CN101830620B - 一种富营养化水体沉积物的原位修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种富营养化水体沉积物的原位修复方法，所述方法为：使臭氧和氢氧化钙溶液作用于沉积物-上覆水界面，利用臭氧形成的强氧化环境，沉积物-上覆水界面释放的磷素营养盐与钝化剂氢氧化钙快速发生固定反应，并且在沉积物-上覆水界面形成一层膜，进一步阻止沉积物向上覆水体释放磷素营养盐，从而实现富营养化水体沉积物的原位修复。与现有技术相比，本发明施工成本较低，见效快，沉积物修复效果非常明显，治理效果稳定持久；并且方法操作方便，对人员和机械设备的要求较低，有利于该方法的广泛推广。
Description
(一)技术领域
本发明涉及水体污染的修复方法，具体的说，涉及一种富营养化水体沉积物的原位修复方法。
(二)背景技术
水体富营养化是当今世界水污染治理的难题之一。近30多年来，由于社会经济的发展和人类活动的影响，大量的外源污染物进入湖泊，并沉积于沉积物中，使我国多数湖泊底质遭受严重污染。近年来的调查结果，许多湖泊尤其是城市湖泊底质污染惊人，如太湖、滇池、巢湖等许多水域沉积物中总磷含量高达3000～4000mg/kg。沉积物是淡水水体磷元素生物化学循环中的重要场所，它与水体之间存在着一种沉降吸附和解吸释放的动态平衡，而水体中磷浓度在很大程度上取决于这种动态平衡的移动。一般认为，水体中磷的浓度达到0.02mg/L时即可能导致水体富营养化。因而，开展湖泊沉积物磷污染控制成为我国很多湖泊富营养化控制与生态修复的重要内容。
对富营养化水质的改善及恢复多集中于减少外源负荷，而沉积物中磷的释放(即内源磷负荷)会延缓或抵消这些措施的实际效应。因此，在外部污染源得到有效控制的前提下，沉积物内源污染的研究成为治理水体污染的关键。目前国内外应用较多的沉积物污染控制技术有三类，即环保疏浚技术、原位覆盖技术和原位钝化技术。环保疏浚技术是应用最早，比较成熟的技术，但其具有工程进展缓慢且繁琐，对正常市政管理和居民生活造成影响，若疏浚深度确定不好，疏挖过浅，会造成疏浚后污染物释放增加等缺点，而原位覆盖技术易受生物搅动作用的影响等缺点。因此，原位钝化技术是富营养化水体沉积物控磷的主要方法，通常采用各种钝化剂对沉积物中释放的磷进行固定化反应，得到的反应产物同时能够发挥覆盖作用，从而进一步抑制沉积物中磷的释放。
(三)发明内容
本发明旨在提供一种操作方便、高效持久、低成本、可以原位操作应用的富营养化水体沉积物修复方法。
现有研究结果均表明：沉积物中磷的控制是富营养化水体治理的关键，为解决本发明的技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种富营养化水体沉积物的原位修复方法，所述方法为：使臭氧和氢氧化钙溶液作用于沉积物-上覆水界面，利用臭氧形成的强氧化环境，沉积物-上覆水界面释放的磷与钝化剂氢氧化钙快速发生固定反应，并且在沉积物-上覆水界面形成一层膜，进一步阻止沉积物向上覆水体释放磷，从而实现富营养化水体沉积物的原位修复。
本发明中，需使臭氧和氢氧化钙溶液作用于沉积物-上覆水界面，可通过多种方式实现，如通过臭氧发生器提供臭氧并在在沉积物-上覆水界面曝气导入，使用加药泵向沉积物上覆水界面注射氢氧化钙溶液，只要使得臭氧和氢氧化钙溶液的作用位置在沉积物-上覆水界面即可。在作用过程中，可以是先臭氧曝气，然后再注射氢氧化钙溶液；也可以是臭氧曝气和注射氢氧化钙溶液同时进行。本发明优选使臭氧曝气和注射氢氧化钙溶液同时进行。本发明具体推荐一种曝气加药一体机来进行曝气和注入氢氧化钙溶液，所述的曝气加药一体机包括一可移动的框架，所述框架上安装有空气曝气单元、臭氧发生单元、加药泵、药液储存罐，所述臭氧发生单元的臭氧逸出管路与空气曝气单元的空气逸出管路串接后与复合曝气头连接，所述药液储存罐通过吸液管连通加药泵，所述加药泵的药液溢出管路连接至复合曝气头，所述复合曝气头的表面设有药液逸出孔。
进一步，所述臭氧逸出管路、空气逸出管路、药液溢出管路均配置有流量计和阀门。
进一步，所述框架为带有滚轮的不锈钢架体，其上设有推手和气液管挂钩。
进一步，所述药液储存罐为圆柱形中空有机玻璃管。
进一步，所述复合曝气头为不锈钢构件。
进一步，所述臭氧发生单元是小流量型臭氧发生器，所述空气曝气单元是曝气泵。
本发明所述的曝气加药一体机的使用方法为：富营养化水体沉积物磷素释放控制原位治理实施过程中，首先将该曝气加药一体机移动到需要实施治理的区域，根据水深，将复合曝气头沉至沉积物表层，然后把氢氧化钙溶液加入到药液储存罐中，通过开启加药泵使氢氧化钙溶液从复合曝气头逸出作用于沉积物-上覆水界面，通过开启臭氧发生单元和空气曝气单元使臭氧从复合曝气头逸出作用于沉积物-上覆水界面，本领域技术人员可以根据需要控制加药泵以及臭氧发生单元和空气曝气单元的开启和关闭以控制药液和臭氧的加入，并可以根据需要调节药液流量和气体流量。等反应一段时间后，再将复合曝气头移动至其它需要治理的地方。只要保证足够的氢氧化钙溶液供应，可以实现该曝气加药一体机的连续工作。本发明所述的曝气加药一体机的好处在于把曝气机与加药机整合为一体机，便于现场治理，即实施沉积物原位修复。
进一步，根据一般富营养水体的水质状况，本发明推荐所述臭氧在沉积物-上覆水界面的用量为1440～4800g/m2沉积物。本领域技术人员可以根据沉积物面积以及曝气机的性能参数设定合适的曝气量和曝气时间。更进一步，本发明优选臭氧曝气量为12～20g/min·m2，臭氧在富营养化水体沉积物表面的作用时间为2～4小时；最优选臭氧曝气量为20g/min·m2，作用时间为4小时。
进一步，根据一般富营养水体的水质状况，本发明推荐所述氢氧化钙的投加量为0.001～0.008mol/m2沉积物；进一步优选加药泵中的氢氧化钙溶液的浓度为0.005～0.02mol/L，施用量为200～400mL/m2沉积物，氢氧化钙溶液在沉积物-上覆水界面逸出的速度为5～10mL/min；更进一步优选加药泵中的氢氧化钙溶液的浓度为0.02mol/L，施用量为200～400mL/m2沉积物，氢氧化钙溶液在沉积物-上覆水界面逸出的速度为10mL/min。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
a)与传统的疏浚技术相比，本发明施工成本较低，见效快，沉积物修复效果非常明显，治理效果稳定持久。
b)本发明的方法操作方便，对人员和机械设备的要求较低，有利于该方法的广泛推广。
c)本发明的修复方法能够灵活地开展沉积物的原位治理，与异位治理相比，成本大大降低。
(四)附图说明
图1是本发明实施例使用的曝气加药一体机的结构示意图；
图2为本发明实施例1四个实验组的处理效果图；
图3是本发明实施例2两个实验组的处理效果图；
图4是本发明实施例3两个实验组的处理效果图。
(五)具体实施方式
下面以具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
参照图1，曝气加药一体机，包括一可移动的框架1，所述框架1上安装有空气曝气单元3、臭氧发生单元2、加药泵4、药液储存罐5，所述臭氧发生单元2的臭氧逸出管路21与空气曝气单元3的空气逸出管路31串接后与复合曝气头6连接，所述药液储存罐5通过吸液管7连通加药泵4，所述加药泵4的药液溢出管路41连接至复合曝气头6，所述复合曝气头6的表面设有药液逸出孔61。
所述臭氧逸出管路21、空气逸出管路31、药液溢出管路41均配置有流量计7和阀门8。
所述框架1为带有滚轮13的不锈钢架体，其上设有推手11和气液管挂钩12。
所述药液储存罐5为圆柱形中空有机玻璃管。
所述复合曝气头6为不锈钢构件。
所述臭氧发生单元2是小流量型臭氧发生器，所述空气曝气单元3是曝气泵。
使用方法：富营养化水体沉积物磷素释放控制原位治理实施过程中，首先将该曝气加药一体机移动到需要实施治理的区域，把复合曝气头6从挂钩12中取下，根据水深，将复合曝气头6沉至沉积物表层，然后把氢氧化钙溶液加入到药液储存罐5中，开启加药泵4，再开启臭氧发生单元2和空气曝气单元3，根据需要调节药液流量和气体流量，使臭氧和氢氧化钙溶液同时从复合曝气头6逸出作用于沉积物-上覆水界面。
实施例1：
以杭州西湖沉积物为处理对象，以臭氧单独曝气、以氢氧化钙单独作用、臭氧与氢氧化钙溶液复合曝气和无处理组进行比较实验。
在高120cm，直径80cm的不透明且封底的PVC管中加入取自西湖的底泥沉积物，装泥高度为30cm，上覆水高度为50cm，构建模拟的湖泊底泥-上覆水***。采用一种曝气加药一体机，通过臭氧发生器提供臭氧，通过加药泵提供氢氧化钙溶液。采用复合曝气头，当臭氧和氢氧化钙复合作用时，使臭氧与氢氧化钙溶液同时从曝气头逸出，并作用于需要治理的沉积物-上覆水界面。臭氧曝气量为10g/min，臭氧曝气时间为4小时。加药泵中氢氧化钙的溶液的浓度为0.02mol/L，施用量为200mL，氢氧化钙溶液通过前述复合曝气头逸出的速度为10mL/min。
当以臭氧单独曝气时，关闭加药泵4，开启臭氧发生单元2和空气曝气3单元，臭氧曝气量为10g/min，在沉积物-上覆水界面的作用时间为4小时。
当以氢氧化钙单独作用时，关闭臭氧发生单元2和空气曝气单元3，开启加药泵4，加药泵中氢氧化钙溶液的浓度为0.02mol/L，施用量为400mL/m2沉积物，氢氧化钙溶液从曝气头逸出，逸出的速度为10mL/min。
检测方法：磷酸盐采用国家环境保护总局编著的《水和废水监测分析方法》中规定的钼锑抗分光光度法测定。
在实验室模拟的富营养化水体沉积物的自然状态下，通过实施例1的治理，四个实验组的处理结果如图1所示。
在四种治理方法作用下，臭氧单独处理组沉积物-上覆水界面总磷的含量均值最高，主要原因在于臭氧曝气扰动，导致沉积物表层磷向上覆水的释放；在无任何处理条件下，沉积物-上覆水界面总磷的含量为0.25～0.58mg/L；在氢氧化钙单独作用下，沉积物-上覆水界面总磷的含量为0.26～0.45mg/L，虽然在反应初期氢氧化钙对沉积物总磷释放有一定控制效果，但是在反应一定时间后，其控制效果下降，并且总磷含量高于无任何处理对照组；在臭氧与氢氧化钙复合曝气条件下，沉积物-上覆水界面总磷的含量虽然在反应初期高于无任何处理对照组，但是在反应一定时间后，其控制效果逐渐上升，沉积物-上覆水界面总磷的含量明显低于无任何处理对照组，沉积物修复效果非常明显。
实施例2：
以绍兴鉴湖沉积物为处理对象，在高120cm，直径80cm的不透明且封底的PVC管中加入取自鉴湖的底泥沉积物，装泥高度为30cm，上覆水高度为50cm，构建模拟的湖泊底泥-上覆水***。采用一种曝气加药一体机，通过臭氧发生器提供臭氧，通过加药泵提供氢氧化钙溶液，臭氧和氢氧化钙复合作用于需要治理的沉积物-上覆水界面。臭氧曝气量为6g/min，臭氧曝气时间为2小时。加药泵中氢氧化钙的溶液的浓度为0.02mol/L，施用量为200mL/m2沉积物，氢氧化钙溶液通过前述复合曝气头逸出的速度为10mL/min。
检测方法：磷酸盐采用国家环境保护总局编著的《水和废水监测分析方法》中规定的钼锑抗分光光度法测定。
在实验室模拟的富营养化水体沉积物的自然状态下，通过实施例2的治理，对照组和处理组结果如图2所示。与对照组相比较，实施例2处理后，沉积物-上覆水界面总磷的含量明显下降。
实施例3：
以绍兴鉴湖沉积物为处理对象，在高120cm，直径80cm的不透明且封底的PVC管中加入取自鉴湖的底泥沉积物，装泥高度为30cm，上覆水高度为50cm，构建模拟的湖泊底泥-上覆水***。采用一种曝气加药一体机，通过臭氧发生器提供臭氧，通过加药泵提供氢氧化钙溶液，臭氧和氢氧化钙复合作用于需要治理的沉积物-上覆水界面。臭氧曝气量为8g/min，臭氧曝气时间为3小时。加药泵中氢氧化钙的溶液的浓度为0.02mol/L，施用量为300mL/m2沉积物，氢氧化钙溶液通过前述复合曝气头逸出的速度为10mL/min。
检测方法：磷酸盐采用国家环境保护总局编著的《水和废水监测分析方法》中规定的钼锑抗分光光度法测定。
在实验室模拟的富营养化水体沉积物的自然状态下，通过实施例3的治理，对照组和处理组结果如图3所示。与对照组相比较，实施例3处理后，沉积物-上覆水界面总磷的含量明显下降，修复效果显著。
Claims (5)
1.一种富营养化水体沉积物的原位修复方法，其特征在于所述方法为：使臭氧和氢氧化钙溶液作用于沉积物-上覆水界面，利用臭氧形成的强氧化环境，沉积物-上覆水界面释放的磷与钝化剂氢氧化钙快速发生固定反应，并且在沉积物-上覆水界面形成一层膜，进一步阻止沉积物向上覆水体释放磷，从而实现富营养化水体沉积物的原位修复。
2.如权利要求1所述的富营养化水体沉积物的原位修复方法，其特征在于所述臭氧在沉积物-上覆水界面的用量为1440～4800g/m2沉积物；所述氢氧化钙的投加量为0.001～0.008mol/m2沉积物。
3.如权利要求2所述的富营养化水体沉积物的原位修复方法，其特征在于所述臭氧在沉积物-上覆水界面的曝气量为12～20g/min·m2，作用时间为2～4小时。
4.如权利要求2所述的富营养化水体沉积物的原位修复方法，其特征在于加药泵中的氢氧化钙溶液的浓度为0.005～0.02mol/L，在富营养化水体中的施用量为200～400mL/m2沉积物，氢氧化钙溶液在沉积物-上覆水界面逸出的速度为5～10mL/min。
5.如权利要求1～4之一所述的富营养化水体沉积物的原位修复方法，其特征在于使臭氧和氢氧化钙溶液同时在沉积物-上覆水界面逸出。
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Granted publication date: 20120425 Termination date: 20150510 |
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