CN116282794A - 一种污染底泥修复方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于污水处理技术领域，具体地，涉及一种污染底泥修复方法。本发明的修复方法包括：调控河道中水位于低水位，所述低水位为水位平均高度为10‑30cm；随后通过在河道上游和下游设置围堰，以调控河道中水位处于低水位，随后向低水位河道中施加硝酸钙，以使硝酸钙溶解于低水位河水中，再对低水位区域的河道底泥进行打孔，静置处理12‑15d后，打开上游和下游围堰，利用低水位河水冲刷底泥3‑4d后，重新闭合上游和下游的围堰；随后向河道中施加过氧化钙，再对低水位区域的河道底泥进行打孔，静置处理10‑12天后，拆除上游和下游围堰，继续保持河道处于低水位运行。

Description

一种污染底泥修复方法
技术领域
本发明属于污水处理技术领域。更具体地，涉及一种污染底泥修复方法。
背景技术
河道污染底泥是影响城镇水系健康和水生态复苏的重要内因。尽管城镇河流的外源截污工程已取得较好成效，然而底泥内源污染问题依然严峻，成为导致城镇水体久治不清的重要原因。目前，城镇河湖黑臭底泥处理技术可以分为异位处理和原位处理两大类。异位处理主要包括底泥疏浚和资源化利用，但存在以下问题：①清淤后底泥脱水处理成本高、还不能解决黑臭问题；②黑臭底泥干化、填埋占用大量土地，易造成二次污染；③对河道生态环境容易造成破坏。原位处理技术可就地解决污泥减量化与无害化问题，常用的处理方法包括原位投加硝酸钙、生石灰、过硫酸钠等。例如，《一种原位注射硝酸钙与生态修复相结合处理黑臭底泥的方法》（申请公布号：CN111470743A）公布了一种船载靶式投药装置向底泥注射硝酸钙溶液的方法。但是，直接投加化学药剂存在3个问题：①投加药剂量大、环境风险高。②由于不能彻底去除有机质和硫酸盐，处理后底泥容易产生“返黑返臭”问题；③药剂成本和人工成本昂贵，施工多依赖大型机械设备，工作量大。目前，仍旧缺少绿色、环保的原位底泥处理技术。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有底泥原位治理技术存在化学药剂投加量高、容易返黑返臭、施工成本高等缺点，提供一种污染底泥修复方法。
本发明的目的是提供一种污染底泥修复方法。
本发明上述目的通过以下技术方案实现：
一种污染底泥修复方法，具体修复步骤包括：
调控河道中水位于低水位，所述低水位为水位平均高度为10-30cm；
随后保持低水位持续运行30d以上。
上述技术方案通过调节河道运行水位，使之在处理过程中保持低水位运行状态，从而以此来改变河道的相关理化指标，例如光照、水温、DO和流速等，具体的，在低水位运行状态下，一方面，可以增加对河道底泥的光照强度，通过光降解和光催化作用，降解底泥中的有机物；另一方面，可以强化氧传递效应，在低水位运行情况下，可以有效促进“气-水”界面和“水-泥”界面的氧传递效率，增加溶解氧浓度，氧传递效率增加可以促进底泥好氧活性层的硝化作用，将氨氮转为为硝酸盐，硝酸盐下渗并触发缺氧活性层碳、氮、硫等元素转化过程，提高多种污染物协同去除效率；再者，可以提升水体温度，在相同光照辐射下，河道水体质量减少，会相应增加水温，从而有利于微生物活动，通过促进泥水界面菌藻共生，稳定的微藻-细菌生物系统对底泥污染物减量化和水质提升起到积极作用，还可以推动高等生态系统重构，逐步形成“底栖动物-沉水植物-挺水植物-昆虫-鸟类”的完整食物链，有助于增加河道生物多样性，最终营建低水位生态系统；另外，低水位运行情况下，水流速度可以增加，从而增强水体紊动强度，有利于底泥中污染物释放、迁移和降解。
进一步的，具体修复步骤还包括：
在所述调控河道中水位处于低水位之后，向河道中施加硝酸钙。
进一步的，所述向河道中施加硝酸钙包括：
通过在河道上游和下游设置围堰，以调控河道中水位处于低水位，随后向低水位河道中施加硝酸钙，以使硝酸钙溶解于低水位河水中，再对低水位区域的河道底泥进行打孔，静置处理12-15d后，打开上游和下游围堰，利用低水位河水冲刷底泥3-4d后，重新闭合上游和下游的围堰。
针对重污染河道底泥，由于溶解氧自身的溶解性和渗透性较差，底泥中N/S比值较低，产生的硝酸盐浓度不足等原因，单纯低水位调控方式处理重污染底泥的效率偏低，因此通过人为强化方式，添加硝酸钙刺激生物反硝化过程，从而强化了低水位调控的处理效率，增加底泥碳、硫去除率。
进一步的，所述打孔包括，控制打孔深度为10-25cm，控制打孔孔径为1-3cm，控制打孔数量为80-100个/m2。
进一步的，所述硝酸钙施加量为3-5kg/m2。
进一步的，具体修复步骤还包括：
待向河道中施加硝酸钙结束后，再向河道中施加过氧化钙。
进一步的，所述向河道中施加过氧化钙包括：
通过在河道上游和下游设置围堰，以调控河道中水位处于低水位，随后向低水位河道中施加硝酸钙，以使硝酸钙溶解于低水位河水中，再对低水位区域的河道底泥进行打孔，静置处理12-15d后，打开上游和下游围堰，利用低水位河水冲刷底泥3-4d后，重新闭合上游和下游的围堰；
随后向河道中施加过氧化钙，再对低水位区域的河道底泥进行打孔，静置处理10-12天后，拆除上游和下游围堰，继续保持河道处于低水位运行。
过氧化钙是是一种难溶于水的氧化剂，在底泥中具有持续泌氧的作用，产生的·OH、H2O2和O2等中间物种能够深度净化反硝化生物处理后残留的难降解有机质。并且，过氧化钙的缓释氧作用能够提升深层底泥中的ORP，有利于好氧硫氧化细菌生长，容易将还原性硫化物氧化为硫酸盐。另外，过氧化钙中的Ca2+与硫酸根离子反应生成硫酸钙沉淀并固定在底泥中，能有效地避免硝酸钙处理后底泥因硝酸盐的浓度降低和硫还原菌的作用下所造成的“返黑返臭”现象。
进一步的，所述过氧化钙的施加量为1-2kg/m2。
进一步的，所述过氧化钙等分为多份，并进行分批次施加；所述分批次施加为分2-3次施加。
上述技术方案通过分批投加，有助于长时间缓释氧化性物质。
附图说明
图1表示污染底泥中光还原Fe(III)耦合有机物转化过程；
图2表示低水位运行下底泥N与Fe、C、S元素污染物之间的交互转化关系；
图3表示“菌藻共生”系统中微生物群落空间分布（a）及物质传递过程（b）；
图4表示车陂涌现场水槽试验底泥碳氮硫污染物浓度变化（a）及去除率（b）；
图5表示车陂涌现场“低水位调控+Ca(NO3)2-CaO2”工艺处理底泥污染物变化：硝酸盐（a）、还原性硫化物（b）和硫酸盐（c）。
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。
请参阅图1至图4，本发明提供一种污染底泥修复方法，具体修复步骤包括：
调控河道中水位于低水位，所述低水位为水位平均高度为10-30cm；
随后保持低水位持续运行30d以上。
上述技术方案通过调节河道运行水位，使之在处理过程中保持低水位运行状态，从而以此来改变河道的相关理化指标，例如光照、水温、DO和流速等，具体的，在低水位运行状态下，一方面，可以增加对河道底泥的光照强度，通过光降解和光催化作用，降解底泥中的有机物；另一方面，可以强化氧传递效应，在低水位运行情况下，可以有效促进“气-水”界面和“水-泥”界面的氧传递效率，增加溶解氧浓度，氧传递效率增加可以促进底泥好氧活性层的硝化作用，将氨氮转为为硝酸盐，硝酸盐下渗并触发缺氧活性层碳、氮、硫等元素转化过程，提高多种污染物协同去除效率；再者，可以提升水体温度，在相同光照辐射下，河道水体质量减少，会相应增加水温，从而有利于微生物活动，通过促进泥水界面菌藻共生，稳定的微藻-细菌生物系统对底泥污染物减量化和水质提升起到积极作用，还可以推动高等生态系统重构，逐步形成“底栖动物-沉水植物-挺水植物-昆虫-鸟类”的完整食物链，有助于增加河道生物多样性，最终营建低水位生态系统；另外，低水位运行情况下，水流速度可以增加，从而增强水体紊动强度，有利于底泥中污染物释放、迁移和降解。
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
实施例1，广州市车陂涌现场水槽试验：单独低水位调控工艺。
从2022年4月开始在广州市天河区车陂涌上游开展低水位泥箱现场试验，用于原位考察低水位对重污染黑臭淤泥的治理效果。
（1）试验装置与方法：试验箱体的长×宽×高=61.0 cm×43.5 cm×34.5 cm，箱内填满来自其他高水位河道未处理的污染底泥，填充体积为72 L。现场在河床上挖槽埋设试验箱，保证试验箱上面开口平面与河床齐平，使河道原有河流水冲刷箱体底泥上部，河流低水位保持10 cm，分别于第1天和第50天取柱状样，测定表层深度5 cm底泥的碳氮硫污染指标，考察底泥修复效果。
（2）现场试验效果：经过50天运行后，利用柱状采样器采集的试验箱底泥上层5 cm明显呈现黄褐色并沙化，底泥污染指标浓度及去除率如图4的（a）所示。表层底泥TN从2600mg/kg下降至1064 mg/kg，TN去除率为59%。表层底泥AVS浓度从1311 mg/kg下降至125 mg/kg，AVS去除率达到90%。另外，表层底泥有机质含量从42.1 g/kg下降至9.9 g/kg，有机质去除率达到76%如图4的（b）所示。数据证明低水位调控对削减底泥污染物含量具有明显作用，为城镇河道水生态修复提供了先决条件。
实施例2，佛山市里水基地中试水槽试验：低水位调控耦合Ca(NO3)2工艺。
（1）试验装置与方法：在佛山市珠江水利科学研究院里水实验基地搭建3套低水位调控中试水槽，运行工况分别为高水位（水深60±2 cm）、低水位（水深10±2 cm）和“低水位调控耦合Ca(NO3)2”。每套水槽长9.4 m，纵向分为3格，依次为进水调蓄池、反应池、出水调蓄池，采用单向进水模式运行，用进水泵控制相同流速0.2 m/s，通过出水口高度控制水位。其中，“低水位调控耦合Ca(NO3)2”工艺是在低水位调控基础上外加硝酸盐并强化底泥处理效率，具体的，通过在河道上游和下游设置围堰，以调控河道中水位处于低水位，随后向低水位河道中施加硝酸钙，以使硝酸钙溶解于低水位河水中，再对低水位区域的河道底泥进行打孔，静置处理12d后，打开上游和下游围堰，利用低水位河水冲刷底泥3d后，重新闭合上游和下游的围堰，所述打孔包括，控制打孔深度为10cm，控制打孔孔径为1cm，控制打孔数量为80个/m2；前期数据表明，在外加5 mg/L NO3 --N条件下即可启动硫自养反硝化过程，并观察到底泥中相应AVS转为为硫酸根离子，说明在自然环境下低浓度硝酸盐即可驱动底泥的反硝化代谢反应。本研究为加强底泥处理效果，课题组在外加200 mg/L NO3 --N下测试底泥原位修复效果。采用佛山市淤泥质黑臭底泥，取样频率为10天/次，试验期90天，分别对水槽纵向0-2 cm、3-4 cm、5-6 cm、7-8 cm、9-10 cm底泥进行采样，测定其底泥碳氮硫污染物指标，观察底泥修复效果。
（2）现场试验效果：高水位调控、低水位调控和“低水位调控耦合Ca(NO3)2”试验组对底泥的处理时间、处理厚度和处理效果存在明显差异。传统高水位调控在第90天处理表层底泥厚度1.6-2.0 cm，有机质、氨氮和AVS去除率分别为20%、81%和83%，整体表现为处理周期长，氧化深度低。低水位调控在第60天AVS去除率达到85%，且处理深度达到3-4 cm。与高水位相比，低水位调控在实现近似AVS去除率目标下，可缩短反应时间大于30天，且处理深度加厚。
“低水位调控耦合Ca(NO3)2”工艺结果表明，在第30天表层底泥处理深度达到4-5cm，处理后底泥有机质、氨氮和AVS去除率分别为29%、80%和86%，明显缩短了底泥修复时间。
三种工况均明显提高了底泥氧化还原电位（ORP），高水位调控、低水位调控、低水位调控耦合Ca(NO3)2试验组分别在第90天、第60天、第30天提升ORP至-55 mV、-53 mV和40mV。
综上所述，低水位调控可以加快底泥中还原性污染物的转化速率，处理深度远大于高水位调控。“低水位调控耦合Ca(NO3)2”工艺可通过人为方式强化反硝化过程，比单独低水位调控处理底泥的时间缩短，并且能够防止一定程度的“返黑返臭”。
实施例3，广州市车陂涌现场试验：低水位运行耦合Ca(NO3)2-CaO2工艺。
（1）试验装置与方法：在广州市天河区车陂涌春岗立交桥下进行现场试验，试验面积为120 m2（长×宽=60 m×2 m），1号池、2号池和3号池分别独立运行，各为40 m2。通过上游小型水库闸门减少河道泄水量，并通过围堰控制试验区上覆水高度为10 cm。1号池采用单独低水位调控方式；2号池采用“低水位调控+Ca(NO3)2”工艺，具体的，通过在河道上游和下游设置围堰，以调控河道中水位处于低水位，随后向低水位河道中施加硝酸钙，以使硝酸钙溶解于低水位河水中，再对低水位区域的河道底泥进行打孔，静置处理12d后，打开上游和下游围堰，利用低水位河水冲刷底泥3d后，重新闭合上游和下游的围堰，所述打孔包括，控制打孔深度为10cm，控制打孔孔径为1cm，控制打孔数量为80个/m2；；3号池采用“低水位调控+Ca(NO3)2-CaO2”工艺，具体的，通过在河道上游和下游设置围堰，以调控河道中水位处于低水位，随后向低水位河道中施加硝酸钙，以使硝酸钙溶解于低水位河水中，再对低水位区域的河道底泥进行打孔，静置处理12d后，打开上游和下游围堰，利用低水位河水冲刷底泥3d后，重新闭合上游和下游的围堰；随后向河道中施加过氧化钙，再对低水位区域的河道底泥进行打孔，静置处理10天后，拆除上游和下游围堰，继续保持河道处于低水位运行。其中，硝酸钙投加量为3.0 kg/m2，过氧化钙投加量为1.5 kg/m2。检测采样为5天/次，共12次，试验期为60天。
（2）现场试验效果：单独低水位调控、“低水位调控+Ca(NO3)2”和“低水位调控+Ca(NO3)2-CaO2”3种工艺对底泥均产生明显效果，对应处理深度分别为5-6 cm、8-12 cm、8-12cm。其中，在60天处理期内，单独低水位调控技术对还原性硫化物（AVS）的处理率为64%，其他两种工艺对AVS去除率达到80%和95%（图5）。Ca(NO3)2组AVS在第15天浓度达到最低值2.0mg/kg，但是第60天以后浓度逐渐上升至9.0 mg/kg，证明在厌氧条件下，单独Ca(NO3)2处理会出现轻度的“返黑”现象。Ca(NO3)2-CaO2添加组第60天AVS浓度最低，AVS浓度为2.0 mg/kg，证明CaO2抑制了返黑。
从图5可以看出，添加Ca(NO3)2后第2天，底泥中硝酸盐浓度达到峰值，在反硝化及稀释作用下第10天硝酸盐浓度基本降低至背景值。同期对应的硫酸盐浓度增加至峰值，证明在底泥中通过硫自养反硝化作用生成了大量硫酸盐。在第10-60天大部分硫酸盐不断从底泥中迁移、释放，硫酸盐浓度逐渐降低。综上所述，“低水位调控+Ca(NO3)2-CaO2”技术处理污泥效果显著，在实际河道中能够起到明显的污染物削减作用，并能够显著抑制硫酸盐还原，防止返黑返臭。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种污染底泥修复方法，其特征在于，具体修复步骤包括：
调控河道中水位于低水位，所述低水位为水位平均高度为10-30cm；
随后保持低水位持续运行30d以上。
2.根据权利要求1所述的一种污染底泥修复方法，其特征在于，具体修复步骤还包括：
在所述调控河道中水位处于低水位之后，向河道中施加硝酸钙。
3.根据权利要求2所述的一种污染底泥修复方法，其特征在于，所述向河道中施加硝酸钙包括：
通过在河道上游和下游设置围堰，以调控河道中水位处于低水位，随后向低水位河道中施加硝酸钙，以使硝酸钙溶解于低水位河水中，再对低水位区域的河道底泥进行打孔，静置处理12-15d后，打开上游和下游围堰，利用低水位河水冲刷底泥3-4d后，重新闭合上游和下游的围堰。
4.根据权利要求3所述的一种污染底泥修复方法，其特征在于，所述打孔包括，控制打孔深度为10-25cm，控制打孔孔径为1-3cm，控制打孔数量为80-100个/m2。
5.根据权利要求2所述的一种污染底泥修复方法，其特征在于，所述硝酸钙施加量为3-5kg/m2。
6.根据权利要求2-3任一项所述的一种污染底泥修复方法，其特征在于，具体修复步骤还包括：
待向河道中施加硝酸钙结束后，再向河道中施加过氧化钙。
7.根据权利要求6所述的一种污染底泥修复方法，其特征在于，所述向河道中施加过氧化钙包括：
通过在河道上游和下游设置围堰，以调控河道中水位处于低水位，随后向低水位河道中施加硝酸钙，以使硝酸钙溶解于低水位河水中，再对低水位区域的河道底泥进行打孔，静置处理12-15d后，打开上游和下游围堰，利用低水位河水冲刷底泥3-4d后，重新闭合上游和下游的围堰；
随后向河道中施加过氧化钙，再对低水位区域的河道底泥进行打孔，静置处理10-12天后，拆除上游和下游围堰，继续保持河道处于低水位运行。
8.根据权利要求7所述的一种污染底泥修复方法，其特征在于，所述过氧化钙的施加量为1-2kg/m2。
9.根据权利要求7所述的一种污染底泥修复方法，其特征在于，所述过氧化钙等分为多份，并进行分批次施加；所述分批次施加为分2-3次施加。
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