技术

国内外湖泊治理的实践表明，当外源污染负荷降低后，湖泊水质改善和生态系统恢复往往严重滞后，甚至在10年内都难以看到显著效果。造成这一现象的主要原因是流域外源营养物质长期输入后，累计在底泥中的营养盐等污染物会重新再释放到水中，形成较高的内源污染负荷，使水体营养盐含量居高不下。因此，内源污染控制是湖泊水污染治理和生态修复的必要基础。湖泊生态系统结构严重受损后，在没有人为干预(修复)的情况下恢复缓慢甚至难以恢复，生态系统自净等功能也就难以恢复。因此，需要对湖泊污染水体进行环境修复和生态系统重建。

喀斯特地区社会经济落后，且具有独特的自然地质背景特征，导致该地区环境容量低、生态环境敏感度高、生态系统极为脆弱。因此，耗资巨大且对生态系统具有破坏性的底泥疏浚等内源修复工程不适宜在喀斯特高原湖泊开展。此外，喀斯特高原湖泊往往具有高pH值、高有机质含量的特征，常规的底泥钝化剂的钝化效率受到极大限制，无法达到有效控制底泥内源磷释放的目的，更无法达到恢复水生生态系统的目标。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种高原湖泊污染水体生态修复与水生生态系统恢复方法及应用，目的在于解决现有技术中的一部分问题或至少缓解现有技术中的一部分问题。

本发明是这样实现的，一种高原湖泊水污染修复方法，包括以下步骤：将钝化剂投加至待处理水域，投加量为350～400g/m²，所述钝化剂成分包括硫酸铝、黏土和石粉，三者质量比为15:30:55；在钝化剂投加1周后，栽种沉水植物。

进一步地，所述沉水植物包括金鱼藻、狐尾藻、光叶眼子菜、微齿眼子菜、轮藻和菹草。

进一步地，金鱼藻种植在外围。

进一步地，沉水植物的种植采用沉水植物斑块镶嵌技术。

如上述的一种高原湖泊水污染修复方法在高原湖泊水污染修复中的应用。

进一步地，所述高原湖泊水体pH值大于7.5。

进一步地，所述高原湖泊为喀斯特高原湖泊。

如上述的一种高原湖泊水污染修复方法在固定水体底泥磷，降低不稳定磷释放中的应用。

如上述的一种高原湖泊水污染修复方法在降低污染水体COD_Mn和/或NH₃-N含量中的应用。

沉水植物在水生生态系统中起着重要作用，是维持水生生态系统稳定的关键，沉水植物可吸收水体和沉积物氮磷等营养物质，降低水体悬浮颗粒物浓度，提高透明度和水体含氧量，抑制藻类生长和沉积物污染物质向上覆水体的释放量。因此，恢复和重建湖泊沉水植物群落对于有效恢复喀斯特高原湖泊生态和服务功能具有十分重要的意义。

目前常用的钝化剂铝盐、铁盐和钙盐，往往存在诸多缺点。如铝盐在过酸或过碱条件下会发生Al(OH)₃溶解和磷的再释放，并导致生物慢性中毒。铁盐虽无毒害作用，但易受到氧化还原条件的影响，在水生植物丰富湖区，强烈的光合作用引起pH值升高会导致P从铁配合物中释放出来。钙盐在应用过程中会导致水体pH值及水体碱度升高，引起铁、锰、铝结合态磷的再释放，危害水生生物。诸多研究表明，铁盐和钙盐的磷钝化效果相对于铝盐较差，且因其易受氧化还原条件及pH影响，有效应用时间短，铁盐和钙盐的实际应用相对较少。如Hayes等在Foxcote水库使用3.5mg·L^-1的硫酸铁后，水体SRP从7ug·L^-1降低至3ug·L^-1，TP由30ug·L^-1降低到16ug·L^-1，但受缺氧环境影响，其有效时间仅1个月。Golterman等发现Fe(OH)3在pH值为5～7时具有强吸附性，在高pH值条件下OH^-与PO₄ ^3-交换，导致磷再次释放。Prepas等在Figure Eight Lake(pH大于8.6，甚至水华期间接近10)添加CaCO₃和Ca(OH)₂钝化修复两年后，水体的透明度和pH值(约提高0.5个单位)升高，TP和Chl-a分别降低了70％和88％，但底泥中Ca浓度和叶子上方解石沉淀的增加，抑制了水生植物群落的生长。铝盐钝化剂除了能有效控制底泥中磷等污染物释放外，还能明显提高污染水体透明度，更适合改善喀斯特高原富营养化湖泊水环境。但仅靠单一的原位钝化或生态修复技术，喀斯特高原富营养化湖泊水质修复和水生生态系统重建并不理想。如Paul等在Okaro湖投加0.6g/m³硫酸铝钝化修复1个月后，发现上腹水体pH值从9.7下降到8.6，PO₄-P浓度从40mg/m³下降到5mg/m³；但水体NH₄-N总体呈现上升趋势，在钝化后第二天增加了4倍；水生植物的生物量降低，优势浮游植物种类发生了改变。李文朝等在云南星云湖研究表明，飘浮植物修复技术运行两年后能有效去除污水中蓝藻89％、TN37％、TP42％和COD_Mn41％，但其修复效果并不理想，修复后水质仍为Ⅲ-Ⅳ类水，且耗时较长。

本发明是一种适用于高原喀斯特湖泊污染水体修复的技术，联合利用底泥原位铝盐钝化技术和沉水植物恢复技术，达到内源污染控制和水生生态系统恢复的双重目标，最终实现健康稳定的清水型生态系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

湖泊内源修复主要包括底泥疏浚、原位钝化、生物修复等。底泥疏浚技术比较成熟，能较大程度上削减底泥污染物对上覆水体污染贡献，治理成效也比较快，但是工程造价高，二次污染严重，疏浚过程破坏湖底生态系统，且疏浚底泥的处置和资源化利用难度大。原位钝化技术修复效果明显，但存在二次污染，受水动力条件影响，修复效果不稳定等严重缺陷，一般用于应急处理，适合小范围底泥污染严重湖区的修复。生物修复对环境影响小，应用范围广，费用也比较低，但是存在修复周期长，受环境条件(透明度、温度等)影响大，效果不稳定等缺点，适合污染程度较小的区域，高原地区湖泊沉水植物生长季节性差异较大，冬季沉水植物的大量死亡影响修复效果。

本技术联合利用铝盐钝化剂和沉水植物修复技术，先在污染区域开展底泥原位钝化，控制底泥污染物释放，快速降低上覆水体营养盐含量，同时提高水体透明度，为沉水植物恢复提高有利条件。然后再通过搭配种植沉水植物，恢复沉水植物生态系统，沉水植物群落系统进一步提高水体透明度和含氧量，并减小水动力扰动，降低底泥再悬浮作用。此外，沉水植物还可吸收水体和底泥中营养物质，大幅降低营养物质从底泥向上覆水体释放，通过化感作用抑制藻类生长。冬季沉水植物死亡后，钝化剂仍能发挥作用，控制水体营养盐含量保存在较低水平。钝化剂和沉水植物协同作用修复污染水体，形成健康稳定的水生生态系统。

该技术钝化剂材料制作简单，成本低廉，野外实施方便，沉水植物均为本地土著物种，生长繁殖快，对喀斯特高原湖泊污染水体修复效果明显。

附图说明

图1是钝化剂的生产流程；

图2是沉水植物-钝化联用种植技术示意图；

图3是修复区pH值、DO对比图；

图4是修复区和对照区沉水植物修复营养盐对比图；

图5是修复区与对照区底泥DGT-P垂向分布对比；

图6是修复区与对照区底泥DGT-P二维图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，各实施例及试验例中所用的设备和试剂如无特殊说明，均可从商业途径得到。此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本申请包含的信息，对于本领域技术人员来说可以轻而易举地对本发明的精确描述进行各种改变，而不会偏离所附权利要求的精神和范围。应该理解，本发明的范围不局限于所限定的过程、性质或组分，因为这些实施方案以及其他的描述仅仅是为了示意性说明本发明的特定方面。实际上，本领域或相关领域的技术人员明显能够对本发明实施方式作出的各种改变都涵盖在所附权利要求的范围内。

为了更好地理解本发明而不是限制本发明的范围，在本申请中所用的表示用量、百分比的所有数字、以及其他数值，在所有情况下都应理解为以词语“大约”所修饰。因此，除非特别说明，否则在说明书和所附权利要求书中所列出的数字参数都是近似值，其可能会根据试图获得的理想性质的不同而加以改变。各个数字参数至少应被看作是根据所报告的有效数字和通过常规的四舍五入方法而获得的。本发明中，“约”指给定值或范围的10％以内，优选为5％以内。

本发明披露了一种高原湖泊污染水体生态修复与水生生态系统恢复方法及应用，旨在提供一种适用于喀斯特高原湖泊污染水体生态修复方法，是一种高效稳定的湖泊底泥钝化-沉水植物修复技术。通过阻隔外源污染后向污染水域投加钝化剂，待水质达到要求后定植沉水植物，进一步强化原位钝化修复效果，净化水质，同时恢复和重建湖泊沉水植物群落，形成健康稳定的草型清水生态系统。本发明的技术方案如下实施例所示。

实施例

钝化剂的制作。本申请中所涉及的底泥钝化剂成分有硫酸铝、黏土和石粉，石粉即碳酸岩粉末，制备流程见图1，同发明人前期已授权发明专利：陈敬安,杨海全,张红,杨永琼,王敬富,宋以龙,兰晨,曾艳,郭建阳.一种富营养化湖泊沉积物原位钝化技术.发明专利.201510823659.1。根据如下质量比(硫酸铝：黏土：石粉为15:30:55)混合，搅拌均匀，然后按固液比2:1(质量比)混合制成泥浆(含水率约47％)，转移至圆盘造粒机，加工成粒径约为3mm的球形颗粒，再经800℃高温烘干即可(AMC)。上述三种原料均为粒径为100目的粉末。

沉水植物种类筛选。通过野外调查和室内查询对比，确定备选植物的水质净化能力，筛选本土、耐污、生长快的优势水生植物种。调查草海重污染区、过渡区和湖心区沉水植物种类与生长趋势，确定备选植物类型，如光叶眼子菜、穿叶眼子菜、蓖齿眼子菜、龙须眼子菜、黑藻、菹草、海菜花、莕菜、茨藻、耳菱等物种。再查阅各植株的水质净化能力，筛选本土、耐污、生长快的优势水生植物种。如张萌等研究发现当金鱼藻种植密度为4.0g·L-1时，对TN、TP去除率分别达86.78％和91.82％；王丽莎等研究认为绿狐尾藻和其他植物组合，对N、P的去除贡献率约19.1％和20.2％。张维等研究发现光叶眼子菜能有效降低底泥氮、磷含量，最大去除量分别为0.07mg·L-1和0.04mg·L-1，等等。本申请筛选确定的沉水植物为：金鱼藻、狐尾藻、光叶眼子菜(先锋物种)、微齿眼子菜、轮藻和菹草。

沉水植物群落结构的优选或重构。在湖泊水污染严重和水动力作用较弱的水域，选取6个长宽2×2m的区域作为中试实验区，并按2行3列排列，以构建合理的沉水植物群落结构。试验开展前，需对野外试验区水体实施原位钝化，快速净化水质，提升水体透明度，为沉水植物生存营造合适的生境。

具体措施：上述生产好的钝化剂装袋后运输至指定水域，用颗粒物播撒机或铁铲均匀地投加到指定水域。钝化剂迅速沉降至湖底，裂解后覆盖于底泥表面。钝化剂投加量为350～400g/m²。钝化剂投加后吸附水体悬浮物，降低水体营养盐含量，同时改善污染底泥的性状和控制营养盐释放。

沉水植物种植。在钝化剂投加1周后，待水质稳定，透明度达到沉水植物生长要求后，立即采用包裹无纺布法在示范区栽种沉水植物，构建沉水植物稳定化调控技术模式。外围设置耐牧食植物，植株量组合比例1：1，内圈设置优化沉水植物。前期由于水质较差，故先种植三种先锋植物(金鱼藻、狐尾藻和光叶眼子菜)。鉴于金鱼藻赖污性更强，且不易被水生动物蚕食，所以外围种植金鱼藻。内圈考虑到每种沉水植物的生长优势，采用沉水植物斑块镶嵌技术(小斑块内径为3m，大斑块长宽分别为9m和7m)种植(图2)。其中轮藻、菹草和微齿眼子菜，待水生生物群落初步恢复(三个月后)，种植在各斑块空隙间，以优化水生植物群落结构。

沉水植物-钝化联合野外实验。本次沉水植物-钝化联用野外实验区域约10亩，按1m²投加约400g钝化剂，共在修复示范区投加约2.7t钝化剂。实验开展前在修复区用不透水材料布设围隔，模拟在切断外源污染输入，连续跟踪监测约1年的水质和沉水植物生长情况，评估该技术对污染水体的修复效果。

在野外试验开展后，立即开始调查各区域沉水植物生物多样性(种类、丰度、覆盖度)和试验区水质修复效果。通过长达1个多月的中试实验后，优选或重构沉水植物群落结构，为重污染区开展较大面积的野外示范工程提供技术支撑。

实验效果描述如下：

植物修复-钝化技术在贵州草海重污染修复区实施一年后水体pH值平均为8.30，对照区7.75(一般添加铝钝化剂修复后，其pH值略有降低，但草海作为典型草型湖泊，植物的光合作用强烈。在重污染修复区水生植物群落逐渐恢复后，夏季强烈的光合作用会导致水体pH值升高，抵消甚至增强了修复水体的pH值。同时，水质变好和铝盐钝化剂引起的透明度增加刺激了沉水植物的生长也会导致pH值升高)；修复区DO平均浓度为9.08mg·L^-1，对照区6.52mg·L^-1(图3)。夏季修复区内pH值和DO含量显著升高，说明修复区沉水植物恢复后，光合作用强烈，该技术能显著提高修复区水体水质。

生态修复实施一年后修复区水体TP平均浓度为0.05mg·L^-1，对照区0.11mg·L^-1；修复区水体SRP平均浓度为0.02mg·L^-1，对照区0.03mg·L^-1(图4)。修复区水体TP属于地表水Ⅲ类水标准，而对照区为Ⅴ类。修复半年后，修复区内水质明显改善，TP和SRP浓度均低于同时期的对照区，约为对照区的39％和73％。对照区水体较高的TP浓度可能与生活污水、农业活动等外源输入有关。

生态修复实施一年后修复区水体COD_Mn平均浓度为5.82mg·L^-1，对照区6.94mg·L^-1；修复区水体NH₃-N平均浓度为0.43mg·L^-1，对照区0.68mg·L^-1(图4)。随着沉水植物群落的恢复或重建，修复区COD_Mn和NH₃-N含量均低于同时期的对照区。枯水期修复区水体COD_Mn和NH₃-N浓度较高的原因主要是沉水植物初步修复不久，马上进入冬季，植物在较短时间内大量死亡，水质修复效果不明显。而丰水期由于温度升高，沉水植物开始复苏，修复区水体营养盐含量降低程度明显大于对照区。

在植物修复-钝化技术修复半年后，修复区水体DOⅠ类水达标率为81％，从Ⅱ类水显著提升到Ⅰ类水标准(表1)；NH₃-N的水平有了较大提高，从Ⅲ类水提升到Ⅱ类水标准；TP的Ⅲ类水达标率仅有57％，但相对于对照区的浓度含量(Ⅴ类或劣Ⅴ类水)有了显著提升，基本达到国家地表水Ⅲ水质的标准；COD_Mn的浓从Ⅳ类水显著提升到Ⅲ类水标准，达标率为86％。此外，重污染对照区水深较浅(<1m)，较强的水动力再悬浮作用导致该水域透明度较差，而修复区水体经钝化吸附和沉水植物修复后，再悬浮作用降低，水体透明度有了较大提升，清可见底。综上所述，经过半年修养后，重污染修复区水质有较大提升，水体营养指标水质标准均处于或优于Ⅲ类水标准，说明沉水植物-钝化联用技术对喀斯特高原草型浅水富营养化湖泊重污染区水体营养盐修复效果显著。

表1示范区和对照区水质修复状况对比

修复区上覆水和底泥孔隙水的DGT-P平均浓度分别为0.10mg·L^-1和0.26mg·L^-1(表2)。经过一年修复后，修复区上覆水体和表层底泥中DGT-P浓度显著低于对照区，下层底泥孔隙水的DGT-P显著高于对照区。这说明沉水植物能有效抑制表层底泥不稳定磷的释放，降低上覆水体中不稳定磷浓度(图5、图6)。其中修复区底层孔隙水DGT-P浓度显著高于对照区，可能是由于中下层较高的底泥活性铁的厌氧还原释放作用，导致孔隙水中DGT-P浓度升高。根据SWI扩散梯度，修复区底泥磷的释放通量为0.38mg·m^-2·d^-1，远低于对照区(0.55mg·m^-2·d^-1)。这也说明沉水植物-钝化修复技术能有效固定沉积物磷，降低内源磷的释放风险。

而现有技术中的处理方法在高原湖泊水体处理中存在各种缺陷与不足，如Hayes等在Foxcote水库使用3.5mg·L^-1的硫酸铁后，水体SRP从7ug·L^-1降低至3ug·L^-1，TP由30ug·L^-1降低到16ug·L^-1，但受缺氧环境影响，其有效时间仅1个月。Golterman等发现Fe(OH)3在pH值为5～7时具有强吸附性，在高pH值条件下OH^-与PO₄ ^3-交换，导致磷再次释放。Prepas等在Figure Eight Lake(pH大于8.6，甚至水华期间接近10)研究发现，在CaCO₃和Ca(OH)₂钝化修复两年后，水体的透明度和pH值(约提高0.5个单位)升高，TP和Chl-a分别降低了70％和88％，但底泥中Ca浓度和叶子上方解石沉淀的增加，抑制了水生植物群落的生长。

表2示范区和对照区沉积物不稳定磷含量

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高原湖泊污染水体生态修复与水生生态系统恢复方法，其特征在于，包括以下步骤：将钝化剂投加至待处理水域，投加量为350～400g/m²，所述钝化剂成分包括硫酸铝、黏土和石粉，三者质量比为15:30:55；在钝化剂投加1周后，栽种沉水植物。

2.根据权利要求1所述的一种高原湖泊污染水体生态修复与水生生态系统恢复方法，其特征在于：所述沉水植物包括金鱼藻、狐尾藻、光叶眼子菜、微齿眼子菜、轮藻和菹草。

3.根据权利要求2所述的一种高原湖泊污染水体生态修复与水生生态系统恢复方法，其特征在于：金鱼藻种植在外围。

4.根据权利要求2所述的一种高原湖泊污染水体生态修复与水生生态系统恢复方法，其特征在于：沉水植物的种植采用沉水植物斑块镶嵌技术。

5.如权利要求1-4任一所述的一种高原湖泊污染水体生态修复与水生生态系统恢复方法在高原湖泊水污染修复中的应用。

6.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述高原湖泊水体pH值大于7.5。

7.根据权利要求5所述的应用，其特征在于：所述高原湖泊为喀斯特高原湖泊。

8.如权利要求1-4任一所述的一种高原湖泊污染水体生态修复与水生生态系统恢复方法在固定水体沉积物磷，降低不稳定磷-释放中的应用。

9.如权利要求1-4任一所述的一种高原湖泊污染水体生态修复与水生生态系统恢复方法在降低污染水体COD_Mn和/或NH₃-N含量中的应用。

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