一种用于河湖内源污染治理的底泥锁定剂及制备方法及治理方法

技术领域

本发明涉及污染治理技术领域，具体为一种用于河湖内源污染治理的底泥锁定剂及制备方法及治理方法。

背景技术

底泥治理在黑臭水体治理中起着至关重要的作用。黑臭水体的底泥不断从水体中接纳污染物，成为污染物的积蓄库，从而造成严重污染。当水体底泥受到扰动，如水动力状况突变、船只航行作业、风力扰动等，其中的污染物会重新释放到水体，造成二次污染。如果河湖底泥中污染物的释放不能得到有效控制，由其导致的内源性污染会成为水体污染的主要来源，即使外源污染物排入量得到有效消减，黑臭水体环境治理也将难以取得良好效果。因此底泥治理在黑臭水体治理中起着至关重要的作用。

目前底泥治理可分为清淤疏浚和原位修复，其中清淤疏浚通常需要投入大量机械设备和人力物力，且清淤上岸的底泥需要较大的处理场地进行消纳，在实际应用中存在一定的制约。

底泥的原位修复有着广泛的应用需求。底泥原位修复技术主要分为两类：一是生物法，通过向水体或底泥中投加微生物制剂，促进底泥有机物的降解；二是化学法，向底泥中投加絮凝药剂等降低底泥中的污染向水体的释放，或向底泥中投加硬化剂及辅助剂，如石灰、火山灰、水泥、改性二氧化钛等，用以降低氮、磷、重金属等污染物的溶解度、迁移性或毒性。目前也有一些技术将生物法和化学法进行一定的组合复配投入应用。

但现有技术底泥的底泥修复剂成分常需要经过复杂的加工配制，不便于使用；对严重黑臭的底泥污染物分解、沉降、削减不足，容易再次形成黑臭并向水体释放氮、磷、COD、重金属等污染物；长时间采用大量强氧化剂处理底泥，会造成大分子有机物持续快速分解，生成大量的游离态氮磷以及重金属等物质，造成污染物向水体的过度释放，进一步加剧水体黑臭现象和重金属离子污染；处理后的底泥密实度较低，固化不足，容易在雨季受到水流冲刷后上翻，导致二次污染；或处理后的底泥硬度太高，底质碳含量较低，难以进行后期生态系统的构建。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于河湖内源污染治理的底泥锁定剂及制备方法及治理方法，利用本方案中的底泥锁定剂在实现污染物快速锁定的基础上，为底泥的复苏提供基础碳源及微生物，实现底泥生态的自我恢复。

本发明是通过以下技术方案来实现的。

本发明的一种用于河湖内源污染治理的底泥锁定剂制备方法，包括以下步骤：

S1:将秸秆研磨至粉状备用；

S2:将部分秸秆粉末进行碳化，并通过酸化后制备成秸秆生物炭；

S3:称取设定量的氯化亚铁和氯化铁，加入到去离子水中，并进行搅拌，形成第一混合物；

S4:将研磨后的秸秆以及秸秆生物质炭加入上述S3中的第一混合物中，并进行搅拌，形成第二混合物；

S5:用碱性溶液将S4中的第二混合物pH调节至10，并进行搅拌；

S6:将S5步骤中处理后的第二混合物进行冻干处理，然后研磨成粉末；

S7:将S6步骤中所得粉末与风干后底泥进行混合并研磨，制备成底泥锁定剂。

进一步地，S3步骤中，氯化亚铁和氯化铁的质量比为1:3。

进一步地，S3步骤中，搅拌水浴锅维持温度在80℃。

进一步地，S4步骤中，至少搅拌30分钟。

进一步地，S5步骤中，至少搅拌1小时。

进一步地，S7步骤中，使用球磨机进行球磨，球磨转速为180转/分钟，球磨至少持续1小时。

一种用于河湖内源污染治理的底泥锁定剂，利用上述的用于河湖内源污染治理的底泥锁定剂制备方法制成，包括秸秆粉、秸秆生物炭、氯化亚铁、氯化铁和底泥。

一种用于河湖内源污染治理的治理方法，包括如下步骤：

S1：对待治理污染区域的底泥进行取样；

S2：对底泥进行结构分析、底泥基本理化性质分析，确定底泥环境；

S3：确定底泥锁定剂用量；

S4：将底泥锁定剂投入待治理污染区域；

S5：对待治理污染区域底泥定期检测；

S6：调整后续底泥锁定剂投加量。

进一步地，S2步骤中，可将分析后的底泥分为有机碳含量较低的底泥环境、底泥污染物浓度较高的底泥环境、底泥微生物种类及数量贫瘠的底泥环境。

进一步地，S3步骤中，根据底泥环境投入相应配方的底泥锁定剂，底泥锁定剂配方包括以秸秆为主针对底泥中有机碳含量较低的底泥环境、以磁铁矿及生物炭为主针对底泥污染物浓度较高的底泥环境和以底泥为主针对底泥微生物种类及数量贫瘠的底泥环境。

进一步地，还包括以下步骤：S7：污染区域治理完成后或治理过程中，可利用磁吸手段使吸附有污染物的底泥锁定剂壳体从底泥中分离。

本发明的有益效果：

底泥锁定剂中含有秸秆和底泥成分，实现了对废弃资源的回收利用，加工简单，成本较低，其中的秸秆能够为底泥微生物提供碳源，有利于后期生态系统的构建，生物质炭、改性磁铁矿能够对底泥中污染物进行吸附固定，使用底泥，实现底泥原有微生物、微量元素、有机物回到底泥生态环境中；降低底泥间隙水中氨氮、总磷浓度；改性磁铁矿的存在使得被吸附后污染物可以通过磁吸手段离开底泥环境；有效隔绝底泥中污染物向上覆水体释放。

附图说明

为了更清楚地说明发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为用于河湖内源污染治理的治理方法流程图；

图2为实验结果图。

具体实施方式

下面结合图1-2对本发明进行详细说明。

本发明的一种用于河湖内源污染治理的底泥锁定剂主要由改性磁铁矿为主体，通过加入改性秸秆、生物炭以及生态良好河湖清淤后的底泥对磁铁矿进行改性，生成的一种用于底泥中污染物锁定的药剂。

1.制备方式

(1)秸秆用研磨机进行研磨至粉状，备用。

(2)将部分秸秆粉末在制炭设备中，经干燥、干馏、冷却等工序进行碳化，并通过酸化后制备成秸秆生物炭。

(3)称取一定量的氯化亚铁和氯化铁，质量比1:3加入到去离子水中，通过水浴锅维持温度在80～90℃，并通过磁力或者机械进行搅拌。

(4)将研磨后的秸秆以及秸秆生物质炭加入(3)中，搅拌30～60分钟。

(5)用碱性溶液将(4)pH调节至10±0.5，搅拌1～2小时，碱性溶液可使用氢氧化钠，通过此步骤，得到含有秸秆及秸秆生物质炭的改性磁铁矿(四氧化三铁)，四氧化三铁的合成离子方程式为：Fe

(6)将(5)进行冻干处理后研磨成粉末。

(7)将(6)与风干后底泥一起加入球磨机中进行球磨，180转/分钟，1小时，制备成底泥锁定剂。

根据底泥环境的不同可将底泥锁定剂的配方分为以秸秆为主针对底泥中有机碳含量较低的底泥环境、以磁铁矿及生物炭为主针对底泥污染物浓度较高的底泥环境、以底泥为主针对底泥微生物种类及数量贫瘠的底泥环境。根据实验及实际应用效果，研发出以下3中配方：

也可根据所需底泥锁定剂量按上述比例进行配制，从而得到能够适用于不同底泥环境的底泥锁定剂。

本方案中的底泥锁定剂投加材料环境友好，不会对环境造成污染；药剂中加入了秸秆，实现了废弃物的循环利用；使用底泥，实现清淤底泥的资源利用，实现底泥原有微生物、微量元素、有机物回到底泥生态环境中；结合改性磁铁矿及生物炭吸附性能，显著降低底泥间隙水中氨氮、总磷浓度；改性磁铁矿的存在使得被吸附后污染物可以通过磁吸手段离开底泥环境。有效隔绝底泥中污染物向上覆水体释放。

2.应用

在实际应用过程中，根据水质及底泥污染物浓度的不同进行不同量底泥锁定剂的投加，如图1，具体流程如下。

S1：对待治理污染区域的底泥进行取样；

S2：对底泥进行结构分析、底泥基本理化性质分析，确定底泥环境；

S3：确定底泥锁定剂所用种类及用量，用量可根据底泥中污染程度、污染面积、污染深度等参数确定，此步骤为底泥锁定剂用量的初步确定；

S4：将底泥锁定剂投入待治理污染区域，利用自动化机械化设备或人工进行均匀投放；

S5：对待治理污染区域底泥定期检测，根据底泥中污染物(如氨氮、总磷、砷、硒、锑等)、微生物含量、有机碳含量等参数，检测污染治理情况。

S6：如污染物及生态指标未达标，则调整后续底泥锁定剂投加量，可重复S5、S6步骤直至治理完成，底泥生态恢复。

可选地，还包括步骤S7：治理完成后或治理过程中，吸附污染物的磁铁矿可以通过磁吸手段离开底泥环境，如图1，本步骤可在S6步骤中底泥锁定剂投加之前进行。

3.各成分作用

底泥锁定剂主要由底泥、秸秆、生物炭、改性磁铁矿组成。

底泥：为底泥生态提供底泥原有微生物、微量元素及有机物。

秸秆：为底泥微生物提供碳源；废弃资源的回收利用。

生物炭：底泥污染物的吸附固定；废弃资源的回收利用。

改性磁铁矿：底泥污染物的吸附固定；底泥污染物与底泥分离。

4.效果

4.1实验室小试

4.1.1批次实验

2g的底泥锁定剂(配方1)加入装有200mL一定浓度(1、5、10mg/L)的污染物溶液(氨氮，氯化铵固体配制；总磷，磷酸二氢钾固体配制；砷，亚砷酸钠固体配制；硒，亚硒酸钠固体配制；锑，三氯化锑固体配制)的250mL三口烧瓶中，将pH用盐酸和氢氧化钠溶液调节至7.0±0.1后，反应在500r/min的持续机械搅拌下进行，温度为25±5℃。在反应过程中，根据预先设定的取样时间用1mL注射器取出反应溶液，并用0.22μm过滤器过滤后通过紫外分光光度计进行水质氨氮、总磷浓度的检测、通过原子荧光光度计进行水质砷、硒、锑浓度的检测。实验装置及结果如图2所示：

实验结果显示，底泥锁定剂对水中氨氮、总磷、砷、硒、锑均有着良好的去除效果，说明底泥锁定剂可以有效实现对底泥中污染物(氮、磷、重金属)的锁定作用。

4.2柱实验

为进一步验证底泥锁定剂对底泥中污染物的锁定效果，通过柱实验对底泥锁定剂性能进行评价。

将通过柱状底泥采样器采集底泥，均匀混合后放置在内径宽15cm，高40cm的圆柱形有机玻璃柱内，底泥高度统一为10cm，使用纯净水注入使水深为20cm。稳定2天后开始实验。实验时，将材料均匀撒在沉积物表面，用保鲜膜覆盖在上面，在保鲜膜上均匀扎出一定数量的小孔，避免水分过多的蒸发损失。

实验1个月后对上覆水理化性质进行检测，测试上覆水中总氮(TN)、总磷(TP)浓度。实验结果如下表所示。

从实验结果可知，配方1，2，3均能有效控制底泥中氨氮、总磷向上覆水体中释放。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。