CN115650540B - 一种富营养化水体淤泥资源化处理的方法及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种富营养化水体淤泥资源化处理的方法，所述方法通过在包含溶解性和非溶解性氮和磷养分的泥水混合物中添加铁盐作为混凝剂，氢氧化钙作为助凝剂，充分混匀后固液分离，得到沉淀物和上清液；沉淀物经压滤、造粒、烧制得到铁和钙改性的多孔陶粒，利用铁和钙改性的多孔陶粒吸附上清液和压滤过程产生的液体，实现泥水混合物中溶解性养分(氮元素和磷元素)的吸附，得到吸附有氮元素和磷元素的改性多孔陶粒。该改性多孔陶粒的植物适生性好，其吸附的氮元素和磷元素可以供植物吸收利用，从而实现富营养化水体淤泥的资源化处理，为富营养化水体的生态修复提供新的方法。
Description
技术领域
本发明涉及水体生态修复技术领域，具体地，涉及一种富营养化水体淤泥资源化处理的方法及其应用。
背景技术
污水作为现代的主要污染物，对环境造成了极大的影响。常见的污水对环境的污染方式大多为水体富营养化，富营养化水体的淤泥是由死亡的藻类、动植物尸体和泥沙淤积而成，淤泥在厌氧反应过程中释放的氮、磷等养分是恶化水体富营养化程度的重要原因。在自然条件下，随着河流夹带冲积物和水生生物残骸在湖底的不断沉降淤积，湖泊会从贫营养湖过渡为富营养湖，进而演变为沼泽和陆地，这是一种极为缓慢的过程。但由于人类的活动，将大量工业废水和生活污水以及农田径流中的植物养分排入湖泊、水库、河口、海湾等缓流水体后，水生生物特别是藻类将大量繁殖，使生物量的种群种类数量发生改变，破坏了水体的生态平衡。
现有技术（CN201610305696.8）公开了一种基于淤泥固化土的生态护坡方法，包括以下步骤：将待处理的坡面和坡底压实并修缮平整，然后在其上铺设细砂层；将疏浚淤泥与材料A混合搅拌均匀，灌进植生袋；将植生袋沿坡底向坡面多层放置，在最顶层植生袋中种植植物；在坡面下挖出围埂基坑，在基坑中沿边缘铺设模板，将疏浚淤泥与材料B混合搅拌均匀，浇筑进模板中，待混合材料硬化后拆除模板形成硬质围埂，围埂间隔之间形成单元格，在单元格内铺设多孔植生混凝土；在多孔植生混凝土孔隙中填充植生基材，并上覆客土；种植植物，自然养护。该发明的缺点在于：砂石约占富营养化水体淤泥干重的70%，这些砂石中氮、磷等养分的含量非常低，将砂石和富含有机质、氮、磷的泥水混合物一起疏浚打捞，将大幅度降低污泥疏浚打捞的效率。
现有技术（CN201921696381.6）公开了一种淤泥净化处理系统，通过曝气和洒水冲洗，将砂石从淤泥中分离出来，然后采用过滤和生物膜法处理富含有机质、氮和磷的泥水混合物，将养分转化成二氧化碳、水和氮气。这项技术的缺点在于能耗高，造成淤泥中氮和磷等植物营养元素的浪费。
现有技术（CN201710085790.1）公开了一种实现淤泥资源化处置的植生透水混凝土体系及其制备方法，该技术将淤泥筛分并脱水，接着加入渗透性调理剂和流动性调节剂充分混合，填充到多孔混凝土的孔隙中；将淤泥筛分和脱水后加入固化剂和改良剂充分混合后在多孔混凝土的上方播种草种实现对淤泥的资源化处置，所得植生透水混凝土体系可广泛应用于河岸护坡工程、公路护边工程和海绵城市建设工程。这项技术的缺点在于淤泥脱水过程中，溶解在水里的氮、磷等养分，如铵根、磷酸根等将随着水流失，造成二次污染；淤泥的使用面窄，消纳淤泥的能力有限。
因此，目前急需一种可以资源化利用富营养化水体淤泥养分的方法，在资源化处理淤泥的同时不会造成二次污染。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的上述不足，提供一种富营养化水体淤泥资源化处理的方法及其应用。
本发明的第一目的是提供一种富营养化水体淤泥资源化处理的方法。
本发明的第二目的是提供上述方法在富营养化水体治理中的应用。
本发明的第三目的是提供上述方法在富营养化水体淤泥中的氮元素和磷元素的提取中的应用。
为了实现上述目的，本发明是通过以下方案予以实现的：
一种富营养化水体淤泥资源化处理的方法，包括以下步骤：
S1.去除富营养化水体淤泥中的砂石，得到泥水混合物；
S2.向步骤S1得到的泥水混合物中添加混凝剂混合均匀得到混合溶液，接着添加助凝剂直到混合溶液的pH为6～8，得到混合溶液A，混凝混合溶液A，固液分离，得到沉淀物和上清液；所述泥水混合物和混凝剂的质量比为1000：0.5～1；
所述混凝剂为铁盐，所述助凝剂为pH值调整剂；
S3.选取步骤S2得到的沉淀物，将沉淀物压滤，得到上清液1和固体物，将固体物进行造粒和烧制，得到改性多孔陶粒，将上清液1和步骤S2得到的上清液混合得到混合液B；
S4.将步骤S3得到的改性多孔陶粒加入步骤S3得到的混合液B中，充分吸附后去除吸附有氮和磷的改性多孔陶粒。
优选地，步骤S1所述泥水混合物为包含溶解性和非溶解性养分（氮元素和磷元素）的泥水混合物。
优选地，步骤S1所述得到泥水混合物的具体方法为：将富营养化的水体淤泥和水加入曝气沉砂池中，按照富营养化的水体淤泥、水和曝气量的体积比为1：15～25：20～40进行曝气，保持3～5 min。
更优选地，所述富营养化的水体淤泥、水和曝气量的体积比为1：20：30。
优选地，步骤S2中所述混凝剂为氯化铁、聚合氯化铁和/或硫酸铁。
更优选地，步骤S2中所述混凝剂为氯化铁。
优选地，步骤S2中所述助凝剂为氧化钙和/或氢氧化钙。
更优选地，步骤S2中所述助凝剂为氢氧化钙。
优选地，所述改性多孔陶粒为铁和钙改性的多孔陶粒。
本发明还请求保护上述改性多孔陶粒在富营养化水体资源化处理中的应用。
本发明还请求保护上述吸附有氮和磷的改性多孔陶粒在制备植物培养基质中的应用。
本发明还请求保护上述任一所述的方法在富营养化水体资源化处理中的应用。
本发明还请求保护上述任一所述的方法在富营养化水体淤泥中的氮元素和磷元素的提取中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种富营养化水体淤泥资源化处理的方法，所述方法是将富营养化的水体淤泥和水加入曝气沉砂池中，按照富营养化的水体淤泥、水和曝气量的体积比为1：15～25：20～40进行曝气，淘洗富营养化水体淤泥，提取富含氮、磷等营养盐的泥水混合物。通过在泥水混合物中添加混凝剂（铁盐），并添加助凝剂（pH值调整剂）调节其pH为6～8，实现固液分离，泥水混合物中不可溶的氮、磷等营养盐聚集在沉淀物中，将得到的沉淀物经过压滤、造粒和烧制，得到改性多孔陶粒。
改性多孔陶粒用于吸附上清液（泥水混合物固液分离过程得到的）和压滤液（沉淀物压滤产生）中溶解的氮、磷等营养元素，从而实现富营养化水体淤泥中非溶解性和溶解性的氮和磷等营养元素的充分提取。改性多孔陶粒集富营养化水体淤泥中非溶解性和溶解性的养分于一体，植物适生性好，其吸附的氮、磷等营养元素可以供植物吸收利用，从而实现富营养化水体淤泥的资源化处理，为富营养化水体的污染防治提供新的方法。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作出进一步地详细阐述，所述实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。下述实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径得到的试剂和材料。
实施例1 一种富营养化水体淤泥资源化处理的方法
1、实验方法
（1）淤泥中氮磷等营养元素的提取：疏浚淤泥（富营养化水体的淤泥）与水（也可以选用泥水混合物分离后的上清液）按体积比1：20的比例输入曝气沉砂池，通过空气曝气充分淘洗3-5min，水和空气的体积比例控制1：30，去除疏浚淤泥中的砂石，得到富含氮、磷等营养元素的泥水混合物。
（2）混凝并澄清步骤（1）得到的泥水混合物：按照每立方米泥水混合物（即1000kg泥水混合物）添加0.5～1kg的混凝剂（氯化铁）得到混合液，然后选择氢氧化钙作为助凝剂，添加助凝剂至混合液pH=7，固液分离得到包含不溶解性氮、磷等营养盐的沉淀物以及包含溶解性氮、磷等营养盐的上清液。
（3）改性多孔陶粒的制备：将步骤（2）得到的包含不溶解性氮、磷等营养盐的沉淀物进行压滤，控制沉淀物的含水率达到70～80%，固液分离得到压滤液和压滤产物；将压滤产物通过造粒机造粒，控制粒径大小为1～2 cm，得到造粒产物；将造粒产物烘干后，至于800～1000℃下烧制4～8 h，得到铁和钙改性的多孔陶粒。
（4）将步骤（3）得到的压滤液和步骤（2）得到的包含溶解性氮、磷等营养盐的上清液混合得到混合溶液，并向其中加入步骤（3）得到的铁和钙改性的多孔陶粒，充分吸附后，固液分离，得到富含氮、磷等营养元素的改性多孔陶粒和澄清液。
澄清液中的氮、磷等营养元素含量低，可用于步骤（1）中与疏浚淤泥的混合；富含氮、磷等营养元素的改性多孔陶粒可作为富营养化水体周边水陆过渡带的植物生长基质。
2、实验结果
（1）检测发现富营养化水体淤泥的含水率超过85%，粒径大于1mm的砂石的质量超过淤泥干重的70%。淤泥与水按体积比1：20的比例进入曝气沉砂池，通过空气曝气淘洗3-5min，曝气强度控制在水和空气的体积比例1：30，经过曝气沉砂池砂斗出来的砂石，有机质、氮、磷等营养元素的含量小于质量比的5%，可以有效解决淤泥厌氧分解释放氮磷的营养元素的分离问题。
（2）按照每立方米泥水混合物添加0.5～1kg的氯化铁作为混凝剂，然后添加氢氧化钙作为助凝剂，将添加了混凝剂和助凝剂的泥水混合物的pH调节至pH=7，固液分离得到沉淀物的含水率在85%、上清液SS的含量小于100mg/L，上清液的浑浊程度较小。
（3）使用铁和钙改性的多孔陶粒吸附处理混合溶液后，经过过滤和吸附处理后的混合溶液中氨氮含量低于1 mg/L，总磷含量低于0.2 mg/L，铁和钙改性的多孔陶粒的氨氮的纳污负荷控制在6～10 kg/m3，总磷的纳污负荷在1～2 kg/m3。
实验结果说明：本实施例所述方法可以有效地提取富营养化水体的淤泥中的氮元素和磷元素，采用氯化铁作为混凝剂，氢氧化钙作为助凝剂，淤泥中非溶解性的氮元素和磷元素经过混凝淘洗后形成沉淀物制备得到改性多孔陶粒。将多孔陶粒加入剩余的液体（上清液和压滤液）中，改性多孔陶粒可以有效地吸附液体中溶解性的氮元素和磷元素，从而实现对富营养化水体的淤泥的氮元素和磷元素的充分提取。
且吸附有氮元素和磷元素的多孔陶粒的适生性好，其上吸附的氮元素和磷元素可以供植物吸收利用，从而实现富营养化水体淤泥的资源化处理。
实施例2 一种富营养化水体淤泥资源化处理的方法
1、实验方法
本实施例所述方法与实施例1所述方法的区别在于：步骤（1）中疏浚淤泥、水和空气的体积比不同；步骤（2）中添加助凝剂至混合液pH=6，其余方法均相同，制备得到铁和钙改性的多孔陶粒1用于富营养水体淤泥的资源化处理。
2、实验结果
使用铁和钙改性的多孔陶粒1吸附处理混合溶液后，经过过滤和吸附处理后的混合溶液中氨氮含量低于1 mg/L，总磷含量低于0.2 mg/L，铁和钙改性的多孔陶粒1的氨氮的纳污负荷控制在6～10 kg/m3，总磷的纳污负荷在1～2 kg/m3。
实施例3 一种富营养化水体淤泥资源化处理的方法
1、实验方法
本实施例所述方法与实施例1所述方法的区别在于：步骤（1）中疏浚淤泥、水和空气的体积比不同；步骤（2）中添加助凝剂至混合液pH=8，其余方法均相同，制备得到铁和钙改性的多孔陶粒2用于富营养水体淤泥的资源化处理。
2、实验结果
使用铁和钙改性的多孔陶粒2吸附处理混合溶液后，经过过滤和吸附处理后的混合溶液中氨氮含量低于1 mg/L，总磷含量低于0.2 mg/L，铁和钙改性的多孔陶粒2的氨氮的纳污负荷控制在6～10 kg/m3，总磷的纳污负荷在1～2 kg/m3。
实施例4 一种富营养化水体淤泥资源化处理的方法
1、实验方法
（1）淤泥中氮磷等营养元素的提取：疏浚淤泥（富营养化水体的淤泥）与水（也可以选用泥水混合物分离后的上清液）按体积比1：20的比例输入曝气沉砂池，通过空气曝气充分淘洗3-5min，水和空气的体积比例控制1：30，去除疏浚淤泥中的砂石，得到富含氮、磷等营养元素的泥水混合物。
（2）混凝并澄清步骤（1）得到的泥水混合物：按照每立方米泥水混合物（即1000kg泥水混合物）添加2 kg的混凝剂（氯化铁）得到混合液1，然后选择氢氧化钙作为助凝剂，添加助凝剂至其pH=7，固液分离得到包含不溶解性氮、磷等营养盐的沉淀物以及包含溶解性氮、磷等营养盐的上清液1。
（3）改性多孔陶粒的制备：将步骤（2）得到的包含不溶解性氮、磷等营养盐的沉淀物进行压滤，控制沉淀物的含水率达到70～80%，固液分离得到压滤液和压滤产物；将压滤产物通过造粒机造粒，控制粒径大小为1～2 cm，得到造粒产物；将造粒产物烘干后，至于800～1000℃下烧制4～8 h，得到铁和钙改性的多孔陶粒3。
（4）将步骤（3）得到的压滤液和步骤（2）得到的包含溶解性氮、磷等营养盐的上清液混合得到混合溶液1，并向其中加入步骤（3）得到的铁和钙改性的多孔陶粒3，充分吸附后，固液分离，得到富含氮、磷等营养元素的改性多孔陶粒3和澄清液。
2、实验结果
使用铁和钙改性的多孔陶粒3吸附处理混合溶液1（氨氮浓度为6 mg/L，总磷浓度为1 mg/L），经过过滤和吸附处理后的混合溶液1中氨氮含量高于1 mg/L，总磷含量高于0.2mg/L，改性多孔陶粒3的氨氮的纳污负荷6～10 kg/m3、总磷的纳污负荷1～2 kg/m3。
增加混凝剂（氯化铁）的加入量，混合液1的pH更小，需要同时增加更多的助凝剂至混合液1的pH=6，制备得到的铁和钙改性的多孔陶粒4仍可以用于氮、磷等营养元素的吸附（即富营养化水体的资源化处理），陶粒中铁元素和钙元素的比重增加，孔隙率降低，氮、磷等营养元素的吸附容量减少，富营养化水体的资源化处理效率有所降低，植物的适生性下降。
实施例5 一种富营养化水体淤泥资源化处理的方法
1、实验方法
实施例5所述实验方法同实施例4所述实验方法的区别在于：混凝剂（氯化铁）的添加量为0.1 kg，其余步骤不变，制备得到铁和钙改性的多孔陶粒4。
2、实验结果
铁和钙改性的多孔陶粒4的纳污负荷小于6 kg/m3，总磷的纳污负荷小于1 kg/m3。
减少混凝剂（氯化铁）的加入量，上清液2的浊度大幅度升高，混合液2的pH更大，需要同时减少助凝剂的添加量，制备得到的铁和钙改性的多孔陶粒4可以用于氮、磷等营养元素的吸附（即富营养化水体的资源化处理），陶粒中铁元素和钙元素的比重减少，氮、磷等营养元素的吸附位点减少，单位体积的陶粒吸附氮磷的总量减少，富营养化水体的资源化处理效率有所降低。
对比例1 一种富营养化水体淤泥处理的方法
1、实验方法
对比例1同实施例1的区别在于：将实施例1中所述混凝剂（氯化铁）更换为氯化铝，将助凝剂（氢氧化钙）更换成氢氧化钠，其余实验步骤不变，得到多孔陶粒。
2、实验结果
多孔陶粒的氨氮的纳污负荷小于6 kg/m3，总磷的纳污负荷小于1 kg/m3。
步骤1制备得到的多孔陶粒用于氮、磷等营养元素的吸附（即富营养化水体的资源化处理），由于氮、磷等营养元素的吸附位点的缺失，单位体积的多孔陶粒吸附氮、磷的总量减少。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明及思路的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种富营养化水体淤泥中的氮元素和磷元素的提取的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.去除富营养化水体淤泥中的砂石，得到泥水混合物；
S2.向步骤S1得到的泥水混合物中添加混凝剂混合均匀得到混合溶液，接着添加助凝剂直到混合溶液的pH为6～8，得到混合溶液A，混凝混合溶液A，固液分离，得到沉淀物和上清液；所述泥水混合物和混凝剂的质量比为1000：0.5～1；
所述混凝剂为氯化铁，所述助凝剂为pH值调整剂，所述助凝剂为氧化钙和/或氢氧化钙；
S3.选取步骤S2得到的沉淀物，将沉淀物压滤，得到上清液1和固体物，将固体物进行造粒和烧制，得到改性多孔陶粒，将上清液1和步骤S2得到的上清液混合得到混合液B；
S4.将步骤S3得到的改性多孔陶粒加入步骤S3得到的混合液B中，充分吸附后去除吸附有氮和磷的改性多孔陶粒。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1所述得到泥水混合物的具体方法为：将富营养化的水体淤泥和水加入曝气沉砂池中，按照富营养化的水体淤泥、水和曝气量的体积比为1：15～25：20～40进行曝气，保持3～5min。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中所述助凝剂为氢氧化钙。
4.权利要求1步骤S4中所述吸附有氮和磷的改性多孔陶粒在制备植物培养基质中的应用。
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