CN115159683B - 一种仿真式沉积物团聚体及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿真式沉积物团聚体及其相应的制备方法。所述沉积物团聚体含有粘土颗粒以及植物碎屑，以天然胶体腐殖质作为交联剂，通过注射纳米气泡构筑丰富的内部空间结构，最后冷冻干燥制备仿真式沉积物团聚体，其能够抑制底泥再悬浮，修复受损河湖水生态，改善河湖水环境。

Description

一种仿真式沉积物团聚体及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于环境修复技术领域，具体涉及一种仿真式沉积物团聚体及其制备方法与应用。

背景技术

底质是水体底部表层沉积物质，里面含有湖体90％以上污染物，是湖泊系统中多数植物、微生物和底栖生物的着生地。随着人类对水质环境的破坏，河湖底质结构也遭到了严重的破坏，具体来讲就是当前底质不能适应复杂的水体环境污染现状，例如沉积物内源磷的过量释放、根生植物难以在底质中生长等等，这对水体生态系统有着严重的影响。因此，对湖泊底质环境恶化的诊断、治理和修复一直是湖泊生态系统水生态文明建设中的关键科技难题。

底泥疏浚能从湖体将污染底泥永久性去除，因而被较多的应用于湖泊治理中，如滇池、巢湖、西湖等湖泊陆续开展了底泥疏浚工程。底泥疏浚在底泥治理方面具有较大优势，但是也存在两个主要问题，一是在疏浚过程中必然产生大量的疏浚底泥，并且底泥含水率高，运输困难，氮、磷及有机质含量高，如果不能得到合理的处理又会带来二次污染；二是疏浚后表层底泥环境被破坏，新生表层底泥底质较硬，水生生物难以适应新环境，导致水生生物的种类、丰度及生物量减小。

此外，就是利用底质改良剂进行改良，如专利申请(申请号200510028579.3)公开了一种富营养化湖泊的底质改良剂及其制备方法。该改良剂由红土壤和活性氧化铁、活性氧化铝配制而成。又如专利申请(申请号200710022520.2)公开了一种水产养殖池塘底质改良剂。该改良剂采用过碳酸钠和腐殖土、聚合硫酸铁、凹凸棒土和沸石粉的混合制备而得。但上述方法均采用化学改性方法以及物理化学复合的方法，所使用的化学试剂在一定程度上会对水生态系统产生污染和危害，带来二次污染。

发明内容

1.要解决的问题

针对现有底质生态恢复方法存在成本高、有二次污染、处理效果差等问题，本发明提供一种仿真式沉积物团聚体，同时提供了一种仿真式沉积物团聚体的制备方法。

2.技术方案

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

[1]一种仿真式沉积物团聚体，包括

所述团聚体包括

粘土颗粒；

植物颗粒；

胶体腐殖质；以及

分布于团聚体的孔隙结构；

其中，所述粘土颗粒具有：

大于2000um的粒径、介于250um-2000um的粒径、介于53um-250um的粒径、低于53um的粒径；

所述粘土为层状硅酸盐矿物；

所述层状硅酸盐矿物的层片由硅氧四面体和铝氧八面体构成。

在此需要说明的是，以粘土矿物为基本骨料，以胶体腐殖质作为交联剂，使之与粘土矿物充分混合，形成粒径为10-20cm的粒状的团聚体；

筛选出大于2000um的粒径、介于250um-2000um的粒径、介于53um-250um的粒径、低于53um的粒径的粘土颗粒，尽可能接近的模仿土壤团聚体的真实粒径；

首次考虑将土壤团聚体理念引入到湖泊沉积物的研究领域之中，制备仿真式沉积物团聚体，最终形成的团聚体能促进底泥固、液、气三相相互处于协调状态，促进物质循环，并对河道植物的生长和微生物生长负载有着很大帮助，团聚体作为沉水植物的附着基质，为好氧微生物的生长提供载体，同时抑制底泥的再悬浮，改善河湖水生态。

如在此所述的“植物颗粒”，是指将植物体进行粉碎处理，得到的植物体的碎屑颗粒。作为优选的方案，选择水生植物，进一步优选的选择沉水植物。

[2]进一步地，所述粘土颗粒包括膨润土颗粒以及凹凸棒土颗粒，所述膨润土颗粒以及凹凸棒土颗粒的质量比为(1～1.2)：1；

所述粘土颗粒和植物颗粒的质量比为(4～5.5)：1。

此需要说明的是，所述粘土颗粒和植物颗粒的比例有位关键，以水生植物的碎屑来说，若植物颗粒质量过高会破坏团聚体中大颗粒的比例，影响土壤颗粒的湿涨，减少土壤团聚体中的持水孔隙数量，进而降低土壤团聚体的粘结力；若植物颗粒质量过低，则对于最终所形成的沉积物团聚体来说无法达到作为沉水植物的附着基质以促进沉水植物生长的目的，也无法达到为好氧微生物的生长提供良好载体的目的。

[3]进一步地，所述粒径大于2000um的粘土颗粒、粒径介于250um-2000um的粘土颗粒、粒径介于53um-250um的粘土颗粒、粒径低于53um的粘土颗粒具有大致为(0.8～1.2)：(1.8～2.2)：(1.8～2.2)：(0.8～1.2)的质量比；作为优选方案所述质量比为1：2：2：1。

此需要说明的是，以天然粘土矿物作为基本骨料，并将粘土进行研磨并过筛，使仿真式沉积物团聚体具备一定比例的、四个不同等级粒径的粘土颗粒，能够使仿真式沉积物团聚体内部具有更加合理的孔隙结构，使之具有更加优异的促进底泥固、液、气三相物质循环的能力。

[4]进一步地，所述孔隙结构分布在该团聚体的表面，以及该团聚体的内部；

并且，

所述团聚体且具有孔隙连通形成的中空空间，使得液体和气体能够在孔隙之间流动。

一种仿真式沉积物团聚体制备方法，包括原料：

粘土矿物、水生植物的碎屑、胶体腐殖质；

所述粘土矿物、水生植物的碎屑的质量比为(4～5.5)：1；

所述胶体腐殖质是用量为粘土矿物的3％-8％；

所述粘土矿物为颗粒状，所述颗粒具有不高于2500um的粒径；

所述水生植物的碎屑为颗粒状，所述颗粒具有不高于2000um的粒径。

包括步骤：

1)使所述原料接触、混合，形成团聚混合体；

2)向团聚混合体内注射气泡；

3)冷冻、干燥形成所述仿真式沉积物团聚体。

在此需要说明的是，在粘土混合物中注射纳米气泡，使之塑性，然后冷冻干燥，形成仿真式沉积物团聚体，是决定所制备的沉积物团聚体能够有效应用并实现底泥修复的决定性因素，注射纳米气泡的主要目的是增加团聚体的孔隙并使之均匀分布，容纳水分和空气，同时为微生物活动、植物根系伸展和土壤动物活动提供有利条件。

[1]进一步地，所述粘土矿物为层状硅酸盐矿物，所述层状硅酸盐矿物的层片由硅氧四面体和铝氧八面体构成；

所述水生植物选择沉水植物；尤其以藻类为佳，示意性的如狐尾藻、金鱼藻、苦草等；

所述胶体腐殖质具有胞外聚合物。

如在此所述的“植物颗粒”，是指将植物体进行粉碎处理，得到的植物体的碎屑颗粒。作为优选的方案，选择水生植物，进一步优选的选择沉水植物。在此需要说的是，之所以选择沉水植物，是因为沉水植物很多形状呈丝状(如金鱼藻)。而丝状叶可以大大增加与水的接触面积，使叶子能最大限度地得到水里的光照和二氧化碳。除此之外，沉水植物的固氮方式也与陆生植物不同。而植物碎屑选择沉水植物的原因也在于此。它能使仿真团聚体更快更好地适应底泥沉积物以及水下环境，同时为其他沉水植物的生长和水中微生物的聚集提供有利条件，并提升整体仿真团聚体的固氮、磷钝化的效果。

[2]进一步地，所述1)中，将原料混合，在水存在的条件下进行搅拌，得到粒径为10-20cm的团聚体；

若搅拌的过程中出现结块，则进行研磨得到粒径为10-20cm的团聚体。

[3]进一步地，所述2)中，向团聚混合体内注射气泡的方式为加压溶气法；所述加压溶气法的工作压力保持在48-70MPa，工作温度为10-20℃。

在此需要说的是，所述气泡具体为纳米气泡，所述纳米气泡的注射方式采用加压溶气法，可以利用充压气浮装置进行，所述充压气浮装置由循环泵、工作压力罐和安全泄压阀构成。市面上常见的冲压气浮装置售价为1万～2万。

[4]进一步地，所述3)中，所述冷冻温度为0-5℃；

所述干燥方式优选为真空干燥；所述干燥速度通常为1.5～2mm/h；

所述真空干燥分为两步，第一步是升华除冰，第二步是解吸剩余水分，使之完全干燥，一般干燥24h即可达到目的。

[5]进一步地，所述仿真式沉积物团聚体的密度为2.1-2.5g/cm³。制作完成后放在阴冷室温下测试是否会受到环境湿度、氧气、光照的影响；并且放入水中查看可以沉入水底且不会在水中消融。

以上任一所述仿真式沉积物团聚体的应用，将其应用于生态底泥环境的修复。

3.有益效果

1)本发明提供的仿真式沉积物团聚体，首次考虑将土壤团聚体理念引入到湖泊沉积物的研究领域之中，制备仿真式沉积物团聚体，最终形成的团聚体能促进底泥固、液、气三相相互处于协调状态，促进物质循环，并对河道植物的生长和微生物生长负载有着很大帮助，团聚体作为沉水植物的附着基质，为好氧微生物的生长提供载体，同时抑制底泥的再悬浮，改善河湖水生态。

2)本发明提供的仿真式沉积物团聚体，充分利用天然资源，可以完美融入沉积物群落，不会造成二次污染，使用方便，质量稳定。

3)本发明提供的仿真式沉积物团聚体，能够修复已经受损的生态底泥环境，渗透足够氧气，吸收一定量的磷酸盐等物质，并且可以用于硬质底质生态恢复，为水生植物的生长以及微生物群落的生长负载提供了载体。

4)本发明首次提供了可以适用于硬质底质生态恢复的仿真式沉积物团聚体的制备方法，将具有不同粒径的天然粘土矿物颗粒按一定比例混合并掺杂水生植物碎屑，然后用天然胶体粘土腐殖质作为交联剂，构成团聚体，然后通过注射纳米气泡然后进行塑形，最后冷冻干燥制备仿真式沉积物团聚体。

具体实施方式

以下结合具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备；

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文所使用的术语和/或包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本文中，所述的“不低于”某数值或“不高于”某数值，其范围应理解为包含该数值，比如“某一物质的颗粒粒径不低于2500um”，则应理解为“该物质的颗粒粒径可以为2500um，或高于2500um”。

本文中，所述“研磨”可以为现有的研磨方式，如“干式球磨”或者“湿式球磨”等。本文实施例中采用以下具体研磨方式进行：将粘土矿物颗粒原料、水、钢球以质量比1:1.5:3置于卧式滚筒球磨机中，同时根据具体粘土质量加入一定量的粘土助磨剂，设定转速为36～38r/min，湿磨6小时以上。取出混合物，将其在温度50-80℃的条件下用烘干机烘干。

本文中，不同粒径或者粒径范围的粘土颗粒，可以通过现有可用的方式进行筛分得到。本文实施例中采用小型振筛机配以具有不同孔径的筛网，筛分参数设置为：220次/分，震击次数:150次/分，过筛时间30min。当然，为了具有更好的筛分效果，所述粘土颗粒进行筛分之前也可以先进行“研磨”处理。

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

本实施例提供了一种仿真式沉积物团聚体，具有约10cm大小的粒径，为球体，偏向于不规则球体；

所述团聚体具有天然粘土矿物膨润土、凹凸棒土、水生植物金鱼藻的碎屑颗粒和天然胶体EPS粘土腐殖质；

其中，天然粘土矿物膨润土和凹凸棒土质量比为1：1；

粘土矿物混合物总质量与水生植物金鱼藻的碎屑颗粒的质量比为5：1；

天然胶体EPS粘土腐殖质为粘土矿物混合物总质量的5％；

所述团聚体的表面，以及该团聚体的内部，分布有孔隙结构；并且，所述团聚体且具有孔隙连通形成的中空空间，使得液体和气体能够在孔隙之间流动。

本实施例的仿真式沉积物团聚体制备方法，所使用的原料如下：

粘土矿物：膨润土和凹凸棒土，质量比1：1；

对两种粘土矿物按照一般性土壤团聚体粒径大小进行研磨，制备>2000um，250um-2000um，53um-250um，<53um四种不同粒径，并将四种粒径的混合粘土按照1：2：2：1的比例，进行复配并混匀；

水生植物的碎屑：水生植物金鱼藻的碎屑颗粒，所述颗粒粒径1000um左右。

胶体腐殖质：天然胶体EPS粘土腐殖质；

所述粘土矿物、水生植物的碎屑的质量比为5：1；

所述胶体腐殖质是用量为粘土矿物的5％。

包括步骤：

1)使所述粘土矿物与水生植物金鱼藻的碎屑进行混合，形成混合体；将天然胶体EPS粘土腐殖质作为交联剂，使之与粘土混合物充分混合，形成粒径为10cm的颗粒状的球体或不规则球体为团聚混合体；

若搅拌的过程中出现结块，则进行研磨得到所述团聚体混合体。

2)向团聚混合体内注射纳米气泡，使之塑性；

利用充压气浮装置向团聚混合体内注射气泡，方式为加压溶气法；所述加压溶气法的工作压力保持在65MPa，工作温度为15℃；

所述充压气浮装置由循环泵、工作压力罐和安全泄压阀构成；

3)冷冻、干燥24h，形成所述仿真式沉积物团聚体，所述团聚体的密度为2.1-2.5g/cm³。

将所制备得到的仿真式沉积物团聚体放入水体污染严重的湖泊中，该湖泊湖岸线138.6公里，湖泊水域面积为796.1平方公里，水深1.9m，选择具体区域为集中生长金鱼藻的底泥区域，为其提供硬质底质的生长环境。间隔一个月后拍照、取样，对比水生植物生长状况、微生物群落生长状况、水中磷等元素物质的变化。具体变化见下表1。

表1修复前后对照

实施例2

本实施例提供了一种仿真式沉积物团聚体，具有约20cm大小的粒径，为球体，偏向于不规则球体；

所述团聚体具有天然粘土矿物膨润土、凹凸棒土、水生植物金鱼藻的碎屑颗粒和天然胶体EPS粘土腐殖质；

其中，天然粘土矿物膨润土和凹凸棒土质量比为1：1；

粘土矿物混合物总质量与水生植物金鱼藻的碎屑颗粒的质量比为4.5：1；

天然胶体EPS粘土腐殖质为粘土矿物混合物总质量的8％；

所述团聚体的表面，以及该团聚体的内部，分布有孔隙结构；并且，所述团聚体且具有孔隙连通形成的中空空间，使得液体和气体能够在孔隙之间流动。

本实施例的仿真式沉积物团聚体制备方法，所使用的原料如下：

粘土矿物：膨润土和凹凸棒土，质量比1：1；

对两种粘土矿物按照一般性土壤团聚体粒径大小进行研磨，制备>2000um，250um-2000um，53um-250um，<53um四种不同粒径，并将四种粒径的混合粘土按照1：2：2：1的比例，进行复配并混匀；

水生植物的碎屑：水生植物金鱼藻的碎屑颗粒，所述颗粒粒径1500um左右。

胶体腐殖质：天然胶体EPS粘土腐殖质；

所述粘土矿物、水生植物的碎屑的质量比为5：1；

所述胶体腐殖质是用量为粘土矿物的8％。

包括步骤：

1)使所述粘土矿物与水生植物金鱼藻的碎屑进行混合，形成混合体；将天然胶体EPS粘土腐殖质作为交联剂，使之与粘土混合物充分混合，形成粒径为20cm的颗粒状的球体或不规则球体为团聚混合体；

若搅拌的过程中出现结块，则进行研磨得到所述团聚体混合体。

2)向团聚混合体内注射纳米气泡，使之塑性；

利用充压气浮装置向团聚混合体内注射气泡，方式为加压溶气法；所述加压溶气法的工作压力保持在58MPa，工作温度为20℃；

所述充压气浮装置由循环泵、工作压力罐和安全泄压阀构成；

3)冷冻、干燥16h，形成所述仿真式沉积物团聚体，所述团聚体的密度为2.1-2.5g/cm³。

将其放入水体污染严重的河道中，该河道长1020m，宽9m，水深2.2m，选择具体区域为集中生长苦草、周围水流稍急的底泥区域，为其提供硬质底质的生长环境。间隔两个星期后拍照、取样，对比水生植物生长状况、微生物群落生长状况、水中磷等元素物质的变化，参见下表2。

表2修复前后对照

实施例3

本实施例提供了一种仿真式沉积物团聚体，具有约15cm大小的粒径，为球体，偏向于不规则球体；

所述团聚体具有天然粘土矿物膨润土、凹凸棒土、水生植物金鱼藻的碎屑颗粒和天然胶体EPS粘土腐殖质；

其中，天然粘土矿物膨润土和凹凸棒土质量比为1：1；

粘土矿物混合物总质量与水生植物金鱼藻的碎屑颗粒的质量比为5.5：1；

天然胶体EPS粘土腐殖质为粘土矿物混合物总质量的5％；

所述团聚体的表面，以及该团聚体的内部，分布有孔隙结构；并且，所述团聚体且具有孔隙连通形成的中空空间，使得液体和气体能够在孔隙之间流动。

本实施例的仿真式沉积物团聚体制备方法，所使用的原料如下：

粘土矿物：膨润土和凹凸棒土，质量比1：1；

对两种粘土矿物按照一般性土壤团聚体粒径大小进行研磨，制备>2000um，250um-2000um，53um-250um，<53um四种不同粒径，并将四种粒径的混合粘土按照1：2：2：1的比例，进行复配并混匀；

水生植物的碎屑：水生植物金鱼藻的碎屑颗粒，所述颗粒粒径1800um左右。

胶体腐殖质：天然胶体EPS粘土腐殖质；

所述粘土矿物、水生植物的碎屑的质量比为5：1；

所述胶体腐殖质是用量为粘土矿物的5％。

包括步骤：

1)使所述粘土矿物与水生植物金鱼藻的碎屑进行混合，形成混合体；将天然胶体EPS粘土腐殖质作为交联剂，使之与粘土混合物充分混合，形成粒径为15cm的颗粒状的球体或不规则球体为团聚混合体；

若搅拌的过程中出现结块，则进行研磨得到所述团聚体混合体。

2)向团聚混合体内注射纳米气泡，使之塑性；

利用充压气浮装置向团聚混合体内注射气泡，方式为加压溶气法；所述加压溶气法的工作压力保持在68MPa，工作温度为18℃；

所述充压气浮装置由循环泵、工作压力罐和安全泄压阀构成；

3)冷冻、干燥24h，形成所述仿真式沉积物团聚体，所述团聚体的密度为2.1-2.5g/cm³。

将其放入水体污染严重的清淤河道中，该河道长750m，宽6m，水深1.6m，选择具体区域为集中生长水葫芦的底泥区域，为其提供硬质底质的生长环境。间隔一个月后拍照、取样，对比水生植物生长状况、微生物群落生长状况、水中磷等元素物质的变化，参见下表3。

表3修复前后对照

对比例1

本对比例基本同实施例1，区别之处仅在于，制备步骤中，不进行步骤2)“向团聚混合体内注射纳米气泡”，其余同实施例1；

取本对比例制备得到的仿真式沉积物团聚体，同样应用到水体污染严重的湖泊中，该湖泊的情形同实施例1对比，结果如下表4。

表4修复前后对照

对比例2

本对比例基本同实施例1，区别之处仅在于制备原料中不添加水生植物的碎屑；其余同实施例1；

取本对比例制备得到的仿真式沉积物团聚体，同样应用到水体污染严重的湖泊中，该湖泊的情形同实施例1对比，结果如下表5。

表5修复前后对照

本发明的实质特点和显著效果可以从下述的实施例中得以体现，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，因此，它们并不对本发明作任何限制，本领域的技术人员根据本发明的内容做出一些非本质的改进和调整，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种仿真式沉积物团聚体，其特征在于，所述团聚体包括

粘土颗粒；

植物颗粒，所述植物包括水生植物；

胶体腐殖质；以及

孔隙结构，所述孔隙结构分布于团聚体；

所述团聚体的密度为2.1-2.5g/cm³；

其中，所述粘土颗粒具有：

大于2000um的粒径、介于250um-2000um的粒径、介于53um-250um的粒径、低于53um的粒径；

所述粘土为层状硅酸盐矿物；

所述层状硅酸盐矿物的层片由硅氧四面体和铝氧八面体构成。

2.根据权利要求1所述的仿真式沉积物团聚体，其特征在于，

所述粘土颗粒包括膨润土颗粒以及凹凸棒土颗粒，膨润土颗粒与凹凸棒土颗粒的质量比为（1~1.2）：1；

所述粘土颗粒和植物颗粒的质量比为（4~5.5）：1。

3.根据权利要求1所述的仿真式沉积物团聚体其特征在于，

所述粒径大于2000um的粘土颗粒、粒径介于250um-2000um的粘土颗粒、粒径介于53um-250um的粘土颗粒、粒径低于53um的粘土颗粒具有（0.8~1.2）：（1.8~2.2）：（1.8~2.2）：（0.8~1.2）的质量比。

4.根据权利要求1-3任一所述的仿真式沉积物团聚体其特征在于，

所述孔隙结构分布在该团聚体的表面，以及该团聚体的内部；

并且，

所述团聚体具有孔隙连通形成的中空空间，使得液体和气体能够在团聚体之间流动。

5.一种如权利要求1-4任一所述的仿真式沉积物团聚体的制备方法，其特征在于，

包括原料：

粘土矿物、植物颗粒、胶体腐殖质；

所述粘土矿物、植物颗粒的质量比为（4~5.5）：1；

所述胶体腐殖质是用量为粘土矿物的3%-8%；

所述粘土矿物为颗粒状，所述颗粒具有不高于2500um的粒径；

所述植物颗粒具有不高于2000um的粒径；

包括步骤：

1）使所述原料接触、混合，形成团聚混合体；

2）向团聚混合体内注射气泡；

3）冷冻、干燥形成所述仿真式沉积物团聚体。

6.根据权利要求5所述的仿真式沉积物团聚体制备方法，其特征在于，

所述粘土矿物为层状硅酸盐矿物，所述层状硅酸盐矿物的层片由硅氧四面体和铝氧八面体构成；

所述植物颗粒为水生植物颗粒；

所述胶体腐殖质具有胞外聚合物。

7.根据权利要求5所述的仿真式沉积物团聚体制备方法，其特征在于，

1）中，将原料混合，在水存在的条件下进行搅拌，得到粒径为10-20cm的团聚体；

若搅拌的过程中出现结块，则进行研磨得到粒径为10-20cm的团聚体。

8.根据权利要求5所述的仿真式沉积物团聚体制备方法，其特征在于，

2）中，向团聚混合体内注射气泡的方式为加压溶气法；所述加压溶气法的工作压力保持在48-70MPa，工作温度为10-20℃。

9.根据权利要求5所述的仿真式沉积物团聚体制备方法，其特征在于，

3）中，所述冷冻温度为0-5℃；

所述干燥速度通常为（1.5~2）mm/ h。

10.一种如权利要求1-4任一所述仿真式沉积物团聚体或者如权利要求5-9任一所述方法制备得到的仿真式沉积物团聚体的应用，其特征在于，将其应用于生态底泥环境的修复。