一種利用粘性土實現淺水湖泊藻-草轉換的方法

2023-06-01 03:13:11

專利名稱：一種利用粘性土實現淺水湖泊藻-草轉換的方法
技術領域：
本發明涉及一種利用粘性土在冬春季改善淺水湖泊底質調控水體藻-草快速轉 換的方法。本發明屬於富營養化湖泊的底質改善和生態修復的領域。
背景技術：
我國目前66%以上的湖泊、水庫處於富營養化的水平，其中重富營養和超富營養 的佔22%，這使得富營養化成為我國今後相當長一段時期內的重大水環境問題。消除湖泊 富營養化的關鍵在於削減湖泊水體的氮、磷以及底泥有機碳和氮、磷的負荷。近年來，在外 源汙染得到一定控制後，人們發現底泥成為汙染物的重要蓄積庫，這使得水體汙染物和營 養鹽始終居高不下。對於內源汙染控制，往往採取清淤挖泥、營養鹽鈍化、底層曝氣、稀釋 衝刷、調節湖水氮磷比、覆蓋底部沉積物及絮凝沉降等一系列措施。疏浚底泥的方法，雖然 可挖除表層汙染底泥，但如若處理不當，也會造成底泥的在懸浮和汙染物再釋放，該方法需 要昂貴的治理費用，而且存在生態系統破壞和水體自淨能力削弱等隱患，所以，在大規模使 用方面仍然存在爭議。在湖泊入水口直接添加化學藥品或向湖水中直接投灑化學藥品以 鈍化、沉澱湖泊營養鹽(主要是磷)的方法，對於深水湖，有時能夠起到削減湖水磷負荷的 作用，但對於淺水湖，處理效果往往難以預料，而且長期使用化學藥劑總會存在生態安全隱 患。底層曝氣技術應用並不普遍，成本過高；稀釋和衝洗技術在水量充足時成本相對比較 低，能夠馬上見效，在汙染物濃度高的情況下也能夠見到部分效果，但是，對於我國一個淡 水資源嚴重匱乏的國家來講，該方法不符合中國國情，另外水體稀釋能夠影響到底泥中的 汙染物質向水體中擴散的速率，因此如果稀釋速度選擇的不恰當，水體中的汙染物濃度可 能反而會增加。此外，水生植被恢復，生態浮床和生態疏浚等技術也被應用到內源汙染控制 中來，但是由此引發的外來物種入侵，沉水植被衰竭和腐敗造成的次生汙染，浮床上高等植 物越冬困難以及來年再種植耗費的巨大人力物力，以及生態疏浚中如何轉移處置汙染物的 問題都不易短時間內得到解決，而且治理成本過高，大範圍全湖實施仍然存在局限。原位底泥覆蓋技術在國外已經被廣泛應用，世界上第一例原位覆蓋工程是1978 年在美國實施的，隨後，日本、挪威、和加拿大等國也相繼實施，國外大都採用細沙、沙礫、 礫石以及土工織物和人造地基材料作為覆蓋材料，這些技術表明，沙土覆蓋適用於水動力 強度不大，汙染程度不高的沉積物，天然的清潔泥沙不會改變水體的性質，而對於水動力 強度較大的天然湖泊就需要考慮覆蓋材料的沉降水穩性和抗風浪擾動的能力。目前，國 內關於富營養化湖泊底質原位覆蓋技術的相關專利主要採用紅土材料，適當比例添加諸 如活性氧化鐵和活性氧化鋁(申請號200510(^8579. 3)，或者添加粉煤灰和石灰粉(申 請號200810058409. 3 ；申請號200710191195. 2)，該類技術還停留在河道、養殖區、池塘 等小範圍的實驗探索階段，而對於諸如太湖、滇池等大範圍的天然湖泊，其添加劑的生態 安全性仍需進一步研究和驗證，因而，此類方法在天然富營養化湖泊進行大範圍實施操 作仍有困難。此外，楊浩和王國祥提出在藍藻休眠期去除藍藻的方法和設備(申請號 200810244179. X)，證明在休眠期減少藍藻的量可以減緩藍藻水華的暴發，但該方法仍無法避免在吸走一定量藍藻的休眠體和死亡體外，也吸走了部分的粘土礦物和水，這將不可 避免擾動水-泥界面上的微生物和底棲動物群落，而該技術對於如何改善厭氧底質以及 生態修復卻並未提及。近年來，在湖泊內源汙染治理和沉水植被的生態修複方面，本發明 人提出了一系列新的方法。在國際上首先將改性粘土除藻技術(英國專利GB2337749; CN141713 6 ； CN14188 2 5)應用到淡水水華治理問題，使得當地土壤治理當地水成為可能 (Pan,G. . et al. ,Environmental Pollution 2006，連續三篇系列論文)。為解決沉降藍藻 細胞的腐爛分解耗氧和底質汙染物釋放問題，潘綱等又相繼提出了改性粘土增氧固磷技術 (CN200310113305. 5 ；CN200510063410. 1)，既有效的改善了水底厭氧環境，又降低了沉積物 的磷釋放量。2005年潘綱又提出利用稀土元素改性粘土(申請號0510063410. 1)，使得底 質中的磷高效不可逆地「固化」在改性粘土中，即使底泥被二次泛起，「固化」後的沉積物溶 解釋放磷的能力大幅度降低。同年，潘綱等提出了快速清除水華並將藻華在水底轉化成為 沉水植被的方法(CN1769198A)，並申請了國際專利，這不但解決了夏季藻華再次泛起和底 泥二次汙染問題，而且還利用當地土壤除藻後改善了水質，達到了促進沉水植被恢復的目 的。2006年，潘綱等發明了一種能夠同時完成藻華清除和生態修復的車/船載多工程播撒 裝置(CN1821100A)，使得上述的夏季水華治理和沉水植被的生態恢復的方法能在淡水湖泊 大面積得以應用並推向機械化實施。但是，本發明人的這些方法和技術均是針對夏季藍藻 暴發期間應用和實施的，在夏季，絮凝沉降的藍藻在沉積物表層往往趨於衰亡，這會加重底 泥厭氧，即使快速除藻改善了水質條件，但底質條件往往不利於沉水植被的快速恢復，在夏 季要實現快速藻-草轉換仍有困難。很多研究表明，在休眠期間，藍藻活體大部分都集中在 水-泥界面附近。如果，在這階段利用無汙染的當地土壤或者粘性良好的粘土礦物將藍藻 種源隔絕在湖底，有效隔斷底泥營養鹽再釋放，並利用粘性土顆粒表面負載的氧改善底質 的厭氧環境，同時播撒春季易萌發生長的沉水植物的種子及其產物，使得沉水植被在生長 過程中有效吸收底泥中的營養鹽，在藍藻休眠間隙快速恢復起來佔據主體，就有望使富營 養化的淺水湖泊從藻型快速向草型轉變。但是目前，在冬春季，利用粘性土改善底質，調控 湖泊藻-草轉換的生態修復技術未見報導。

發明內容
本發明旨在提出一種利用藍藻休眠間隙，藉助粘性土改善淺水湖泊底質，調控水 體藻-草快速轉換的湖泊生態修復的方法。具體的說，該方法是在藍藻休眠間隙，選擇成本 低廉，生態安全的湖泊當地土壤或者粘土礦物材料，噴灑覆蓋淺水湖泊底質，隔絕藍藻種源 和厭氧底質，改善底質環境，從而促進伴隨粘性土一同播撒的沉水植被在藍藻休眠間隙快 速恢復，這樣，可調控富營養化的淺水湖泊從藻型湖泊向草型湖泊快速轉變，有效防止藍藻 在春季的復甦和夏季的暴發。根據本發明的一個方面，所述的覆蓋底泥的粘性土可以是湖泊周圍未汙染的原位 土壤，也可以是與湖泊底質相近的粘土礦物，如伊利石、蒙脫土、凹凸棒石、膨潤土、海泡石 等粘土礦物中一種或者幾種。要求該材料具備含粘土顆粒較多，高粘性，低透水性，沉降後 水穩性好，不易再懸浮等優點，可以有效覆蓋休眠期的藍藻種源，阻止被覆蓋藍藻的復甦或 者由於風浪擾動原因造成的再次泛起，隔絕底質中營養鹽向水體釋放。根據所述的粘性土的製備方法，其特徵在於，在太陽下曝曬，自然風乾，之後粉碎過篩，取100 300目均可，顆粒材料多孔結構中負載的氧在沉降過程中，由於水體和底質 中溫度、壓力和溶解氧等條件的變化，可以向水體和底質中緩慢釋放氧，從而提高底質的氧 含量和氧化還原電位，改善沉水植被在底質中的生長環境，也不會影響底棲動物生存需氧量。所述的實施時間是藍藻休眠間期，其特徵在於，根據藍藻水華生成的四階段理論 (休眠，復甦，生長，上浮聚集)，冬末春初一般是藍藻休眠期，在休眠期，藍藻的活體絕大多 數都在底部沉積物表面，因此，在這個階段利用粘性土對其進行覆蓋和阻攔，可以最大程度 的隔絕藍藻種源，從而有效地防止藍藻在春季的復甦和夏季的暴發。所述的沉水植被，其特徵在於，適宜冬末春初播種的沉水植被可以是菹草、苦草、 馬來眼子菜、竹葉眼子菜、微齒眼子菜、水毛莨、黑藻、金魚藻、狐尾藻、水鱉、海棠花等中一 種或者幾種，要考慮沉水植物的不同生態位，搭配播種，使其生長時間可以銜接，從而保證 沉水植被在水體中的主體地位。根據本發明的另一方面，提供了一種恢復沉水植被的方法，其特徵在於，冬末春初 是湖泊水質和透明度較好時節，適合沉水植物充分快速生長。沉水植被的種子及其產物需 要經過曬種、浸種和培育以獲得處於不同生長階段的種子、根塊、芽殖體、苗或者植株，不同 生長階段的沉水植物可以用於不同的水生環境；優先選擇容易在春季萌發的沉水植被的種 子及其產物，將其包裹在製備好的粘性土中，通過船隻或者飛機等機械化手段噴灑到湖中， 利用粘性土改善底質間隙，沉水植物快速生長，在水體中佔據主體，並吸收和轉化來自底泥 中死亡藍藻釋放的營養鹽。


圖1實施例1中不同覆蓋材料在不同攪拌時間下濁度的比較圖2實施例2中沉水植物在厭氧底泥中培養70天時的恢復情況圖3實施例2中沉水植物在覆蓋岸邊土壤的底泥中培養70天時的恢復情況
具體實施例方式下面通過實施例對本發明的技術給予進一步詳細的說明。實施例1不同材料的覆蓋效果實驗選取無錫太湖十八灣沿岸的清潔土壤、高嶺土、伊利石、膨潤土，海泡石和二氧化 矽作為材料，在太陽照射下自然風乾，然後碾碎研磨，過180目篩網，將預處理好的不同材 料分別添加到500ml燒杯內，每個燒杯添加大約距離底部2cm厚的粘土材料，然後向每個燒 杯添加400ml去離子水，充分攪拌，靜置二天之後，不同粘土礦物基本都沉降在燒杯底部， 岸邊土壤和伊利石的沉降效果最好，上清液澄清。使用六聯攪拌器，確保攪拌子在剛好不能 觸碰粘土層的高度去攪拌每個燒杯中的上清液，定轉速40r/min，在不同攪拌時間下分別測 定濁度(如圖1所示)，結果發現伊利石、岸邊土壤和膨潤土粘度較強，抗風浪幹擾的能力較 強，二氧化矽(砂子或礫石)粘度最弱，抗風浪幹擾的能力最差，採用岸邊土壤或者伊利石 等粘土礦物作為原位覆蓋底泥的材料，在水中沉降後水穩性好，不易再懸浮，抗風浪幹擾能 力要比砂子或礫石強。實施例2厭氧底泥和岸邊土壤修復底泥條件下沉水植被的恢復效果對比實驗
在Im3生態模擬水箱底部放入厭氧底泥，設立不添加土壤的厭氧底泥對照組和覆 蓋土壤的修復組，每個箱體水深達70cm，光照條件L D = 14 10，水溫25°C，光照強度 166uw/cm20在沉積物上播種苦草草種。5天後，兩組沉積物上均有白色種芽發出；10天後， 修復組種芽呈現綠色，而對照組種芽仍為白色。20天後，修復組的苦草已經分櫱，長出綠色 枝葉，植株變高變粗，而對照組僅剩少量白色種芽和一些黑色腐敗芽體，種芽高度沒有明顯 增加。培養到70天時(如圖2和3所示)，修復組苦草株高平均達5cm，苦草恢復成功，而 對照組苦草種芽已經死亡，沒有沉水植被的生命痕跡。因此從結果看，粘性土覆蓋底泥的方 法可以改善底質環境，促進沉水植被的生長，進而達到生態修復的目的。
權利要求
1.一種利用藍藻休眠間隙，藉助粘性土改善淺水湖泊底質條件，調控水體藻一草快速 轉換的湖泊生態修復的方法，其特徵在於選擇具有良好粘性的土壤或粘土礦物，覆蓋湖泊 底質中休眠的藍藻種源，隔絕原本湖泊的厭氧底質，改善底質環境，使得隨粘土一同播撒的 沉水植被種子及其產物在藍藻休眠間隙快速恢復，最終達到有效防止藍藻在春季復甦和夏 季暴發的目的。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述的實施時間是在藍藻休眠間隙而未向 水體復甦的冬末春初時節。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述的覆蓋湖泊底質的粘性土，是高粘性， 沉降後水穩性好，不易再懸浮的，是選自湖泊沿岸的土壤或者湖泊周圍區域的當地土壤，也 可以是伊利石、蒙脫土、凹凸棒石、膨潤土、海泡石等粘土礦物中的一種或者幾種。
4.如權利要求1和3所述的粘性土的製備，其特徵在於，選擇一定的粒度範圍，經過太 陽曝曬，自然風乾，包裹著沉水植被的種子及其產物由機械裝置一同撒入湖中。
5.如權利要求1和4所述的沉水植被，其特徵在於，選擇適宜冬末春初播種，在春季萌 發生長的沉水植被的種子及其產物進行播撒，如菹草、苦草、眼子菜、黑藻、金魚藻、水毛莨、 狐尾藻、水鱉、海棠花等沉水植物的一種或幾種。
全文摘要
本發明提供了一種利用藍藻休眠間隙，藉助粘性土改善淺水湖泊底質條件，調控水體藻—草快速轉換的湖泊生態修復的方法，具體的說，是在藍藻休眠間隙，選擇成本低廉，生態安全的，具有良好粘性的湖泊當地土壤或者粘土礦物材料，噴灑覆蓋富營養化淺水湖泊底質，隔絕藍藻種源和厭氧沉積物，改善底質環境，促進伴隨粘性土一同播撒的沉水植被在冬春季的藍藻休眠間隙快速恢復，調控淺水湖泊由富營養化的藻型湖泊向草型湖泊快速轉換，從而有效防止藍藻在春季的復甦和夏季的暴發。該方法可應用於湖泊、池塘和景觀水的底質改善和生態修復中。
文檔編號C02F3/32GK102139958SQ20101010418
公開日2011年8月3日 申請日期2010年2月2日 優先權日2010年2月2日
發明者代立春, 周瑩, 楊波, 潘綱, 王丹 申請人:中國科學院生態環境研究中心