CN114853179A - 一种利用三角帆蚌净化镉污染灌溉水的生物净化处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用三角帆蚌净化镉污染灌溉水的生物净化处理方法，步骤是：1)、构建生态塘：选择稻田周边自然分布的池塘,对池塘进行扩容、加深、防渗处理；2)、三角帆蚌品种选择：选择外壳完整、无破损、软体部饱满，外套膜肥厚，没有手术植核的三角帆蚌；3)、装入网袋：用刷子将三角帆蚌的壳表面清洗干净后，放入长条形的网袋中；4)、吊挂入生态塘：在每条聚乙烯绳上间隔系上塑料空瓶用作浮子；5)、放养密度：根据生态塘的水量确定；6)、水质要求；7)、饲喂管理；8)、水力停留时间；9)、生态塘清淤。净化效率高，容易操作和管理，有效的满足在耕地重金属污染修复中对灌溉水源进行净化处理的需要。

Description

一种利用三角帆蚌净化镉污染灌溉水的生物净化处理方法

技术领域

本发明属于重金属污染修复和水净化处理领域，更具体涉及一种利用三角帆蚌净化镉污染灌溉水的生物净化处理方法，它适用于中国南方镉污染耕地修复中，在灌溉水进入稻田前，通过三角帆蚌的净化处理，使灌溉水中镉浓度降到安全生产范围以内，是降低灌溉水中的镉等重金属污染的费用低、容易操作和管理的有效方法。

背景技术

随着中国经济的快速发展，部分地区由于矿山开采、工业污水无序排放、农药化肥过度施用等造成了严重的水体重金属污染，直接威胁到农业用水安全。据中国农业部进行的全国污灌区调查，在约140万公顷的污水灌区中，遭受重金属污染的土地面积占污水灌区面积的64.8％，其中轻度污染的占46.7％，中度污染的占9.7％，严重污染的占8.4％。目前全国受污染的耕地约有1.5亿亩，合计约占耕地总面积的10％。全国每年因重金属污染的粮食达1200万吨，造成的直接经济损失超过200亿元。因此，农田灌溉水重金属污染去除是当前亟待妥善解决的突出环境问题。

大量研究发现农田灌溉水具有以下特点：(1)重金属的含量低，大部分赋存于悬浮物中。(2)重金属含量常受污染排放状况与水力学条件影响，在时间和分布上不规则，即并不是每个区域、每个时间段都超标。(3)水体中重金属的检出与水相pH值有关。一般在碱性条件下,易受泥沙吸附而沉淀；在酸性条件下,底泥中的重金属会向水体释放。(4)重金属在表面微层水中的富集显著；沉积物孔隙水中Cu、Pb、Zn、Cd的含量远高于过滤水和原水,远远大于它们在上覆水中的浓度。由此可见，水体中悬浮物是重金属污染物迁移的主要载体,沉积物则成为污染物的主要储存场所。水体中重金属污染的去除主要在于降低水体悬浮物含量、加速悬浮物沉降、加强水生动植物对沉积物中重金属污染物的吸收等。此外，农田灌溉水还具有使用量大，时间不连续等特点，并且灌溉水净化处理作为粮食安全生产的源头控制环节，要求在处理过程中不能使用有毒有害物质等。

目前国内外关于重金属污染的水处理技术主要包括化学沉淀、离子交换、吸附、膜过滤、电化学以及人工湿地技术等。其中，化学沉淀与离子交换方法对高浓度金属废水处理效果较好，但对于低浓度金属废水效果较差；吸附法对低浓度重金属废水处理效果较好，但成本较高；膜过滤和电化学方法对高浓度和低浓度重金属废水处理效果均较好，但造价较高，维护方法复杂；人工湿地受气温、植物生长周期等影响，处理效果波动比较大。因此，建立一种净化重金属污染灌溉水的高效、低沉本、持续性强的方法就显得尤为迫切。

三角帆蚌(Hyriopsis cumingii)，俗名河蚌、劈蚌、石蚌、三角蚌、水壳、沙贝、翼蚌、溪蚌、铲蚌、珍珠蚌等，属于软体动物门(Mollusca)瓣鳃纲(Bivalvia)珠蚌科(Unionidae)帆蚌属(Hyriopsis)，一般栖息于大、中型湖泊及河流中，在洞庭湖、鄱阳湖、太湖、洪泽湖及周边河流中大量分布。三角帆蚌是中国特有的河蚌资源，也是培育淡水珍珠的优良品种。三角帆蚌以过滤的方式摄食水体中浮游生物和有机碎屑，对水质有明显的净化作用。三角帆蚌靠鳃和唇瓣上纤毛的运动造成进出水流，经过过滤获得食物。主要饵料生物有浮游植物和浮游动物，浮游植物有硅藻、甲藻、金藻、黄藻、绿藻和蓝藻等。浮游动物有轮虫、桡足类、枝角类及原生动物等。其中浮游植物是三角帆蚌的主要饵料。

经中国专利网与相关论文网站检索，发现目前已有一些关于利用三角帆蚌净化水质的报道。项黎新等在“三角帆蚌对水体Cr,Pb和Cd的净化与吸收”[浙江大学学报(理学版)2002,29(5)：569-572]中提到三角帆蚌对水体Cr,Pb和Cd污染有明显的净化能力；但实验中模拟的是高浓度污水，如Cd的浓度为1000ug/L，是灌溉水安全标准的100倍，三角帆蚌对镉浓度一般较低的灌溉水的处理效果不得而知，也没有提供系统的大田解决方案。廖日红等在“三角帆蚌对北京富营养化河湖水体的滤水效率和放养方式研究”[环境工程学报，2012,6(5):1425-1429]提到在富营养化水体上层放养三角帆蚌有利于提高水体透明度，降低叶绿素a水平；但与富营养化水体的氮磷含量高不同，镉是对生物体有害元素。张毅敏等在“细鳞鲴、三角帆蚌、铜锈环棱螺、菖蒲协同控制铜绿微囊藻及水质净化方法”[CN201310658764.5]中提到利用细鳞鲴、三角帆蚌、铜锈环棱螺、菖蒲协同控制铜绿微囊藻及净化水质，但此方法涉及到鱼—蚌—草—螺协同，操作较为复杂。李德亮等在“一种有效降低养殖鱼类体内重金属镉含量的养殖方法”[20151102704.6]中提到采用以鱼类和珍珠蚌养殖为主的混合养殖方法，利用三角帆蚌及其它低值蚌类较强的重金属富集能力，减少鱼体富集重金属镉的量，但对水质的净化效果不是很好。

发明内容

针对当前重金属污染灌溉水处理成本高、稳定性差、生态风险高等技术难点，本发明的目的是在于提供了一种利用三角帆蚌净化镉污染灌溉水的生物净化处理方法，净化效率高，容易操作和管理，有效的满足在耕地重金属污染修复中对灌溉水源进行净化处理的需要。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种利用三角帆蚌净化镉污染灌溉水的生物净化处理方法，其步骤是：

1、构建生态塘：选择稻田周边自然分布的池塘,池塘水源充足，排灌方便。对池塘进行扩容、加深、防渗处理，在生态塘的底部铺设防渗土工布，对生态塘的岸坡做护坡处理,生态塘的容积根据地形条件、灌溉面积确定，水深1.5-2.5米；用毛竹或木桩在生态塘两岸边打桩，每间隔1.5-2.0米沿水面拉上聚乙烯绳。

2、三角帆蚌品种选择：选用“申紫1号”品种。选择外壳完整、无破损、软体部饱满，外套膜肥厚，没有手术植核的1-2龄三角帆蚌。

所述的申紫1号为上海海洋大学和金华市浙星珍珠商贸有限公司联合培育的三角帆蚌新品种。

3、装入网袋：用刷子将三角帆蚌的壳表面清洗干净后，放入长条形的网袋中。网袋的孔径2-3cm，每袋间距25-30cm,每袋放入2-3只三角帆蚌。

4、吊挂入生态塘：在每条聚乙烯绳上间隔1.2-1.5m系上塑料空瓶用作浮子。吊养深度在20-40cm，春秋季20cm左右,夏冬季30-40cm。

5.放养密度：根据生态塘的水量确定。每立方米水投放0.1-0.2kg三角帆蚌。

6、水质要求：溶解氧在4.0以上、透明度不低于30厘米。

7、饲喂管理：投放EM菌、小球藻、硅藻等生物肥料改良水质；每隔10－15天施生石灰一次，施用量10千克/亩水面，以消毒杀菌。

所述的EM菌、小球藻、硅藻在市场上购置。根据水体情况，EM菌、小球藻和硅藻轮流单独投放，投放量浓缩型为50mL/667m³或扩培后500mL/667m³水。

8、水力停留时间：灌溉水在生态塘中的停留时间为2-3天。

9、生态塘清淤：定期清除生态塘底部三角帆蚌的排泄物以及泥沙颗粒沉降等形成的淤积物。清理出的淤积物按固废集中处置。三角帆蚌排泄物和灌溉水中的颗粒物沉降形成的淤积物结构不稳定，通过定期清理，可以避免再悬浮造成二次污染。

第1步的主要目的是蓄水和为三角帆蚌提供生长空间，构建的生态塘可为农田灌溉提供达标水源；第2步主要目的是选择滤水能力强、对水体中镉净化效果好的三角帆蚌品种，本发明使用的申紫1号比自然品种净化效果好；第3步和第4步的主要目的是创造有利于三角帆蚌生长和净化的空间，使三角帆蚌均匀分布在水体的上层空间；第5步的主要目的是设置合理的放养密度，本发明的放养密度是根据三角帆蚌的滤水能力和水质状况计算得出，远低于以收获珍珠为目的的养殖密度；第6步和第7步的主要目的是为三角帆蚌生长提供适宜的水体环境以及食物资源，满足三角帆蚌的生长需求；第8步的主要目的是设置三角帆蚌生物净化所必须的时间，根据三角帆蚌的滤水能力和水质状况计算得出；第9步的主要目的是将三角帆蚌的排泄物和水体沉积物等富含重金属的物质清理出生态塘，避免了造成二次的污染。

通过上述九个步骤的技术措施，建立了一种生物净化处理镉污染灌溉水的生物净化处理方法，其中第2步、第5步、第8步和第9步最为关键。第2步解决了自然品种净化能力较低的问题，提高了生物净化的速率和效果；第5步解决了放养密度难题，放养密度太大，投入和维护成本高，密度过低，则达不到净化效果；第8步解决了水力停留时间问题，水力停留时间过长，难以满足灌溉水对水量的需求，水力停留时间过短，则尚未完成净化过程；第9步解决了水体沉积物再悬浮造成的二次污染问题，通过清淤和固废处理，把重金属镉从环境中移除。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

(1)传统的生态塘以水生植物为主要载体，通过水生植物生长吸收水体中的重金属，但植物生长受季节影响比较大，特别是在植物生长不良的冬季，净化效果差。本发明构建了一种以三角帆蚌为生物载体的生态塘，主要利用三角帆蚌的滤食性及对水体强大的过滤能力，降低水体中的镉，三角帆蚌生长活动受季节影响较小，对水体净化具有较好的持续性。

(2)本发明选用的三角帆蚌品种为申紫1号，滤水能力强，对水体的净化速度快，处理两天即可使水体镉含量降低75％以上，高于自然品种(见实施例2)；也高于文献报道，如项黎新等人使用三角帆蚌持续处理重金属污染水体12天，水体镉降低72％[项黎新，邵健忠2002.三角帆蚌对水体Cr,Pb和Cd的净化与吸收.浙江大学学报(理学版):29(5):569-572]。申紫1号是农业农村部2018年审定的水产新品种，因此可知2002年文献研究的三角帆蚌不是该品种。

(3)净化效果非常好：利用本发明所建立的方法对镉浓度为0.47ug/L的灌溉水进行净化处理后，第二天灌溉水中的镉浓度即可下降到0.1ug/L左右，去除效率达到了75％以上。

(4)构建费用低、容易操作和管理。本发明主要通过改造未被充分利用的池塘，因此成本比较低。三角帆蚌的养殖技术比较成熟，因此容易操作和管理。

附图说明

图1为一种利用三角帆蚌净化镉污染灌溉水的结构示意图。

图2为一种重金属污染灌溉水的生态塘净化处理的装置中的三级生态塘俯视示意图。

其中：1－木桩、2－岸坡、3－浮子、4－防渗土工布、5－为三角帆蚌、6－网袋、7－聚乙烯绳、8－进水口、9－出水口。

具体实施方式

下面申请人将结合湖南省长沙县北山镇耕地重金属污染长期定位观测试验中心站进行的利用三角帆蚌处理镉污染灌溉水的实例对本发明方法做进一步的详细说明，目的在于使本领域技术人员对本发明方法有更详尽的理解和认识，以下实施例不应在任何程度上被理解为对本发明请求保护范围的限制。

实施例1：

以下将结合本发明的实施例参照附图进行详细叙述。

一种利用三角帆蚌净化镉污染灌溉水的生物净化处理方法，其步骤是：

(1)构建生态塘：利用原有的池塘构建生态塘。生态塘的面积为1350米左右，水深2.0m左右,生态塘的坡岸采用连锁生态砖进行护坡2，生态塘的底部铺设防渗土工布4。用毛竹或木桩在生态塘两岸边打桩，每间隔1.5或1.8或2.0米沿水面拉上聚乙烯绳7，污染灌溉水从进水口8抽入生态塘，净化后的灌溉水经出水口9排出。

(2)三角帆蚌选择。三角帆蚌取自湖南省岳阳市珍珠工程技术中心(汨罗市营田镇)，品种为申紫1号。外壳无损伤，饱满，未进行手术植核。三角帆蚌为二龄，重量为120-170g。

(3)装入网袋；用刷子将三角帆蚌的壳表面清洗干净后，装入孔径3cm的尼龙网袋6中。每袋装入1只河蚌5。每袋间距为30cm。

(4)吊挂入生态塘：在每条聚乙烯绳7上间隔1.2或1.4或1.5m系上塑料空瓶用作浮子3。吊挂深度为30cm。

(5)放养密度：每平方米水面放养二只三角帆蚌，约0.3kg三角帆蚌/平方米水面或0.15kg三角帆蚌/立方米水体。

(6)溶解氧低于4.0时启动增氧设备，透明度保持在30厘米以上。

(7)饲喂管理：投放EM菌和小球藻(市场购置)作为生物肥料；每隔10或12或14或15天施生石灰一次，施用量10千克/亩水面，以消毒杀菌。EM菌和小球藻在市场上购置。先投放EM菌，第二天投放小球藻，投放量为50mL/667m³水(浓缩型)。

(8)水力停留时间：灌溉水在生态塘中的停留时间为3天。

(9)生态塘清淤：每季度对生态塘底部进行一次清淤。清理出的淤积物按固废集中处置。

表1.三角帆蚌对污染灌溉水中镉的净化效果

	处理前	第1天	第2天	第3天
					镉含量(ug/L)	0.1778±0.0432	0.0576±0.0311	0.0431±0.0416	0.0441±0.0169
累计去除率(％)	—	67.59％	75.76％	75.20％

由表1可见，三角帆蚌对灌溉水中镉的去除效果良好。第一天镉浓度由0.1778下降到了0.0576ug/L，对灌溉水中镉的去除率达67.59％；第二天镉浓度下降到了0.0431ug/L，去除率达到了75.76％。由于第二天时灌溉水中的镉浓度已经非常低(<0.05ug/L)，此后没有进一步下降。

实施例2：

一种利用三角帆蚌净化镉污染灌溉水的生物净化处理(一种利用三角帆蚌净化重金属污染灌溉水的方法)，其步骤是：

(1)设置净化水箱。将六个容积为400L的塑料水箱放入试验大棚中。大棚顶部为聚乙烯阳光板，四周为铁丝网，自然通风。从北山镇欧塘村污染灌溉水源头取水注满水箱。试验分申紫1号(2龄蚌)和自然品种(取自于自然水域)两个组，三个平行，随机排列。

(2)三角帆蚌选择。申紫1号取自湖南省岳阳市珍珠工程技术中心(汨罗市营田镇)，自然品种取自升金湖上湖浅水区域。外壳无损伤，饱满，未进行手术植核。蚌的重量为140或150或160或170g。

(3)装入网袋；用刷子将三角帆蚌的壳表面清洗干净后，装入孔径3cm的尼龙网袋中。每袋装入一只三角帆蚌。

(4)吊放入水箱。每个水箱中投放二只三角帆蚌，约300g。吊挂深度约为30cm。

(5)水质管理：每天上午和下午利用小型增氧泵充氧1小时。每天上午取水样带回实验室，使用ICP-MS分析水体镉含量。

经三角帆蚌处理后水体的镉含量变化见表1.

表2.三角帆蚌对灌溉水中镉的净化效果

	处理前(ug/L)	第1天(ug/L)	第2天(ug/L)	第3天(ug/L)	第4天(ug/L)
						申紫1号	0.4705±0.2061	0.2523±0.0263	0.0964±0.0159	0.0997±0.0131	0.0921±0.0037
累计去除率	—	46.29％	79.51％	78.81％	80.43％
						自然品种	0.4705±0.2061	0.2787±0.0352	0.1047±0.0574	0.1176±0.0131	0.0979±0.0066
累计去除率	—	40.75％	77.74％	75.00％	79.20％

由表1可见，三角帆蚌对灌溉水中镉的去除效果良好。其中，申紫1号组在第一天镉浓度由0.4705ug/L下降到了0.2523ug/L，对灌溉水中镉的去除率达46.29％；第二天镉浓度下降到了0.0964ug/L，去除率达到了79.51％。由于第二天时灌溉水中的镉浓度已经非常低(<0.1ug/L)，此后没有进一步下降。自然品种组在第一天镉浓度从0.4705ug/L下降到了0.2787ug/L，对灌溉水中镉的去除率达40.75％；第二天镉浓度下降到了0.1047ug/L，去除率达到了77.4％；第三天时镉浓度略有上升，去除率为75％。由此可见，尽管申紫1号和自然品种的三角帆蚌均对水体中镉具有较好的净化效果，但申紫1号品种比自然品种的净化速度更快，对水体中镉的去除效果更好。

Claims (2)

1.一种利用三角帆蚌净化镉污染灌溉水的生物净化处理方法，其步骤是：

1)、构建生态塘：选择稻田周边自然分布的池塘,对池塘进行扩容、加深、防渗处理，在生态塘的底部铺设防渗土工布，对生态塘的岸坡做护坡处理,生态塘的容积根据地形条件、灌溉面积确定，水深1.5-2.5米，用毛竹或木桩在生态塘两岸边打桩，每间隔1.5-2.0米沿水面拉上聚乙烯绳；

2)、三角帆蚌品种选择：选用申紫1号品种，选择外壳完整、无破损、软体部饱满，外套膜肥厚，没有手术植核的1-2龄三角帆蚌；

3)、装入网袋：用刷子将三角帆蚌的壳表面清洗后，放入长条形的网袋中，网袋的孔径2-3cm，每袋间距25-30cm,每袋放入2-3只三角帆蚌；

4)、吊挂入生态塘：在每条聚乙烯绳上间隔1.2-1.5m系上塑料空瓶用作浮子，吊养深度在20-40cm，春秋季20cm,夏冬季30-40cm；

5)、放养密度：根据生态塘的水量确定，每立方米水投放0.1-0.2kg三角帆蚌；

6)、水质要求：溶解氧在4.0以上、透明度不低于30厘米；

7)、饲喂管理：投放EM菌、小球藻、硅藻生物肥料改良水质，每隔10－15天施生石灰一次，施用量10千克/亩水面，消毒杀菌；

8)、水力停留时间：灌溉水在生态塘中的停留时间为2-3天；

9)、生态塘清淤：定期清除生态塘底部三角帆蚌的排泄物以及泥沙颗粒沉降形成的淤积物，清理出的淤积物按固废集中处置。

2.根据权利要求1所述的一种利用三角帆蚌净化镉污染灌溉水的生物净化处理方法，其特征在于：所述的EM菌、小球藻、硅藻根据水体情况轮流单独投放，投放量浓缩型为50mL/667m³或扩培后500mL/667m³水。

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