CN113955855A - 一种用于水体修复的生态毯及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于水体修复的生态毯及其应用，属于黑臭水体治理、水体生态修复与环保技术领域。所述生态毯包括由下至上依次设置的防水层、多功能修复层、缓释营养层、种植层；所述防水层、多功能修复层、缓释营养层、种植层均可拆卸连接；其中，所述多功能修复层由废砖、石灰石、负磁改性生物炭制备而得。本发明所提出的生态毯，绿色环保，结构设计合理，铺设灵活，可操作性强，并且，维护方便，建设成本低，便于推广应用，能有效解决黑臭水体和底泥中氮磷、重金属等污染物含量高，溶氧量低，水下生态环境差等问题。

Description

一种用于水体修复的生态毯及其应用
技术领域
本发明属于黑臭水体治理、水体生态修复与环保技术领域，尤其涉及一种用于水体修复的生态毯及其应用。
背景技术
黑臭水体作为水环境污染的一种极端状况，是由于河流或湖泊接纳过量污染物，使水体复氧和耗氧失衡，导致腐殖质和其他“黑臭”污染物过量产生，使水生态系统自净作用受到严重破坏，对人们生活、城市生态和景观建设都产生极其恶劣的影响。城市黑臭水体，具有COD、氨氮、铁、硫等污染物含量高的特点。目前，不少城市虽然基本消除了黑臭水体，但仍存在反弹风险。“水十条”明确将黑臭水体治理纳入国家水治理体系范畴。可见，黑臭水体的综合治理仍是我国水生态环境建设中亟待解决的重要问题。
河道底泥中淤积有大量污染物如氮、磷、有机物等，也会通过与上覆水体的反复交换，不断向水体中释放高浓度污染，成为对持续性的内源性污染源，污染贡献率可达到60％以上，严重影响水体的长治久清。同时，底泥中还含有重金属等有害物质，并且会发生厌氧降解，极易腐败并产生恶臭，加剧水体黑臭和进一步污染。目前对底泥的治理，主要方法包括河道清淤、底泥覆盖和原位微生物修复等。
目前，生态修复已经成为世界各国普遍关注的水生态环境治理技术。常用的生态修复技术主要包括客土喷播、生态袋、生态毯等。其中，生态毯因为施工速度快、材料可降解、能快速达到植物生长并且水土保持效果突出而成为常用的原位修复技术。
传统的生态毯含有营养基质、保水剂、草籽、土壤等组分，主要作用是提供植物生长的营养元素，保持水分，改善孔隙通气性，为植物生长创造条件。但对于水体生态修复和污水治理，存在效果差、成本高等问题，不利于推广应用。
发明内容
本发明提供了一种用于水体修复的生态毯，对黑臭水体的综合治理以及底泥污染物的削减有明显的效果。
本发明提出一种用于水体修复的生态毯，包括由下至上依次设置的防水层、多功能修复层、缓释营养层、种植层；所述防水层、多功能修复层、缓释营养层、种植层均可拆卸连接；其中，所述多功能修复层由废砖、石灰石、负磁改性生物炭制备而得。
进一步地，所述多功能修复层采用废砖、石灰石、负磁改性生物炭制备而得，其中，废砖、石灰石、负磁改性生物炭的质量比为5:2:3。
进一步地，所述负磁改性生物炭采用锌、铁、铜中至少一种改性而得；
优选的，负磁改性生物炭采用铁粉、四氧化三铁、铁盐中至少一种改性而得。
进一步地，负磁改性生物炭的制备方法包括如下步骤：
(a)将农林废弃物采用蒸馏水进行清洗，60℃烘干，剪切，得原生生物质颗粒；
(b)将原生生物质颗粒加入马弗炉中热解炭化，氮气保护下，以10-15℃/min的升温速率升至300-600℃后热解1-3h，得生物炭；
(c)采用共沉淀法，将上述生物炭和FeC13·6H2O按照1:1-1:2质量比混合后超声处理5-15min；然后加热至60℃-80℃，保持30-60min，在N2保护下向上述混合物加入1:1-2:1质量比的FeSO4·4H2O，搅拌10-30min，冷却，N2保护下滴加NaOH溶液，至pH为10-11，形成Fe(OH)3沉淀；搅拌1-2h，盖上保鲜膜，静置过夜，去上层清液，用去离子水冲洗沉淀物，用乙醇冲洗，60℃下干燥24h，得负磁改性生物质炭。
进一步地，废弃物生物质包括秸秆、玉米芯、花生壳、树叶、树枝中至少一种。
进一步地，所述缓释营养层采用农林废弃物生物炭与缓释氧剂制备而得；其中，农林废弃物生物炭与缓释氧剂体积比为60％-30％：40％-70％。
进一步地，所述种植层中种植沉水植物；
优选的，所述沉水植物包括苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻中至少一种。
进一步地，所述防水层采用土工布包裹多孔材料，其中，所述多孔材料包括陶粒、活性炭、沸石中至少一种。
进一步地，所述防水层、多功能修复层、缓释营养层、种植层重叠后，边缘用固定部件进行固定，生态毯之间用连接部件进行连接。
本发明还提出上述任一生态毯在水体修复中的应用。
本发明具有以下优势：
本发明提出的用于水体修复的沉水型生态毯，由下至上依次为防水层、多功能修复层、缓释营养层、种植层；其中，填料单元采用与现有技术不同的配级结构，尤其是由生物炭、废砖、石灰石等混合制备所得填料作为多功能修复层，并且，采用负磁改性生物炭和石灰石配合，通过增加所吸附的配位体(羟基、硫酸根、氯离子等)及重金属(铁、钙等)的含量，与磷酸根发生配位体交换以及共沉淀作用，进一步强化对磷的有效去除。缓释营养层主要为了提高植物生长和微生物活动过程中所需的碳源、溶解氧等营养物质，同时，可增加水里的溶解氧含量，从而进一步增强对污染物的去除效果。本发明所提出的生态毯，绿色环保，结构设计合理，铺设灵活，可操作性强，并且，维护方便，建设成本低，便于推广应用，能有效解决黑臭水体和底泥中氮磷、重金属等污染物含量高，溶氧量低，水下生态环境差等问题。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中用于水体修复的生态毯的结构示意图；
图2为本发明实施例中用于水体修复的生态毯的俯视图；
图3为本发明试验例2不同填料对黑臭水体的去除效果对比；
图4为本发明试验例2秸秆炭改性前后的表面官能团变化；
附图标记说明：
防水层-1；多功能修复层-2；缓释营养层-3；种植层-4；固定部件-5；连接部件-6。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、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。在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明一实施例提出一种用于水体修复的生态毯，包括由下至上依次设置的防水层1、多功能修复层2、缓释营养层3、种植层4；所述防水层1、多功能修复层2、缓释营养层3、种植层4均可拆卸连接；其中，所述多功能修复层2由废砖、石灰石、负磁改性生物炭制备而得。
本发明提出的用于水体修复的沉水型生态毯，由下至上依次为防水层、多功能修复层、缓释营养层、种植层。防水层可用于拦截河道底层的污染物扩散，多功能修复层能可以有效去除黑臭水体氮磷和有机污染，同时使生态毯在自身重力作用下保持生态毯与河道底面压紧，抵御水流冲击，从而提高生态毯的净化能力和稳定性；缓释营养层为植物以及微生物的生长提供营养物质，其中生物炭可以缓释碳源、硝酸钙作为缓释氧剂提供溶解氧，同时与多功能修复层形成协同去除污染物的作用，而且无需外加供氧设备，节能降耗。种植层主要为水生植物提供载体以及根系附着。
本发明一实施例中，所述多功能修复层采用废砖、石灰石、负磁改性生物炭制备而得，其中，废砖、石灰石、负磁改性生物炭的质量比为5:2:3。
本发明实施例中，所述多功能修复层选用废砖、石灰石、改性生物炭等多孔材料作为填料，较大的比表面积和孔隙可有效增强对污染物的吸附作用。其中，生物炭作为一种有机质热解产物，具有碳骨架结构、表面官能团较丰富、比表面积较大、化学性质稳定、可提供微生物附着位点等优势，通过离子交换、吸附、络合、微生物等作用，可去除黑臭水体中有机物、氮磷以及硫化物等多种污染物。废砖拥有较大比表面积和微孔体积，同时可以起到配重支撑的作用，使生态毯压实河道底部，不容易被水流冲散。负磁改性生物炭可和石灰石配合，通过增加所吸附的配位体(羟基、硫酸根、氯离子等)及重金属(铁、钙等)的含量，与磷酸根发生配位体交换以及共沉淀作用，进一步强化对磷的有效去除。多功能修复层中三者配合作用，兼具配重支撑和协同去除水体中的氮磷、COD、硫化物等污染物的作用。与传统单一石灰石填料层相比具有渗透性强、比表面积大、净水水质更好等突出优势。
本发明一实施例中，所述负磁改性生物炭采用锌、铁、铜中至少一种改性而得；
优选的，负磁改性生物炭采用铁粉、四氧化三铁、铁盐中至少一种改性而得。
本发明一实施例中，负磁改性生物炭的制备方法包括如下步骤：
(a)将农林废弃物采用蒸馏水进行清洗，60℃烘干，剪切，得原生生物质颗粒；
(b)将原生生物质颗粒加入马弗炉中热解炭化，氮气保护下，以10-15℃/min的升温速率升至300-600℃后热解1-3h，得生物炭；
(c)采用共沉淀法，将上述生物炭和FeC13·6H2O按照1:1-1:2质量比混合超声处理5-15min；然后加热至60℃-80℃，保持30-60min，在N2保护下向上述混合物加入1:1-2:1的FeSO4·4H2O，搅拌10-30min，冷却，N2保护下滴加NaOH溶液，至pH为10-11，形成Fe(OH)3沉淀；搅拌1-2h，盖上保鲜膜，静置过夜，去上层清液，用去离子水冲洗沉淀物，用乙醇冲洗，60℃下干燥24h，得负磁改性生物质炭。
优选的，废弃物生物质包括秸秆、玉米芯、花生壳、树叶、树枝中至少一种。
本发明一实施例中，所述缓释营养层采用农林废弃物生物炭与缓释氧剂制备而得；其中，农林废弃物生物炭与缓释氧剂体积比为60％-30％：40％-70％。
具体而言，所述缓释营养层可为植物生长提供缓释碳源、溶解氧和营养物质。缓释碳源的比表面积、孔隙率和体积密度等均优于市场填料，且具有稳定释放碳源的作用，可以补充湿地中微生物反硝化所需碳源，提高氨氮的去除效率。另一方面，为微生物提供附着载体和氧气，在植物、微生物和多功能修复层填料的共同作用下，提高对黑臭水体及底泥污染的净化效果。
缓释营养层内填料，由农林废弃物生物炭与缓释氧剂按照体积比为60％-30％：40％-70％制备而得，所得填料最终粒径控制在10-20目范围内。
具体而言，所述缓释营养层的制备方法包括：
(1)农林废弃物生物炭制备：
(a)将筛选得到的农林废弃物(秸秆、玉米芯、花生壳、树叶、树枝)采用蒸馏水进行清洗，并在烘箱中烘干，烘干温度为60℃；
(b)将清洗烘干的废弃物生物质适当剪切后，得到大小均匀原生生物质颗粒；
(c)将筛选后的生物质颗粒分别加入马弗炉中热解炭化，在氮气保护下以10-15℃/min的升温速率升至300～600℃后热解1～3h；
(d)热解的生物炭冷却至室温过40-80目筛，舍弃粒径过小的部分，得到农林废弃物制备的生物炭；
(2)缓释填料制备：
将硝酸钙溶于水中得饱和的硝酸钙溶液，将上述农林废弃物生物炭(60％-30％，v/v)加入到饱和溶液中进行吸附处理，等完全吸附后，干燥，得硝酸钙-生物炭混合缓释填料。
本发明一实施例中，所述种植层中种植沉水植物；
优选的，所述沉水植物包括苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻中至少一种。
优选的，所述沉水植物的长度为20-50cm。
本发明一实施例中，所述防水层采用土工布包裹多孔材料，其中，所述多孔材料包括陶粒、活性炭、沸石中至少一种。
防水层中的多孔材料拥有较大的孔隙率和比表面积，可以吸附污染物并且为微生物提供附着位点，进一步对污染物进行降解，而且对底泥中的重金属具有高效钝化作用。
本发明一实施例中，所述防水层、多功能修复层、缓释营养层、种植层重叠后，边缘用固定部件进行固定，生态毯之间用连接部件进行连接。便于施工和维护。具体而言，固定部件包括铆钉或固定桩。连接部件包括连接栓或连接环。
优选的，所述用于水体修复的生态毯的规格为1-2m，可根据河道尺寸和污染区域面积灵活铺设。所述生态毯整体呈四层结构的正方形。
本发明还提出上述任一项所述生态毯在水体修复中的应用。生态毯能有效解决黑臭水体和底泥中氮磷、重金属等污染物含量高，溶氧量低，水下生态环境差等问题。
下面将结合实施例详细阐述本发明。
实施例1一种用于水体修复的生态毯
包括防水层、多功能修复层、缓释营养层、种植层；
所述种植层为混有种子的土壤并种植苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻等沉水植物。
所述缓释营养层选用农林废弃物生物炭与缓释氧剂按照体积比3:2进行复配组合。
(1)农林废弃物生物炭制备：
(a)将筛选得到的农林废弃物(秸秆、玉米芯、花生壳、树叶、树枝)采用蒸馏水进行清洗，并在烘箱中烘干，烘干温度为60℃；
(b)将清洗烘干的废弃物生物质适当剪切后，得到大小均匀原生生物质颗粒；
(c)将筛选后的生物质颗粒分别加入马弗炉中热解炭化，在氮气保护下以10-15℃/min的升温速率升至300～600℃后热解1～3h；
(d)热解的生物炭冷却至室温过40-80目筛，舍弃粒径过小的部分，得到农林废弃物制备的生物炭；
(2)缓释填料制备：
将硝酸钙溶于水中得饱和的硝酸钙溶液，将上述农林废弃物生物炭(60％-30％，v/v)加入到饱和溶液中进行吸附处理，等完全吸附后，干燥，得硝酸钙-生物炭混合缓释填料。
所述多功能修复层内，采用废砖、石灰石和改性生物炭以体积比5:2:3进行混合，粒径为15-30mm。优选的，所述多功能修复层选用负载Fe的改性生物炭，分散性好、吸附能力强，便于对黑臭水体中氮磷以及硫化物的去除。
具体而言，负磁改性生物炭的制备方法包括：
(a)将农林废弃物(秸秆、玉米芯、花生壳、树叶、树枝按照质量比为1：1:1:1:1)采用蒸馏水进行清洗，60℃烘干，剪切，得原生生物质颗粒；
(b)将原生生物质颗粒加入马弗炉中热解炭化，氮气保护下，以10-15℃/min的升温速率升至300-600℃后热解1-3h，得生物炭；
(c)采用共沉淀法，将上述生物炭和FeC13·6H2O按照1:1质量比混合后超声处理5-15min；然后加热80℃，保持30-60min，在N2保护下向上述混合物中加入2:1质量比的FeSO4·4H2O，搅拌10-30min，冷却，N2保护下滴加NaOH溶液，至pH为10-11，形成Fe(OH)3沉淀；搅拌1-2h，盖上保鲜膜，静置过夜，去上层清液，用去离子水冲洗沉淀物，用乙醇冲洗，60℃下干燥24h，得负磁改性生物质炭。
所述防水层设有透水土工布，内部填充有多孔材料(活性炭、沸石、陶粒按照质量比1:1：1混合)。
对比例1
同实施例1，不同之处在于，采用单一石灰石作为多功能修复层填料，得单一石灰石的生态毯。
对比例2
同实施例1，不同之处在于，采用单一废弃红砖作为多功能修复层填料，得单一废砖的生态毯。
对比例3
同实施例1，不同之处在于，采用单一负磁改性生物炭作为多功能修复层填料，得单一改性生物炭的生态毯。
试验例1生态毯对黑臭水体的处理效果
将实施例和对比例所得生态毯进行模拟黑臭水体的处理，首先进行模拟黑臭水体配制，以生活源底泥扰动型黑臭水质为例，采用蔗糖和脲为碳源，氮磷选用NH4C1、KH2PO4溶液，进水浓度见表1。将进水通过对比例1、对比例2、对比例3和实施例1中的生态毯后，测定出水中污染物的去除率，结果见表1。
表1生态毯对黑臭水体的处理效果
Figure BDA0003326390660000081
由表1可得，本发明实施例1所得水体修复的生态毯，不仅对黑臭水体中的氮磷、COD的去除能力强，在正常稳定运行30天后，可确保人工湿地的COD去除率达到86％，氨氮去除率达到75％，TP去除率达到77％，并达到城市水体无黑臭标准，溶解氧DO＞2mg/L，透明度＞25cm，氧化还原电位ORP＞50mV。同时具有施工灵活，建设成本低，工艺简单，施工后养护管理成本较低等特点。
试验例2多功能修复层中不同填料对于污染物的去除效果试验
为进一步证明多功能修复层在污水吸附过程中所起的作用，分别对比了秸秆生物炭(秸秆炭)、负磁改性秸秆生物炭(改性炭)、废砖、石灰石、陶粒以及改性秸秆生物炭和废砖、石灰石组合后对模拟黑臭水体中不同污染物的去除效果。结果见图3。
由图3的静态吸附试验，磁性秸秆基生物炭对COD、氨氮的去除效果更优，石灰石、废砖对总磷去除效果较好。而且，磁性秸秆基生物炭、石灰石和废砖还会发生协同去除作用，增强对水中COD、总磷等的去除。综合考虑并经过筛选后，选择磁性秸秆基生物炭、废砖、石灰石作为多功能修复层的主体填料。
所述改性生物炭与废砖、石灰石混合嵌套在多功能修复层中，兼具配重支撑和一定的排水蓄水作用，同时比表面积和孔隙率高、吸附去除性能强，以解决黑臭水体氮磷、有机物等污染问题，提高水质净化效果。
图4为秸秆炭改性前后的表面官能团，结合图4，秸秆炭改性前后的表面官能团对照可以看出，与未改性秸秆炭相比，改性秸秆生物炭，Fe(3768cm-1)、C＝C(1612cm-1)、C＝O(1040cm-1)和C-C(580cm-1)官能团明显增加，这说明负磁改性丰富了生物炭中的官能团结构和种类，对于污染物的吸附和降解起到一定的促进作用。
以上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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于水体修复的生态毯，其特征在于，包括由下至上依次设置的防水层、多功能修复层、缓释营养层、种植层；所述防水层、多功能修复层、缓释营养层、种植层均可拆卸连接；其中，所述多功能修复层由废砖、石灰石、负磁改性生物炭制备而得。
2.根据权利要求1所述的生态毯，其特征在于，
所述多功能修复层采用废砖、石灰石、负磁改性生物炭制备而得，其中，废砖、石灰石、负磁改性生物炭的质量比为5:2:3。
3.根据权利要求1或2所述的生态毯，其特征在于，
所述负磁改性生物炭采用锌、铁、铜中至少一种改性而得；
优选的，负磁改性生物炭采用铁粉、四氧化三铁、铁盐中至少一种改性而得。
4.根据权利要求1所述的生态毯，其特征在于，负磁改性生物炭的制备方法包括如下步骤：
(a)将农林废弃物采用蒸馏水进行清洗，60℃烘干，剪切，得原生生物质颗粒；
(b)将原生生物质颗粒加入马弗炉中热解炭化，氮气保护下，以10-15℃/min的升温速率升至300-600℃后热解1-3h，得生物炭；
(c)采用共沉淀法，将上述生物炭和FeC13·6H2O按照1:1-1:2质量比混合后超声处理5-15min；然后加热至60℃-80℃，保持30-60min，在N2保护下向上述混合物加入1:1-2:1质量比的FeSO4·4H2O，搅拌10-30min，冷却，N2保护下滴加NaOH溶液，至pH为10-11，形成Fe(OH)3沉淀；搅拌1-2h，盖上保鲜膜，静置过夜，去上层清液，用去离子水冲洗沉淀物，用乙醇冲洗，60℃下干燥24h，得负磁改性生物质炭。
5.根据权利要求1所述的生态毯，其特征在于，废弃物生物质包括秸秆、玉米芯、花生壳、树叶、树枝中至少一种。
6.根据权利要求1所述的生态毯，其特征在于，
所述缓释营养层采用农林废弃物生物炭与缓释氧剂制备而得；其中，农林废弃物生物炭与缓释氧剂体积比为60％-30％：40％-70％。
7.根据权利要求1所述的生态毯，其特征在于，
所述种植层中种植沉水植物；
优选的，所述沉水植物包括苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻中至少一种。
8.根据权利要求1所述的生态毯，其特征在于，
所述防水层采用土工布包裹多孔材料，其中，所述多孔材料包括陶粒、活性炭、沸石中至少一种。
9.根据权利要求1所述的生态毯，其特征在于，
所述防水层、多功能修复层、缓释营养层、种植层重叠后，边缘用固定部件进行固定，生态毯之间用连接部件进行连接。
10.权利要求1～9任一项所述的生态毯在水体修复中的应用。
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