CN113121080A - 一种生物刺激底泥修复剂及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物刺激底泥修复剂及其制备方法，所述底泥修复剂包括稀土元素、稳定剂、营养共基质、缓释助溶剂和微量元素；制备方法包括备料、加热、熟化、干燥、过筛和混合；本发明提供的底泥修复剂提高底泥大分子有机质和难降解有机污染物的转化及小分子有机物降解的速率，加速微生物对氮、磷物质的转化利用；激活各种微生物酶，提高酶活性，加速酶促反应速率，进一步增强土著微生物对底泥污染物的降解能力；稀土元素的使用，可使水体胶体物质沉积附着于底部，形成附着生物膜，全面提高净化能力，最终实现水体自净能力恢复。本发明提供的生物刺激底泥修复剂的制备方法操作简单、制备方便、成本低、适用于工业化大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及地表水处理领域，具体涉及一种生物刺激底泥修复剂及其制备方法。
背景技术
水体底泥(沉积物)污染，是世界范围内的一个重要环境问题。其污染物主要通过大气沉降、废水排放、水土流失、雨水淋溶与冲刷进入水体，最后沉积到底泥中并逐渐富集，使底泥受到严重污染。一旦河流湖库水体环境发生变化，沉积在底泥中的氮磷营养元素、重金属和难降解有机物会重新释放出来进入水体，影响上覆水体的水质，形成二次污染，此外底泥又是底栖生物的主要生活场所和食物来源，污染物质可直接或间接对底栖生物或上覆水生物产生致毒致害作用，并通过生物富集、食物链放大等过程，进一步影响陆地生物和人类健康。
底泥是湖泊水库的重要组成部分，能够反映湖泊水库演化的历史进程，底泥主要由三部分组成：无机矿物、有机矿物和流动相。底泥中含水量非常高，一般在83％-95％之间，矿物元素主要包括Si、Ca、Al、Na、K和Mg等元素，营养元素C、N和P，生物必须的大量元素Fe、Mn和S以及其他微量重金属元素，底泥又是众多底栖生物的生存场所，当条件发生适当变化时，底泥中过多的营养元素，重金属和有机物就会从底泥中释放出来，影响上覆水的水质，进而影响到水生生物、人类健康，因此河湖底泥污染治理是一个亟待解决的问题。
目前，底泥的修复治理技术主要有三大类，一是物理方法；二是化学方法、三是生物方法。物理方法主要是底泥疏浚、底泥覆盖以及底泥清掏外运处置等方式对底泥进行处理；化学方法主要是采用化学药剂对底泥中的还原性物质、氮、磷等进行处理；生物方法主要是通过微生物作用、植物吸收以及生态系统重建等方式对底泥进行处理。但是现有技术存在以下问题：1、实施步骤多，操作复杂，施工难度大；2、投加量大，成本高；3、外加生物菌剂易受到底泥环境和土著微生物的限制，存活率低，降解能力弱；4、未真正实现对底泥自净能力的恢复。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种生物刺激底泥修复剂；
本发明的另一目的在于提供此种底泥修复剂的制备方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种生物刺激底泥修复剂，它包含以下重量份的原料：
稀土元素： 20～55； 稳定剂：5～25；
营养共基质： 15～50； 缓释助溶剂：0.2～8；
微量元素： 0.01～0.2；
其中，所述稳定剂为硝酸钙或铁粉中的至少一种；所述营养共基质为糖、羧酸、脂肪酸、氨基酸类溶解性有机物、稻杆、玉米棒碎片、酿酒厂废渣、葡萄糖、淀粉、乙酸盐、乳酸盐中的至少四种；所述缓释助溶剂为羧甲基纤维素或羟丙基纤维素中的任意一种或两种。
进一步地，它包含以下重量份的原料：
稀土元素： 43； 稳定剂：8；
营养共基质： 32； 缓释助溶剂：1；
微量元素： 0.1。
进一步地，所述稀土元素来源于镧、铈、钕、镨和钐的氧化物、氢氧化物或盐。
进一步地，所述微量元素为铜、锌、铬、锰、钼、硒、镍或钨中的至少五种。
进一步地，所述铁粉为400目零价铁粉。
进一步地，所述底泥为河道或湖库水体底泥。
一种生物刺激底泥修复剂的制备方法，它包括以下步骤：。
S1.备料：按上述配方比例称取各原料，备用；
S2.加热：将含有稀土元素的原料加入到盐酸中在90～110℃的温度下加热搅拌2～4h，抽滤取出母液；
S3.熟化：将步骤S2抽滤的母液在60～70℃的水浴锅中熟化2～3.5h，熟化后加入微量元素得熟化料；
S4.干燥：将熟化料干燥后研磨至200目；
S5.过筛：将营养共基质粉碎后过200目筛；
S6.混合：将干燥后的熟化料、过筛后的营养共基质、稳定剂和缓冲助溶剂混合均匀。
本发明所述的生物刺激指一种基于改变生物降解中微生物活性和强度，向底泥中投加营养物和碳源，以满足降解菌的需要，利用共代谢提高微生物的活性。
所述的酶促反应又称酶催化或酵素催化作用，使一种以酶为催化剂的进行催化的化学反应。
所述的酶促反应速率指单位时间内转化底物的量，与反应过程中温度、pH、底物浓度、酶量、促进剂和抑制剂等影响因素有关。
本发明的原理为：
(1)由于河流、湖库底层污泥大量有毒有害物质和难降解有机物沉积，环境长期处于厌氧状态，并且滋生大量腐生细菌，挤压土著微生物的生存空间，使土著微生物丧失对污染物质的降解能力，外加微生物菌剂因其自身生长条件受到底泥环境和土著微生物的限制，难以保证其降解能力。
本发明所述的稀土元素是一种特殊的储氢储氧的新材料，具有较好的催化氧化功能，对水体中的胶体物质及污染物吸附富集，可直接消除底泥中的部分有机质，同时加速大分子有机物向小分子有机物的转化。硝酸钙是一种弱氧化剂，能够氧化酚、醛、醇等分子量较低的有机污染物，也可作为电子受体通过生物作用降解有机物，零价铁粉为一种还原剂，可以通过还原反应将一些简单的有机物直接还原成小分子有机物。通过以上改善水生态底层环境，为有益微生物提供良好的生存环境，同时提供可供利用的生长繁殖营养因子，使土著微生物菌群大量生长繁殖成为优势种群，大量转化、利用、消耗底泥中被转化和释放的有机质、氮、磷等污染因子，同时挤压腐生细菌的生存空间，抑制有害病菌的繁殖生长。
(2)由于微生物本身存在着生物降解效率不高不彻底，以及难降解有机物的生物可利用性差等问题。
本发明通过上述(1)方式，使土著微生物菌群大量生长、繁殖、代谢，而稀土元素使一种良好的催化氧化元素，在改善底层环境的同时可激活多种酶活性，增强微生物活力，增强其共代谢，提高微生物对污染物的降解效率，同时减少微生物不同种群之间的拮抗作用，使多种类有益微生物大量增长繁殖。共基质的使用实则是一种“生物刺激技术”，通过外加底泥土著微生物可利用的生长基质促进土著微生物的繁殖和生长使得微生物在利用共基质的同时降解非生长基质，包括共基质被完全消耗后微生物仍能在内源呼吸状态下继续降解转化非生长基质，故共基质的添加可为微生物提供碳源和能源，促进微生物的繁殖、生长、代谢活性，同时通过共基质得到增殖的微生物能产生同时降解生长基质和非生长基质的非专一性酶。
(3)河道和湖库长期受到工业污水、生活污水及农业污水的污染，超出其纳污能力又将造成新一轮的污染，很难恢复且保持其自净能力。
本发明通过(1)、(2)步骤后，湖库底层环境得到改善，土著微生物菌群得以恢复，而特殊稀土材料的使用可凝胶固化底泥中泥沙矿物质，为微生物附着生长提供着床，使底泥表层逐步生成微生物膜，进一步为土著优势种群的附着生长繁殖创造条件，最终达到水体自净能力的提升，实现水生态修复。
本发明具有以下优点：本发明的提供的一种生物刺激底泥修复剂，提高底泥大分子有机质和难降解有机污染物的转化及小分子有机物降解的速率，加速微生物对氮、磷物质的转化利用；激活各种微生物酶，提高酶活性，加速酶促反应速率，进一步增强土著微生物对底泥污染物的降解能力；稀土元素的使用，可使水体胶体物质沉积附着于底部，形成附着生物膜，全面提高净化能力，最终实现水体自净能力恢复。本发明提供的生物刺激底泥修复剂的制备方法操作简单、制备方便、成本低、适用于工业化大规模生产。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
实施例1：一种生物刺激河道底泥修复剂，它包含以下重量份的原料：
稀土元素： 20； 稳定剂： 5；
营养共基质： 15； 缓释助溶剂： 0.2；
微量元素： 0.01；
其中，所述稳定剂为硝酸钙；所述营养共基质为糖、羧酸、脂肪酸、氨基酸类溶解性有机物和稻杆；所述缓释助溶剂为羧甲基纤维素；所述稀土元素来源于镧、铈、钕、镨和钐的氧化物；所述微量元素为铜、锌、铬、锰和钼。
实施例2：一种生物刺激湖库水体底泥修复剂，它包含以下重量份的原料：
稀土元素： 55； 稳定剂： 25；
营养共基质： 50； 缓释助溶剂： 8；
微量元素： 0.2；
其中，所述稳定剂为400目零价铁粉；所述营养共基质为玉米棒碎片、酿酒厂废渣、葡萄糖、淀粉、乙酸盐和乳酸盐；所述缓释助溶剂为羟丙基纤维素；所述稀土元素来源于镧、铈、钕、镨和钐的氢氧化物；所述微量元素为铜、锌、铬、锰、钼和硒。
实施例3：一种生物刺激河道底泥修复剂，它包含以下重量份的原料：
稀土元素： 43； 稳定剂： 8；
营养共基质： 32； 缓释助溶剂： 1；
微量元素： 0.1。
其中，所述稳定剂为硝酸钙和铁粉；所述营养共基质为糖、脂肪酸、玉米棒碎片、酿酒厂废渣、葡萄糖、淀粉和乙酸盐；所述缓释助溶剂为羧甲基纤维素和羟丙基纤维素；所述稀土元素来源于镧、铈、钕、镨和钐的盐；所述微量元素为锌、铬、锰、钼、硒、镍和钨；所述铁粉为400目零价铁粉。
实施例4：一种生物刺激湖库水体底泥修复剂，它包含以下重量份的原料：
稀土元素： 28； 稳定剂： 10；
营养共基质： 30； 缓释助溶剂： 1；
微量元素： 0.05；
其中，所述稳定剂为硝酸钙；所述营养共基质为糖、羧酸、脂肪酸、氨基酸类溶解性有机物、玉米棒碎片、葡萄糖、淀粉和乳酸盐；所述缓释助溶剂为羧甲基纤维素；所述稀土元素来源于镧、铈、钕、镨和钐的氧化物；所述微量元素为铜、锌、铬、锰、钼、硒、镍和钨。
实施例5：一种生物刺激河道底泥修复剂，它包含以下重量份的原料：
稀土元素： 33； 稳定剂： 12；
营养共基质： 35； 缓释助溶剂： 3；
微量元素： 0.12；
其中，所述稳定剂为400目零价铁粉；所述营养共基质为糖、羧酸、脂肪酸、氨基酸类溶解性有机物、稻杆、玉米棒碎片、酿酒厂废渣、乙酸盐和乳酸盐；所述缓释助溶剂为羧甲基纤维素和羟丙基纤维素；所述稀土元素来源于镧、铈、钕、镨和钐的氢氧化物；所述微量元素为锰、钼、硒、镍和钨。
实施例6：一种生物刺激河道底泥修复剂，它包含以下重量份的原料：
稀土元素： 46； 稳定剂： 18；
营养共基质： 40； 缓释助溶剂： 5；
微量元素： 0.15；
其中，所述稳定剂为硝酸钙和铁粉；所述营养共基质为糖、羧酸、脂肪酸、氨基酸类溶解性有机物、稻杆、酿酒厂废渣、葡萄糖、淀粉、乙酸盐和乳酸盐；所述缓释助溶剂为羧甲基纤维素；所述稀土元素来源于镧、铈、钕、镨和钐的盐；所述微量元素为铜、锌、铬、锰、钼、硒、镍和钨；所述铁粉为400目零价铁粉。
实施例7：一种生物刺激湖库水体底泥修复剂，它包含以下重量份的原料：
稀土元素： 50； 稳定剂： 23；
营养共基质： 45； 缓释助溶剂： 7；
微量元素： 0.17；
其中，所述稳定剂为400目零价铁粉；所述营养共基质为糖、羧酸、脂肪酸、氨基酸类溶解性有机物、稻杆、玉米棒碎片、酿酒厂废渣、葡萄糖、淀粉、乙酸盐和乳酸盐；所述缓释助溶剂为羧甲基纤维素和羟丙基纤维素；所述稀土元素来源于镧、铈、钕、镨和钐的氧化物；所述微量元素为铜、锰、钼、硒、镍和钨。
实施例8：一种生物刺激底泥修复剂的制备方法，它包括以下步骤：。
S1.备料：按实施例4的配方比例称取各原料，备用；
S2.加热：将含有稀土元素的原料加入到盐酸中在90℃的温度下加热搅拌2h，抽滤取出母液；
S3.熟化：将步骤S2抽滤的母液在60℃的水浴锅中熟化2h，熟化后加入微量元素得熟化料；
S4.干燥：将熟化料干燥后研磨至200目；
S5.过筛：将营养共基质粉碎后过200目筛；
S6.混合：将干燥后的熟化料、过筛后的营养共基质、稳定剂和缓冲助溶剂混合均匀。
实施例9：一种生物刺激底泥修复剂的制备方法，它包括以下步骤：。
S1.备料：按实施例5配方比例称取各原料，备用；
S2.加热：将含有稀土元素的原料加入到盐酸中在110℃的温度下加热搅拌4h，抽滤取出母液；
S3.熟化：将步骤S2抽滤的母液在70℃的水浴锅中熟化3.5h，熟化后加入微量元素得熟化料；
S4.干燥：将熟化料干燥后研磨至200目；
S5.过筛：将营养共基质粉碎后过200目筛；
S6.混合：将干燥后的熟化料、过筛后的营养共基质、稳定剂和缓冲助溶剂混合均匀。
实施例10：一种生物刺激底泥修复剂的制备方法，它包括以下步骤：。
S1.备料：按实施例6配方比例称取各原料，备用；
S2.加热：将含有稀土元素的原料加入到盐酸中在100℃的温度下加热搅拌2.5h，抽滤取出母液；
S3.熟化：将步骤S2抽滤的母液在65℃的水浴锅中熟化3h，熟化后加入微量元素得熟化料；
S4.干燥：将熟化料干燥后研磨至200目；
S5.过筛：将营养共基质粉碎后过200目筛；
S6.混合：将干燥后的熟化料、过筛后的营养共基质、稳定剂和缓冲助溶剂混合均匀。
以下通过实验说明本发明的有益效果：
实验例：一种生物刺激河道底泥修复剂，它包含以下含量的原料：
稀土元素： 30％； 稳定剂： 10％；
营养共基质： 35％； 缓释助溶剂： 2％；
微量元素： 0.02～0.1％；
其中，所述稳定剂为硝酸钙和铁粉，重量比为2:3；所述营养共基质为稻杆、玉米棒、乙酸钠和乳酸钠，各配备为1:1:1:1；所述缓释助溶剂为羧甲基纤维素；所述稀土元素为镧La2O320％、铈Ce0235％、钕Nd2O38％、镨Pr6O1110％、钐Sm2O35％；所述微量元素为由组分硫酸铜0.025mg/L、氯化钴0.025mg/L、硫酸锰22.3mg/L、硫酸锌8.6mg/L、钼酸钠0.25mg/L配制而成的母液。
上述生物刺激底泥修复剂的制备方法，它包括以下步骤：。
S1.备料：按上述配方比例称取各原料，备用；
S2.加热：将含有稀土元素的原料加入到盐酸中在110℃的温度下加热搅拌4h，抽滤取出母液；
S3.熟化：将步骤S2抽滤的母液在70℃的水浴锅中熟化3.5h，熟化后加入微量元素得熟化料；
S4.干燥：将熟化料干燥后研磨至200目；
S5.过筛：将营养共基质粉碎后过200目筛；
S6.混合：将干燥后的熟化料、过筛后的营养共基质、稳定剂和缓冲助溶剂混合均匀。
将制备样品用于某一代表性污染河道泥水混合液处理，使用量为7.5g/m3成品样品，结果见表1：
表1：实验例污染河道泥水混合液处理结果表
由表1可知，加入微量元素后对底泥有机质、总磷、总氮都有促进降解的作用，同时微量元素的过量使用反而会降低产品对底泥污染物的降解效果，因此微量元素的最佳添加使用量为0.2-1.0‰，用量超过则会抑制微生物自身共代谢作用，降低其产品的污染物降解能力。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种生物刺激底泥修复剂，其特征在于，它包含以下重量份的原料：
稀土元素： 20～55； 稳定剂：5～25；
营养共基质： 15～50； 缓释助溶剂：0.2～8；
微量元素： 0.01～0.2；
其中，所述稳定剂为硝酸钙或铁粉中的至少一种；所述营养共基质为糖、羧酸、脂肪酸、氨基酸类溶解性有机物、稻杆、玉米棒碎片、酿酒厂废渣、葡萄糖、淀粉、乙酸盐、乳酸盐中的至少四种；所述缓释助溶剂为羧甲基纤维素或羟丙基纤维素中的任意一种或两种。
2.根据权利要求1所述的一种生物刺激底泥修复剂，其特征在于，它包含以下重量份的原料：
稀土元素： 43； 稳定剂：8；
营养共基质： 32； 缓释助溶剂：1；
微量元素： 0.1。
3.根据权利要求1或2所述的一种生物刺激底泥修复剂，其特征在于，所述稀土元素来源于镧、铈、钕、镨和钐的氧化物、氢氧化物或盐。
4.根据权利要求1或2所述的一种生物刺激底泥修复剂，其特征在于，所述微量元素为铜、锌、铬、锰、钼、硒、镍或钨中的至少五种。
5.根据权利要求1或2所述的一种生物刺激底泥修复剂，其特征在于，所述铁粉为400目零价铁粉。
6.根据权利要求1或2所述的一种生物刺激底泥修复剂，其特征在于，所述底泥为河道或湖库水体底泥。
7.根据权利要求1或2所述的一种生物刺激底泥修复剂的制备方法，其特征在于，它包括以下步骤：
S1. 备料：按上述配方比例称取各原料，备用；
S2. 加热：将含有稀土元素的原料加入到盐酸中在90～110℃的温度下加热搅拌2～4h，抽滤取出母液；
S3. 熟化：将步骤S2抽滤的母液在60～70℃的水浴锅中熟化2～3.5h，熟化后加入微量元素得熟化料；
S4. 干燥：将熟化料干燥后研磨至200目；
S5. 过筛：将营养共基质粉碎后过200目筛；
S6. 混合：将干燥后的熟化料、过筛后的营养共基质、稳定剂和缓冲助溶剂混合均匀。
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| WO2023051150A1 (zh) * | 2021-09-30 | 2023-04-06 | 内蒙古科技大学 | 一种稀土助剂及其制备方法 |
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