CN113024052A - 利用氨氮增释剂同步去除河道底泥和上覆水体氨氮的方法 - Google Patents

利用氨氮增释剂同步去除河道底泥和上覆水体氨氮的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用氨氮增释剂同步去除河道底泥和上覆水体氨氮的方法，该方法向底泥中添加氨氮增释剂，用于促使底泥中的氨氮快速释放于上覆水体中，同时联合微生物曝气法对上覆水体脱氮，实现底泥和上覆水体同步脱氮；所述的氨氮增释剂为铁负载生物质炭。与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)同步去除上覆水体和底泥中的氮，实现河道上覆水体和底泥的一体化治理；(2)相对于向底泥中施加氨氮抑制释放药剂的方法，本发明可以彻底消除底泥中氨氮在外界环境因素扰动下还会再次释放进入上覆水体的风险；(3)本发明中用到的材料制备成本低廉，工艺简单，原材料来源广泛，具有较好的市场化前景。

Description

利用氨氮增释剂同步去除河道底泥和上覆水体氨氮的方法
技术领域
本发明涉及一种同步去除河道底泥和上覆水体氨氮的方法，尤其是涉及一种底泥氨氮增释联合微生物曝气实现河道底泥和上覆水体同步脱氮的方法。
背景技术
近年来，城市河道水体富营养化日益严重，氮的过度排放是造成水体富营养化的重要原因之一，这会导致大型沉水植物减少而浮游藻类大量繁殖，消耗水中溶解氧，使水质恶化，继而导致鱼类大量死亡。
传统的治理河道氮超标的方法包括物理法、化学法和生物法等。物理法有引水冲洗和机械曝气等，然而工程量较大、运行成本较高、且易增加水体浊度；化学法包括投加混凝剂和除藻剂等，虽然短期内可取得一定效果，但脱氮不彻底、且混凝剂和除藻剂易导致二次污染；生物法是通过微生物降解，或水生植物的吸收过滤来消减水体中的氮，虽避免了二次污染问题，但受自然环境影响较大，要求条件较苛刻。
现有技术文献：
(1)中国发明专利：“金属污泥基生物质炭、制备方法及在去除水体中氮磷的应用”(申请号：202010321761.2)：该发明涉及一种金属污泥基生物质炭、制备方法及在去除水体中氮磷的应用，将剩余污泥脱水后采用金属溶液对干污泥进行改性，将改性后的污泥炭化制备成生物质炭。该技术不仅解决了污水处理厂剩余污泥难处理的问题，而且实现了污泥的资源化利用，且制备的金属污泥基生物质炭由于孔隙多，可以很好的吸附水中的氮磷。
(2)中国发明专利：“铝锆改性沸石、制备方法及控制污染底泥中氮、磷释放的方法”(申请号：202010711350.4)：该发明涉及一种铝锆改性沸石、制备方法及控制污染底泥中氮、磷释放的方法，由天然沸石结合无水三氯化铝和八水氧氯化锆制成。该技术具有工程造价低、对环境潜在的危害小。
(3)中国发明专利：“一种底泥氮磷固定修复药剂的制备与应用”(申请号：201910889374.6)：该发明涉及一种底泥氮磷固定修复药剂的制备与应用，其制备方法为：将6-10份细砂、4-8份石灰粉、4-8份粉煤灰、8-10份碳酸钙、20-330份沸石粉和20-30份功能材料利用机械搅拌法混合均匀，通过机械成型工艺制成粒径为4-7mm的颗粒。使用时，将所述修复药剂均匀投加到河流水环境中。该发明制备的修复药剂成本低廉，无二次污染，能够减少水体富营养化。
(4)中国发明专利：“一种脱氮除磷的复合吸附材料及其制备方法”(申请号：201910055807.8)：该发明涉及一种脱氮除磷的负荷吸附材料及其制备方法，将柚子皮进行预处理，利用钢铁厂中铁锈、工业副产物废盐酸改性预处理后的柚子皮，制得改性生物质炭；将自来水厂混凝池铝污泥进行预处理，并与改性生物质炭通过水热合成法制得复合吸附剂。该技术生产工艺简单、无有害物产生、生产成本低廉。
发明内容
传统的向上覆水体中施加脱氮微生物的方法虽然可以快速去除水体中的氮，但是上覆水体和底泥之间存在着吸收和释放的动态平衡，底泥中的氮会不断向上覆水体释放，这是造成上覆水体中氨氮不能根除的主要原因，最终导致水体富营养化反复爆发，河道治理难度及后期维护成本显著增加。可见，传统方法都仅能去除上覆水体中的氮，未考虑到河道底泥与上覆水体之间存在氮交换，因此都不能彻底根除河道富营养化的问题。
近年来，有些研究考虑到了底泥与上覆水体之间存在氮交换，于是拟向底泥中加入粘土等氨氮抑制剂，通过阳离子交换法阻止氨氮向上覆水体的释放，最终将氨氮封存于底泥中。然而，铵盐多为可溶盐，不能形成难溶化合物被稳定地封存于底泥中，因此仅通过阳离子交换法吸附的氨氮不稳定，在受到外界环境因素扰动后，被暂时封存于底泥中的氨氮又会被释放出来。
本发明申请人对现有技术分析后，发现存在以下缺点：
(1)中国发明专利：“金属污泥基生物质炭、制备方法及在去除水体中氮磷的应用”仅能够去除上覆水体中的氮，但是没有解决底泥中氨氮向上覆水体释放的问题，且材料制备耗时较长，炭化温度较高，能源损失较大。
(2)中国发明专利：“铝锆改性沸石、制备方法及控制污染底泥中氮、磷释放的方法”的材料对抑制底泥中的氨氮释放具有一定效果，但不能将氨氮彻底封存于底泥中，且没有对上覆水体中的氨氮进行去除。此外，原材料来源不够广泛，制备成本较高。
(3)中国发明专利：“一种底泥氮磷固定修复药剂的制备与应用”对底泥中的氨氮去除效果较低，且没有对上覆水体中的氨氮进行去除，制备方法较为复杂。
(4)中国发明专利：“一种脱氮除磷的复合吸附材料及其制备方法”只去除水体中氮磷，无法解决底泥污染问题，且所需原材料较多，制备工艺较复杂。
通过上述分析发现，现有的河道脱氮技术主要存在以下几个问题：(1)传统脱氮技术大多只针对水体中的氮进行去除，却不考虑底泥中的氮，实际中底泥中的氮会源源不断向上覆水体释放，虽然利用传统方法可将水体中氮在较短时间内被去除，但是底泥中氮的释放是长期的缓慢的，因此，只去除水体中的氨氮无法根治河道的富营养化问题；(2)铵盐多为可溶盐，不能形成难溶化合物被稳定地封存于底泥中，因此利用药剂抑制底泥中的氨氮释放的方法效果不显著。此外，在受到外界环境因素扰动后，被暂时封存于底泥中的氨氮又会被释放出来；(3)前人制备材料的成本较高，原料来源不够广泛。
鉴于此，本发明创新性提出，制备铁负载生物质炭，作为氨氮增释剂施入河道底泥，通过阳离子交换机制促使底泥中氮快速释放进入上覆水体，然后结合微生物曝气法，同步去除上覆水体和底泥中的氮，彻底消除河道氮污染。
本发明的目的就是为了提供一种利用氨氮增释剂同步去除河道底泥和上覆水体氨氮的方法。本发明能达到上覆水体和底泥中的氮同步去除的目的，且工艺简单、成本低廉、且生物质炭是一种环境友好型材料，不会对环境造成二次污染。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种利用氨氮增释剂同步去除河道底泥和上覆水体氨氮的方法，该方法向底泥中添加氨氮增释剂，用于促使底泥中的氨氮快速释放于上覆水体中，同时联合微生物曝气法对上覆水体脱氮，实现底泥和上覆水体同步脱氮；所述的氨氮增释剂为铁负载生物质炭。
优选地，将铁负载生物质炭以原位覆盖或混合的方式加入底泥中，将负载微生物的填料和曝气管道浸没于上覆水体，连通曝气设备，同步去除底泥和上覆水体中的氮。
优选地，所述的铁负载生物质炭的制备方法包括以下步骤：
(a)将碎木屑过筛，与FeCl3溶液混合浸泡，室温下搅拌浸泡，使Fe3+充分均匀地负载到生物质表面，然后烘干至恒重；
(b)将烘干混合物在惰性气体氛围下共热解，自然冷却到室温，得到铁负载生物质炭，过筛备用。
优选地，FeCl3溶液的浓度为10～50mg L-1，与碎木屑充分混合时，混合比重为FeCl3溶液占碎木屑15～25wt％。
优选地，步骤(a)中，烘干在40℃条件下进行。
优选地，步骤(b)中，共热解过程中：以5～15℃min-1的加热速率升温至450～550℃，然后停留1～3h；惰性气体为氮气。
优选地，步骤(a)中，碎木屑过2-mm筛；步骤(b)中，铁负载生物质炭过1-mm筛。
优选地，铁负载生物质炭与底泥比为2～8wt％。
优选地，曝气设备向上覆水体间歇供氧，使上覆水体形成好氧-缺氧交替环境，通过硝化-反硝化反应同步去除上覆水体中的氨氮，以及底泥中释放出来的氨氮，上覆水体曝气状态溶解氧含量为2-5mg l-1。
优选地：
所述的负载微生物的填料为绳型生物填料，主要以合成纤维为原材料，悬挂于网状悬浮泡沫下，在河道中成林立状态，所述的网状悬浮泡沫用于避免对大气富氧及阳光传递产生影响；
所述的负载微生物的填料上负载的微生物主要为氮降解微生物，包括芽孢杆菌、和/或乳酸杆菌、和/或肠杆菌、和/或蛭弧菌。
优选地，所述的曝气管道为ABS管道，位于负载微生物的填料的下方，具有多个支管，所述的支管上设置有曝气器；优选各支管管道间隔以曝气器服务面积为准，管道开孔直径及开孔形式以曝气器型号为准，管径为以河道面积及单个管道上安排曝气器数量为准。
本发明中涉及到的术语：
生物质炭：生物质炭是将废弃生物质，如农林废弃物、畜禽粪便等在限氧条件下热解制备成的芳香化炭材料，具有一定的孔隙结构和比表面积，常作为一种环境友好型功能材料用于水体，土壤及大气污染治理。可以通过向生物质中负载添加剂的方法制备出具有不同结构和性质的生物质炭，实现不同的环境功能。比如，在生物质炭制备过程中负载含Fe物质(如FeCl3、FeSO4等)，可制备出铁负载生物质炭。
底泥污染：底泥是河湖的沉积物，是自然水域的重要组成部分。当水域受到污染后，水中部分污染物可通过沉淀或颗粒物吸附而蓄存在底泥中，适当条件下重新释放，成为二次污染源，这种污染称为底泥污染。具体来说，水体和底泥之间存在着吸收和释放的动态平衡，当水体存在较严重污染时，比如氨氮超标，一部分氨氮能够通过沉淀、吸附等作用进入底泥中；当外源氨氮得到控制后，累积于底泥中的氨氮通过与上覆水体间的物理、化学、生物交换作用，重新进入到上覆水体中，导致水体富营养化二次爆发。在河流湖泊污染治理过程中，底泥污染整治是主要的难点之一，也是较为普遍存在的环境问题。
阳离子交换：阳离子交换是溶液中的阳离子与某种阳离子交换剂上的阳离子进行交换的作用或现象，是借助于固体阳离子交换剂中的阳离子与稀溶液中的阳离子进行交换，以达到提取或去除溶液中某些阳离子的目的。
本发明中，铁负载生物质炭具有较强的离子交换能力，可以快速交换出底泥孔隙水中氨氮释放于河道上覆水体。底泥中的氨氮释放入上覆水体后，结合微生物曝气法，即可同步去除上覆水体和底泥中的氨氮。
与现有技术相比，本发明通过在底泥中加入氨氮增释剂(铁负载生物质炭)的方法，提高底泥中氮的释放速率和释放量，再通过向上覆水体加入微生物并曝气的方法，即可同步去除上覆水体和底泥中的氮，有效防止水体富营养反复爆发。与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)同步去除上覆水体和底泥中的氮，实现河道上覆水体和底泥的一体化治理；
(2)相对于向底泥中施加氨氮抑制释放药剂的方法，本发明可以彻底消除底泥中氨氮在外界环境因素扰动下还会再次释放进入上覆水体的风险；
(3)本发明中用到的材料制备成本低廉，工艺简单，原材料来源广泛，具有较好的市场化前景。
附图说明
图1为本发明实施例1中铁负载生物质炭制备流程示意图。
图2为本发明实施例1中底泥氨氮增释和上覆水体同步脱氮示意图。
图3为本发明中底泥氨氮增释机制示意图。
图4为本发明实施例1河道底泥和上覆水体脱氮前后NH4+-N含量图。
图2中，1为曝气设备，2为河床，3为曝气管道，4为河道底泥，5为负载微生物的填料，6为曝气器，7为上覆水体，8为铁负载生物质炭。
具体实施方式
传统的向上覆水体中施加脱氮微生物的方法虽然可以快速去除上覆水体中的氮，但是上覆水体和底泥之间存在着吸收和释放的动态平衡，底泥中的氨氮会不断向上覆水体释放，这是造成上覆水体氨氮不能根除的主要原因，最终导致水体富营养化反复爆发，这增加了河道治理的难度及后期维护成本。针对以上问题，本发明向底泥中添加氨氮增释剂(Fe负载生物质炭)，促使底泥中富集的氨氮在短时间内快速释放进入上覆水体，然后通过微生物曝气法将原本存在于上覆水体，以及底泥中释放出来的氨氮同步去除，最终实现河道上覆水体和底泥的一体化治理。本发明是一种修复城市河道的新型脱氮技术，可达到上覆水体及底泥同步脱氮的目的。
铁负载生物质炭促进底泥氮释放的原理如图3所示，生物质炭表面Fe3+与底泥中的NH4 +发生了阳离子交换，置换出氨氮并释放进入上覆水体。
一种利用氨氮增释剂同步去除河道底泥和上覆水体氨氮的方法，该方法向底泥中添加氨氮增释剂，用于促使底泥中的氨氮快速释放于上覆水体中，同时联合微生物曝气法对上覆水体脱氮，实现底泥和上覆水体同步脱氮；所述的氨氮增释剂为铁负载生物质炭。
在另一种实施方式中，将铁负载生物质炭以原位覆盖或混合的方式加入底泥中，将负载微生物的填料和曝气管道浸没于上覆水体，连通曝气设备，同步去除底泥和上覆水体中的氮。
在另一种实施方式中，所述的铁负载生物质炭的制备方法包括以下步骤：
(a)将碎木屑过筛，与FeCl3溶液混合浸泡，室温下搅拌浸泡，使Fe3+充分均匀地负载到生物质表面，然后烘干至恒重；
(b)将烘干混合物在惰性气体氛围下共热解，自然冷却到室温，得到铁负载生物质炭，过筛备用。
在另一种实施方式中，FeCl3溶液的浓度为10～50mg L-1，FeCl3溶液与碎木屑充分混合，混合比重为FeCl3溶液占碎木屑15～25wt％。
在另一种实施方式中，步骤(a)中，烘干在40℃条件下进行。
在另一种实施方式中，步骤(b)中，共热解过程中：以5～15℃min-1的加热速率升温至450～550℃，然后停留1～3h；惰性气体为氮气。
在另一种实施方式中，步骤(a)中，碎木屑过2-mm筛；步骤(b)中，铁负载生物质炭过1-mm筛。
在另一种实施方式中，铁负载生物质炭与底泥比为2～8wt％。
在另一种实施方式中，曝气设备向上覆水体间歇供氧，使上覆水体形成好氧-缺氧交替环境，通过硝化-反硝化反应同步去除上覆水体中的氨氮，以及底泥中释放出来的氨氮，上覆水体曝气状态溶解氧含量为2-5mg l-1。
在另一种实施方式中：
所述的负载微生物的填料为绳型生物填料，主要以合成纤维为原材料，悬挂于网状悬浮泡沫下，在河道中成林立状态，所述的网状悬浮泡沫用于避免对大气富氧及阳光传递产生影响；
所述的负载微生物的填料上负载的微生物主要为氮降解微生物，包括芽孢杆菌、和/或乳酸杆菌、和/或肠杆菌、和/或蛭弧菌。
在另一种实施方式中，所述的曝气管道为ABS管道，位于负载微生物的填料的下方，具有多个支管，所述的支管上设置有曝气器；优选各支管管道间隔以曝气器服务面积为准，管道开孔直径及开孔形式以曝气器型号为准，管径为以河道面积及单个管道上安排曝气器数量为准。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例利用氨氮增释剂同步去除河道底泥和上覆水体氨氮的方法，采用以下步骤：
(1)图1为底泥氨氮增释剂(铁负载生物质炭)制备流程图，将碎木屑过2-mm筛，与FeCl3溶液(30mg L-1)混合浸泡，FeCl3溶液与碎木屑混合比为20wt％，室温下利用OS40-S悬臂式电动搅拌器搅拌浸泡2h，转速为50r min-1，目的是使Fe3+充分均匀地负载到生物质表面；用HY TECH-HY5210鼓风干燥箱在40℃条件下将上述样品烘干至恒重。
(2)将20g烘干混合料置于长10cm，半径2cm的石英舟中，将石英舟置于OTF-1200X-S小型高温烧结管式炉的石英管中，两侧放好炉塞，安好法兰，先通入5min氮气，去除石英管中原有空气，然后开始升温热解，以10℃min-1的加热速率升温至500℃，然后停留2h，热解完成后自然冷却至室温。热解过程中，氮气始终以200ml min-1流速持续通入，保证热解过程中的惰性气体氛围，最后得到铁负载生物质炭(底泥氨氮增释剂)全部过1-mm筛备用。
(3)将铁负载生物质炭加入河道底泥中充分混合，生物质炭与河道底泥比为5wt％。将负载微生物的填料及曝气管道浸没于受污染河道水体，连通曝气设备，进行同步去除上覆水体和底泥中的氮。
(4)图2为河道底泥氨氮增释和上覆水体同步脱氮示意图，图中，1为曝气设备，2为河床，3为曝气管道，4为河道底泥，5为负载微生物的填料，6为曝气器，7为上覆水体，8为铁负载生物质炭。曝气设备1可向上覆水体7间歇供氧，使用漩涡式鼓风机(2RS 230-H06)，曝气速率根据实际河道确定，以上覆水体7曝气状态溶解氧含量为2-5mg l-1为适宜，曝气4h，间隔4h，使上覆水体7形成好氧-缺氧交替环境，通过硝化-反硝化反应同步去除上覆水体7中，以及底泥中释放出来的氨氮。
(5)图2所述负载微生物的填料5为绳型生物填料，主要以合成纤维为原材料，悬挂于网状泡沫下，在河道中成林立状态，绳型生物填料直径为80mm，覆盖率为每立方44m均匀布置。为避免对大气富氧及阳光传递产生影响，故设网状悬浮泡沫。
(6)图2所述负载微生物的填料5中微生物主要为氮降解微生物；包括芽孢杆菌，乳酸杆菌，肠杆菌和蛭弧菌等。
(7)图2中所述曝气管道3为ABS管道，各支管管道间隔以曝气器服务面积为准，管道开孔直径及开孔形式以曝气器型号为准，管径为以河道面积及单个管道上安排曝气器6数量为准。以微孔弧形曝气器型号BQLY-260H为例，各支管管道间间隔0.35-0.75m2/个(约为40mm均匀布置)，开圆孔直径25mm，5个曝气器为DN50，10个曝气器为DN65。
(8)图2中所述曝气器6为微孔弧形曝气器，以型号BQLY-260H为例；此曝气器服务面积：0.35-0.75m2/个；空气流量：1.5-3m2 h-1个；氧利用率：(水深3.2m)18.4-27.7％；充氧能力：0.112-0.185kg O2(m3 h)-1；充氧动力效率：4.46-5.19kg O2 kw h-1。
使用本实施例的方法，进行两个周期的好氧-缺氧交替，河道底泥和上覆水体脱氮前后NH4+-N含量参见图4，从图4中可以看出，本实施例的方法能够有效地同步对河道底泥和上覆水体脱氮。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用氨氮增释剂同步去除河道底泥和上覆水体氨氮的方法，其特征在于，该方法向底泥中添加氨氮增释剂，用于促使底泥中的氨氮快速释放于上覆水体中，同时联合微生物曝气法对上覆水体脱氮，实现底泥和上覆水体同步脱氮；所述的氨氮增释剂为铁负载生物质炭。
2.根据权利要求1所述的利用氨氮增释剂同步去除河道底泥和上覆水体氨氮的方法，其特征在于，将铁负载生物质炭以原位覆盖或混合的方式加入底泥中，将负载微生物的填料和曝气管道浸没于上覆水体，连通曝气设备，同步去除底泥和上覆水体中的氮。
3.根据权利要求1或2所述的利用氨氮增释剂同步去除河道底泥和上覆水体氨氮的方法，其特征在于，所述的铁负载生物质炭的制备方法包括以下步骤：
(a)将碎木屑过筛，与FeCl3溶液混合浸泡，室温下搅拌浸泡，使Fe3+充分均匀地负载到生物质表面，然后烘干至恒重；
(b)将烘干混合物在惰性气体氛围下共热解，自然冷却到室温，得到铁负载生物质炭，过筛备用。
4.根据权利要求3所述的利用氨氮增释剂同步去除河道底泥和上覆水体氨氮的方法，其特征在于，FeCl3溶液的浓度为10～50mg L-1，FeCl3溶液与碎木屑充分混合，混合比重为FeCl3溶液占碎木屑15～25wt％。
5.根据权利要求3所述的利用氨氮增释剂同步去除河道底泥和上覆水体氨氮的方法，其特征在于，包括以下条件中的任一项或多项：
(i)步骤(a)中，烘干在40℃条件下进行；
(ii)步骤(b)中，共热解过程中：以5～15℃min-1的加热速率升温至450～550℃，然后停留1～3h；惰性气体为氮气。
6.根据权利要求3所述的利用氨氮增释剂同步去除河道底泥和上覆水体氨氮的方法，其特征在于，步骤(a)中，碎木屑过2-mm筛；步骤(b)中，铁负载生物质炭过1-mm筛。
7.根据权利要求1或2所述的利用氨氮增释剂同步去除河道底泥和上覆水体氨氮的方法，其特征在于，铁负载生物质炭与底泥比为2～8wt％。
8.根据权利要求2所述的利用氨氮增释剂同步去除河道底泥和上覆水体氨氮的方法，其特征在于，曝气设备向上覆水体间歇供氧，使上覆水体形成好氧-缺氧交替环境，通过硝化-反硝化反应同步去除上覆水体中的氨氮，以及底泥中释放出来的氨氮，上覆水体曝气状态溶解氧含量为2-5mg l-1。
9.根据权利要求2所述的利用氨氮增释剂同步去除河道底泥和上覆水体氨氮的方法，其特征在于：
所述的负载微生物的填料为绳型生物填料，主要以合成纤维为原材料，悬挂于网状悬浮泡沫下，在河道中成林立状态，所述的网状悬浮泡沫用于避免对大气富氧及阳光传递产生影响；
所述的负载微生物的填料上负载的微生物主要为氮降解微生物，包括芽孢杆菌、和/或乳酸杆菌、和/或肠杆菌、和/或蛭弧菌。
10.根据权利要求2所述的利用氨氮增释剂同步去除河道底泥和上覆水体氨氮的方法，其特征在于，所述的曝气管道为ABS管道，位于负载微生物的填料的下方，具有多个支管，所述的支管上设置有曝气器；优选各支管管道间隔以曝气器服务面积为准，管道开孔直径及开孔形式以曝气器型号为准，管径为以河道面积及单个管道上安排曝气器数量为准。
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