CN1769198A - 一种利用黏土凝聚将水华转化为水底植被的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种将清除湖泊水华和恢复水底植被同时执行的、标本兼顾治理水华和湖泊富营养化的强化天然水处理－生态恢复复合治理技术。具体地说，就是将由改性黏土/土壤/沉积物和草种或水草根块按一定方式制备而成的复合材料喷洒于水面，在快速除藻除浊的同时，将草种、根快连同藻华和改性黏土一并转入到水底并使它们相互作用转化成沉水植被。本发明之复合材料可通过一次性机械化喷洒操作同时达到快速清除表层水华、长期将藻细胞固定于底泥、利用凝聚沉降所获得的高透明度将草种，根快，改性黏土和底泥中的藻转化成沉水植物、和治理湖泊底泥二次污染等多种短期，长期的水华－底泥－水体富营养化的连锁治理效果。本发明有效地克服了黏土除藻方法只能去除水体表层藻类，不能防止沉积物和沉藻的泛起和底泥二次污染的问题，并且解决了化学法底泥固磷成本高，生态安全性难以确定和固磷效果不稳定等问题。本发明有效地克服了沉水植物恢复技术中，无法在重度水华的天然水中机械化播种植沉水植物并使之成活的问题。

Description

一种利用黏土凝聚将水华转化为水底植被的方法
技术领域：
本发明涉及一种将清除湖泊水华和恢复水底植被同时执行的、标本兼顾治理水华和湖泊富营养化的强化天然水处理-生态恢复复合治理技术。具体地说，就是将由改性黏土/土壤/沉积物和草种或水草根块按一定方式制备而成的复合材料喷洒于水面，在快速除藻除浊的同时，将草种、根快连同藻华和改性黏土一并转入到水底并使它们相互作用转化成沉水植被。本发明之复合材料可通过一次性机械化喷洒操作同时达到快速清除表层水华、长期将藻细胞固定于底泥、利用凝聚沉降所获得的高透明度将草种，根快，改性黏土和底泥中的藻转化成沉水植物、和治理湖泊底泥二次污染等多种短期，长期的水华-底泥-水体富营养化的连锁治理效果。
背境技术：
湖泊富营养化是一个世界性的环境问题。水华爆发不仅严重破坏了湖泊的生态环境，而且可能引起到人畜饮用水安全危机。已有的湖泊富营养化整治和湖泊恢复措施主要包括：(1)降低外源磷输入；(2)建造人工湿地；(3)饲养或捕获水生动物，进行生物操纵；(4)种植水生植物；(5)提高水位变动幅度等。虽然，治理湖泊富营养化的方法有多种，但是，一般可将其分为物理、化学和生态三类，其中物理方法有切断污染源、滞留池、稀释、提高水位、湖水人工循环、清淤等，这些方法都有一个共同的缺点，就是成本偏高；化学方法有污水除磷、化学方法固磷等，但化学方法效果不太明显，而且容易造成新的污染。采用生态修复的方法是近年来研究最多的、较理想的湖泊富营养化治理技术。其中，水生植被的恢复是提高水体自净能力，改善水环境质量的关键，成为近年来研究的重点。在现已公开的关于富营养化水体的植物修复方法中，有关于水生植被的选择组合方法(CN 1602657A，CN 1590319A)，有关于水生植被的种植方法(CN1480411A)。但是水生植被恢复的前提必要条件是天然水体要有足够的透明度，因为水生植物生长需光照。对于天然水体，透明度为富营养化程度指标之一，水体透明度为0.73-1.30米时属富营养化，0.4-0.73米重富营养化，0.4米以下为严重富营养化。所以在富营养化水体中，大部分的植物修复方法首先要恢富水体的透明度。在现已公开的关于富营养化水体的植物修复方法中，有引入可改善富营养化水体透明度先锋植物的方法(CN1530336A)，有以湿生和挺水植物辅以浮叶和漂浮植物建立生物篱笆，用来改善富营养化水体局部环境的方法(CN 1426966A)，有向水体投加氧化杀藻杀鱼剂改善水质环境的方法(CN 1623935A)，有采用大型浮游动物提高透明度的方法(CN 1597568A)。但是这些方法除了都具有需要很长时间才能显效(数月至数年)、操作极其费时费力(一般只能用人工操作)、耗资巨大等缺陷外，都有一个共同的特点，就是无法在已经重度水华的水体中恢复沉水植物。目前国际上尚未见有既能快速清除水华，又能同时恢复湖泊沉水植物的安全、有效、方便、经济的复合治理技术。
以往关于去除水华的已公开技术可归纳综合为四大类：化学杀灭法，生物克制法，气浮收集法，以及絮凝沉降法。化学杀灭法因化学杀藻剂本身对环境的污染，已被多国环境法所禁用。生物法包括用微生物或病毒杀灭藻细胞。该法因选择性限制、制备周期长、成本高等原因，难以广泛、大规模施用。一种病毒往往只对一个种藻具有专一杀灭活性。由于引起赤潮或水华的藻种繁多，同时也由于赤潮和水华的爆发具有突发性，难以在短期内针对某一藻种培养出大量具有专一杀灭性的病毒。此外，由于藻类对病毒的侵染可产生抗性及免疫性，同一病毒难以对某种藻持续发挥杀灭作用。气浮收集法是一种用容器机械收获藻的办法，难以应用于大面积天然水体污染的清除(耗时、耗钱)。絮凝沉降法包括使用化学絮凝剂及用黏土沉降藻。化学絮凝剂(比如复合聚合铝、铁等)大多数具有毒性，它们干扰了自然状态下的生物群落，破坏了生态平衡，并可能导致水生生物死亡，已被公认为不宜用于天然水体系。到目前为止，国际科学界公认为最有希望的方法为黏土法(Anderson，D.M.，1997 Turning back the harmfulred tide，Nature，388，513-514.)。
在较早的有关黏土除藻的方法中，有用无机酸(硫酸)处理粘土(如蒙脱土)的方法(JP57131119)，有用过氧化氢处理粘土的方法(JP03255008)，有将表面活性剂与粘土混合的方法(JP09154466)，有将不饱和脂肪酸与粘土混合的方法(US6071859)。近年来，在进一步改进提高淡水湖泊黏土除藻技术方面，本发明人(潘纲)提出了一系列新的方法。1999年潘纲提出了一项利用含铁粘土矿物治理赤潮和水华的方法，已于2002年被英国专利局授予专利权(GB 2337749A)。潘纲等又于2001年提出了以一种以含水镁硅酸盐(如海泡石)为主的黏土絮凝除藻技术(01134528.4，已授权)。2002年潘纲等又进一步提出了一种以天然高分子聚合物对黏土进行改性的技术(申请号：02155284.3，已授权)，该技术不仅可将任何当地土壤或沉积物改性成为高效的藻絮凝剂，而且可将黏土投量降低到10毫克/升的情况下仍然达到97％的除藻率，在国际上首次使利用当地土壤治理当地水华成为可能(Pan，G.et al.，Environmental Pollution，2005，连续3篇系列论文)。虽然黏土除藻技术已经有了上述重大的改进，但是以往的粘土除藻技术都有一个共同的缺陷：即沉降到水底的藻类腐烂分解消耗大量的氧可造成水底厌氧，使一些污染物逐渐从底泥中再次释放到水体，造成水华的复发。为了解决这个问题，2003年潘纲等又提出了改性黏土增氧固磷技术，可在黏土凝聚除藻的同时改善水底厌氧环境(申请号：0310113305.5)。2005年潘纲等还提出利用稀土元素(例如，镧、锆等)处理粘土的改性技术，可以使底泥中的磷高效而不可逆地“固化”(不溶解)在改性黏土中。这样即使底泥泛起，经过“固磷”后的沉积物释放溶解磷的能力可被大幅度地降低(申请号：0510063410.1)。虽然上述2个专利申请向黏土凝聚除藻后进一步防止底泥二次污染迈出了新的一步，但它们是用物理化学的方法达到固磷的目的。这种方法在推广使用时还需经过长期的生态安全性考察，同时它们尚没有与生态的方法相结合。
综上所述，在生态恢复技术领域中，尚未见利用水华爆发治理湖泊富营养化的变害为宝的技术，更未见利用黏土凝聚除藻恢复沉水植物的技术。在黏土除藻技术领域中，尚未见任何将该技术(物理化学方法)与生态技术相结合的除藻复合技术，更未见利用沉水植物的同步播种防止藻絮体泛起、底泥厌氧和底泥二次污染的技术。
发明内容：
本发明旨在提供一种以天然、无毒改性黏土快速凝聚除藻除浊，同时播种和恢复水底植被，将水华沉积物固定在水底，并转化为水底植被，最终标本兼顾治理水华和天然水体富营养化的综合技术。在本发明中采用当地廉价，易得的底泥或粘土等经过改性后，可通过除藻除浊，高效增加水体透明度，使黏土复合材料中的草种或根块得以在已经富营养化的湖底发芽和生长。这种改性黏土架桥形成的絮体大，不易破碎，还大大减少了絮凝沉积物的泛起和二次污染。同时改性黏土架桥作用可以改善湖底底质结构，可为水底植被发芽和定植创造更佳的生长条件。本发明的特征在于，用改性黏土与草种或根块制备所得的复合材料，可在黏土凝聚除藻除浊的同时，播种和种植水底植被。即在快速除藻除浊，大大增加富营养化水体透明度的基础上，使播种的水底植被成活，通过水底植被的发芽和生长，最终将水华转化为水底植被。本发明由于恢复了水底植被的生长，水底植被的根系和生命活动大大改善了湖地沉积物的结构和改变了沉积物界面的性质，改善水质，更有利于富营养化水体的生态恢复。也就是说，本发明通过先快速去除水华，接着使播种的水草成活最终通过生态恢复，彻底地去除水华，固磷固氮，标本兼顾地治理了天然水体富营养化。
本发明有效地克服了黏土除藻方法只能去除水体表层藻类，不能防止沉积物和沉藻的泛起和底泥二次污染的问题，并且解决了化学法底泥固磷成本高，生态安全性难以确定和固磷效果不稳定等问题。本发明有效地克服了沉水植物恢复技术中，无法在重度水华的天然水中机械化播种植沉水植物并使之成活的问题。本发明可用于综合治理富营养化导致的大面积海水赤潮、淡水水华，也适用于河道治理。
具体地说，本发明提供的将清除湖泊水华和恢复水底植被同时执行并标本兼顾治理水华和湖泊富营养化的强化天然水处理-生态恢复复合治理技术，是用改性黏土或土壤/沉积物与草种根块等经一定的处理制成复合材料；将改复合材料喷洒到水面可达到快速凝聚除藻除浊，同时播撒和种植水底植被，最终将水华转化为水底植被的效果。本发明具有以下特征：
1、本发明提出的可快速清除水华并将藻华在水底转化为沉水植被的复合材料以及标本兼顾治理水华和湖泊富营养化的强化天然水处理-生态恢复复合治理技术，其特征在于它提出一种可快速清除水华并将藻华在水底转化为沉水植被的复合材料，这种复合材料是由两类功能材料(即改性黏土类和水生植物种子或根块类物质)按一定的处理方法制备而成的。
2、本发明提出的可快速清除水华并将藻华在水底转化为沉水植被的复合材料以及标本兼顾治理水华和湖泊富营养化的强化天然水处理-生态恢复复合治理技术，其特征在于它含有对黏土进行改性的成分，其中黏土改性指对各种黏土、沉积物或当地土壤的改性包括对其进行架桥网捕性能、除磷脱氮，去除腐殖酸等有机物的处理；包括用不会对环境造成二次污染的，天然的，无毒、易于生物降解的高分子聚合物改性处理各种黏土、沉积物或当地土壤；加入能与磷起反应的增氧固磷剂。
1)上述的复合材料中的增氧固磷剂为过氧化物，过碳酸盐或其它高含氧的化合物。增氧固磷剂与底泥的比例可视具体情况而定，比例范围为1∶1～0∶100。
2)上述的复合材料中的天然高分子聚合物可为壳聚糖及其衍生物、甲壳素及其衍生物等。天然高分子聚合物与底泥的比例可视具体情况而定，比例范围为1∶5～0∶100。
3)上述的复合材料中的氧缓释剂可为过氧化钙、过碳酸钙、过氧化镁、过碳酸钠和沸石的混合物中的一种或几种混合。氧缓释剂与底泥的比例可视具体情况而定，比例范围为1∶1～0∶100。
4)本发明提供的综合治理富营养化和藻华的方法，改性黏土的用量可视被处理海水和淡水的营养化和藻华程度的情况而定，但最好不少于0.001g/l。在通常治理海水赤潮及淡水水华中，当使用本发明的藻絮凝剂的用量为0.001-0.1g/l时，其藻细胞去除率可达88～99％，水底的氧浓度可提高10～1000倍，水体中磷的浓度可减少50～80％。
例如，当铜绿微囊藻细胞浓度为5×106cell/ml时，加入0.010g/l按本发明方法处理的底泥，0.5小时后水体中的藻细胞浓度降低了80％，4小时后水体中的藻细胞浓度降低了97％；水底的氧浓度提高了100倍，并在实验监测过程中(8小时)保持此水平；水体中磷的浓度减少了60％。
2、本发明提出的可快速清除水华并将藻华在水底转化为沉水植被的复合材料以及标本兼顾治理水华和湖泊富营养化的强化天然水处理-生态恢复复合治理技术，其特征在于它含有多种适合富营养化水质和适于不同水温不同季节的沉水植物种子或根块、根须等。它们与改性黏土按一定的处理方法混合，在用改性粘土凝聚除藻除浊时，相同时完成沉水植物种子的播种和种芽的生长。
1)上述的沉水植物可为苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻、菹草、轮苞轮藻、马来眼子菜、穗状狐尾藻等各种适合富营养化水质和适于不同水温/不同季节的沉水植物。
2)本发明中的沉水植物种子可包括沉水植物繁殖的种子，苞芽，菱种等所有适于播种的繁殖方式。
3)上述的沉水植物种子的用量，以每亩播种量可为2-25kg。
4)用于上述的复合材料中的沉水植物种子，可以是直接与改性黏土相混合，也可以在设定温度下经过一定时间的浸泡和预发芽处理后，再与改性黏土相混合。
3、本发明提出的可快速清除水华并将藻华在水底转化为沉水植被的复合材料以及标本兼顾治理水华和湖泊富营养化的强化天然水处理-生态恢复复合治理技术，其特征在于所述的复合材料可通过机械的方法泼洒或喷射到湖面或海面，因此除藻除浊和水生植物播种是同时进行的。
4、本发明提出的可快速清除水华并将藻华在水底转化为沉水植被的复合材料以及标本兼顾治理水华和湖泊富营养化的强化天然水处理-生态恢复复合治理技术，其特征在于所播种的沉水植物种芽或根块，是在黏土凝聚除藻除浊的作用下，才得以在水底生长，并在生长的过程中将藻类转化为各种光合作用的产物(包括沉水植被、氧气、和各种污染物存在形态的改变)。
具体实施方式：
实施例1模拟生态系统试验实施例1
本实施例1中所使用的壳聚糖是青岛海生生物工程有限公司生产的工业级壳聚糖，苦草草种，菹草草种和底泥均取自太湖。称取1g壳聚糖，加入1％的HCl溶液100ml，待壳聚糖完全溶解后，加蒸馏水稀释至1L，得1g/l的壳聚糖溶液。在该壳聚糖溶液中，加入10g黏土，混匀后得改性黏土。分别称取100mg苦草和菹草草种，经浸泡、预发芽处理后，和改性黏土按苦草草种：菹草草种(或苞芽)：改性黏土为2∶2∶10比例配制。模拟生态系统为1m3水箱，每个模拟生态系统中均有10cm左右厚的底泥(取自太湖)，水深0.90m，人工光照模拟系统，光照强度166μw/cm2，光照时间∶黑暗时间为14∶12，水温25～27℃，每12h，造浪板人工一次，模拟风浪对底泥泛起的影响。试验所用的培养水是植物立地原位水经300目筛绢过滤后，与自来水按1∶5配得，经过半个月的预备试验观察，两种植物均生长良好，发出新枝叶，表明培养水适合此植物生长。实验在两组(共6个，每组3个)模拟生态系统中进行，其中一组利用改性黏土凝聚除藻除浊，并播种种子，为实验组；另一组仅播种种子，不除藻，为空百组。实验前，对于实验组，在水箱中加入5L已配制好浓度为45.98×106cell/ml，经除氧处理溶解氧浓度为0.135mg/L(25℃)的藻悬液，藻悬液用KH2PO4和Na2HPO4·12H2O溶液配制(pH7.0)，磷浓度为1.0mg/L，测得透明度45cm左右。水体稳定后，以10mg/L(改性黏土计算)的投量，将改性黏土和草种混合液喷撤除藻除浊。同时，对于空白组，先播种与实验组同等量的沉水植物种子，然后加入和实验组同等量的的藻悬液，测得透明度也为45cm左右，空白组不除藻。当实验组除藻后，实验观测开始。对两组水箱逐时在液面下约3cm处取样测定藻细胞浓度，并计算藻细胞去除率。对于实验组，在处理30分钟后，藻去除率已超过80％，经240分钟后藻去除率已超过97％，接近完全去藻。此时，水体透明度远超过1m，pH为7.42，COD为40.2mg/L，溶解氧4.67mg/L，电导率442μS/cm。而空白组没有明显变化。7D，实验组开始发芽。14D，草高1～7cm，有新芽发出。21D，草高27～45cm，有大量新芽发出，3个月后，实验组I、II、III植物生物量湿重分别为1010.4，1178.6和1055.2g，由此可见水生植物成活程度高，生长非常茂盛，水质明显变好，水体透明度1m以上，pH为8.22，COD为20.2mg/L，溶解氧5.67mg/L，电导率402μS/cm。在此其间，空白组没有种子发芽和沉水植物生长的现象，水华爆发，水质恶化，水体透明度仅35cm，pH为8.72，COD为52.2mg/L，溶解氧0.573mg/L，电导率493μS/cm。从试验的结果看，本发明是一种标本兼固治理天然水体富营养化，淡水水华的综合技术。
实施例2模拟生态系统试验实施例2
本实施例2中所使用的壳聚糖是青岛海生生物工程有限公司生产的工业级壳聚糖。称取100mg羧甲基壳聚糖，加入100ml蒸馏水，得1mg/ml的羧甲基壳聚糖溶液。取羧甲基壳聚糖溶液10ml，加入90mg粘土(即改性剂：粘土为1∶9)，超声处理1min混匀，在投加使用前再以10mg/L的量加入过碳酸钠和沸石粉末，得改性黏土。分别称取100mg苦草和菹草草种，经浸泡、预发芽处理后，和改性黏土按苦草草种：菹草草种(或苞芽)：改性黏土为1∶1∶10比例配制。本实施例2的模拟生态系统为在实施例1的基础上种植苦草20棵，菹草10颗，株高15cm。实验过程基本同本实施例1。实验组，在水箱中加入5L已配制好浓度为45.98×106cell/ml，经除氧处理溶解氧浓度为0.135mg/L(25℃)的藻悬液，藻悬液用KH2PO4和Na2HPO4·12H2O溶液配制(pH 7.0)，磷浓度为1.0mg/L，测得透明度45cm左右。水体稳定后，以20mg/L(改性黏土计算)的投量，将改性黏土和草种混合液喷撒，除藻除浊。同时，对于空白组，先播种与实验组同等量的沉水植物种子，然后加入和实验组同等量的的藻悬液，测得透明度也为45cm左右，空白组不除藻。当实验组除藻后，实验观测开始。对两组水箱逐时在液面下约3cm处取样测定藻细胞浓度，并计算藻细胞去除率。对于实验组，在处理30分钟后，藻去除率已超过80％，经240分钟后藻去除率已超过97％，接近完全去藻。透明度远超过1m，水质pH为7.02，COD为45.2mg/L，溶解氧5.26mg/L，电导率408μS/cm。而空白组没有明显变化。5D，实验组，草高18～22cm，开始发新叶片；空白组，草已基本枯黄。12D，实验组，草高28～44cm，有少量新芽发出；空白组，草已完全枯死开始腐烂。19D，实验组，草高38～65cm，有大量新芽发出；空白组，腐败发臭。3个月后，实验组I、II、III植物生物量湿重分别为1560.4，1478.6和1755.2g，由此可见水生植物成活程度高，生长非常茂盛。水质明显变好，水体透明度1m以上，pH为8.02，COD为17.2mg/L，溶解氧5.92mg/L，电导率378μS/cm。在此其间，空白组，沉水植物种子未发芽，预种沉水植物死亡，水华爆发，水质恶化，水体透明度仅29cm，pH为8.72，COD为58.2mg/L，溶解氧0.241mg/L，电导率531μS/cm。从试验的结果看，如富营养化天然水体中仍有沉水植物存活时或预种沉水植物，效果会更好。

Claims (11)

1、本发明提供一种可快速清除水华并将藻华在水底转化为沉水植被的复合材料以及标本兼顾治理水华和湖泊富营养化的强化天然水处理-生态恢复复合治理技术。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于本发明提出一种可快速清除水华并将藻华在水底转化为沉水植被的复合材料，这种复合材料是由两类功能材料(即改性黏土类和水生植物种子或根块类物质)按一定的处理方法制备而成的。
3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于它含有对黏土进行改性的成分，其中黏土改性指对各种黏土、沉积物或当地土壤的改性包括对其进行架桥网捕性能、除磷脱氮，去除腐殖酸等有机物的处理；包括用不会对环境造成二次污染的，天然的，无毒、易于生物降解的高分子聚合物改性处理各种黏土、沉积物或当地土壤；加入能与磷起反应的增氧固磷剂。
4、根据权利要求2所述的方法，其特征在于本发明中的天然高分子聚合物可为壳聚糖及其衍生物、甲壳素及其衍生物等，天然高分子聚合物与底泥的比例可视具体情况而定，比例范围为1∶5～0∶100。
5、根据权利要求2所述的方法，其特征在于本发明中的氧缓释剂可为过氧化钙、过碳酸钙、过氧化镁、过碳酸钠和沸石的混合物中的一种或几种混合，氧缓释剂与底泥的比例可视具体情况而定，比例范围为1∶1～0∶100。
6、根据权利要求2所述的方法，其特征在于本发明提出的复合材料含有多种适合富营养化水质和适于不同水温不同季节的沉水植物种子或根块、根须等。它们与改性黏土按一定比例混合，在用改性粘土凝聚除藻除浊时，相同时完成沉水植物种子的播种。
7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于本发明中的沉水植物可为苦草、金鱼藻、狐尾藻、黑藻、菹草、轮苞轮藻、马来眼子菜、穗状狐尾藻、长叶水毛茛、大茨藻等各种适合富营养化水质，适于不同湖底底质结构、不同水温、不同深度的沉水植物。
8、根据权利要求6所述的方法，其特征在于本发明中的沉水植物种子可包括沉水植物繁殖的种子，苞芽，菱种等所有适于播种的繁殖方式。
9、根据权利要求6所述的方法，其特征在于用于上述的复合材料中的沉水植物种子，可以是直接与改性黏土相混合，也可以在设定温度下经过一定时间的浸泡和预发芽处理后，再与改性黏土相混合。
10、根据权利要求1所述的方法，本发明提供的综合治理富营养化和藻华的方法，其特征在于所述的复合材料可通过机械的方法泼洒或喷射到水面，因此除藻除浊和水生植物播种是同时进行的。
11、根据权利要求1所述的方法，本发明提供的综合治理富营养化和藻华的方法，其特征在于所播种的沉水植物种芽或根块，是在黏土凝聚除藻除浊的作用下，才得以在水底生长，并在生长的过程中将藻类转化为各种光合作用的产物(包括沉水植被、氧气、和各种污染物存在形态的改变)。
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