一種河床底泥原位改性方法與流程
2023-04-26 07:22:26 2
本發明屬於環境治理技術領域，具體涉及一種河床底泥原位改性方法。
背景技術：
目前不少城市的黑臭水體現象比較嚴重，得不到有效治理，即使短時間治理達標後又會存在復發現象，這些復發現象有相當一部分原因是由這些河床的底部淤泥持續向水體層散發有毒有害物質造成的。因此想要對河水修復的徹底，必須對河床底部的底泥進行有效的治理。
底泥作為水生態系統的三大環境要素(水質、水生生物和底泥)之一，承擔著接納外源汙染物和向水體中釋放營養鹽的雙重功效，在水生態系統的物質循環和能量流動過程中發揮著重要作用。底泥由大量的營養物質(氮、磷、有機質等)組成，隨著其不斷的積累，不僅會對生存在其中的底棲生物產生重要影響，同時其所固有的營養物質也會隨著水體運動進入上層水體，使水體中氮、磷等營養物質濃度增加，加劇水體的富營養化程度和藻類水華暴發的機率。目前對城市河道底泥進行修復，主要是河道清淤、底泥覆蓋和底泥原味微生物修復這幾種方法。
河道清淤一般指通過機械設備，將沉積河底的淤泥移位或者吹攪成混濁的水狀，隨河水流走，從而起到清淤的作用。清淤的目的是將沉底淤泥進行消減，使河道的流通功能正常。河道清淤的技術手段一般有機器挖掘(含帶水作業挖掘)、兩棲裝備抽洗、高壓水衝等工藝。對汙染淤泥、局部富集淤泥的清理能夠有效消減化學需氧量、氨氮和生物需氧量、揮發酚等汙染源體，同時可以增加過水斷面，促進水體流動和交換，促進水體的自潔能力。清淤技術是清淤效果好壞的關鍵，主要集中在發展輕質清淤材料，配合科學的清淤方式，使清淤過程對水體的擾動達到最小。清淤技術雖然在一定程度上取得了較為明顯的效果，但總體來說成本高。此外，要求在清淤過程中採取措施防止二次汙染，對清除出來的汙染底泥進行安全處理處置。底泥疏浚會把底棲生物、微生物一起帶走，打破長期形成的生態平衡，中斷生態系統中的食物鏈，就會出現新的環境問題。
底泥覆蓋，即於汙染底泥上部覆蓋一層或多層覆蓋層使底泥與上覆水隔開並阻止底泥中汙染物的釋放，是另一種受到國內外廣泛關注的汙染底泥原位修復技術。覆蓋系統主要通過以下三個方面限制汙染底泥的環境影響：(1)將汙染底泥與底棲生物物理性地分開；(2)固定汙染底泥，以防止底泥再懸浮或遷移；(3)降低底泥汙染物向上覆水的擴散通量。常用的底泥覆蓋材料包括清潔沉積物、沙子和礫石等。相比別的修復技術，對環境潛在危害小。最早的底泥覆蓋技術是1978年在美國進行的，隨後其他幾個國家也相繼使用。國外已經對由清潔沉積物、沙子和礫石構成的底泥覆蓋系統做了大量的研究，並且進行了許多成功的應用。清潔沉積物、沙子和礫石等屬於惰性材料，對底泥所釋放汙染物的固定能力較差，這導致由惰性材料構建的覆蓋系統(即「底泥惰性覆蓋系統」)控制底泥汙染物釋放的效率較低。大量試驗結果表明，覆蓋能有效防止底泥中汙染物進入水體而造成二次汙染，對水質有明顯的改善作用。存在的問題是工程量大，需要大量的清潔泥沙等，來源困難。同時覆蓋會增加底泥的量，使水體庫容變小。
底泥原位生物修復是指在基本不破壞水體底泥自然環境件下，對受汙染的環境對象不作搬運或運輸，在原場所進行生物修復。分為原位工程修復和原位自然修復。原位工程修復通過加入生物生長所需營養來提高生物活性或添加實驗室培養的具有特殊親合性的微生物來加快環境修復；原位自然修復是利用底泥環境中原有微生物，在自然條件進行生物修復。對底泥進行生物修復，促進底泥微生物繁殖，底泥有機質在微生物作用下，迅速分解，釋放出氨氮、硫化氫等有害氣體，使得底泥好氧層加厚，泥層減薄，加快底泥微量營養的釋放。其局限性在於微生物生長的周期性導致技術的見效較慢，環境的複雜性導致微生物經常不能存活、培養失敗。
技術實現要素：
發明目的：目前不少城市的河道發渾、發臭，治理效果較差，有的即使短時間治理合格後又會存在復發現象。在控制好外來汙染源的前提條件下，復發現象主要是由河床底部淤泥持續向水體散發有毒有害物質以及河床底部土質結合不牢固，緩慢流失進入上覆水體所致，因此本次發明是針對河道治理提供了一種新的方法。
技術方案：本發明所述的河床原位修複方法，包括如下步驟：
步驟1，對治理區域進行截汙處理，將受汙染的區域隔開；截汙完成後將治理區域的水抽出直至露出底部的淤泥層，抽出的水排到臨近區域。其目的在於後續投加的藥劑能與淤泥層充分接觸，提升治理效果。
步驟2，向淤泥層中加入em菌發酵液，加入量為30～50克/m2；
步驟3，將土壤改良藥劑噴灑到淤泥表面，噴灑量為500～700克/m2，噴灑完成靜置40～60分鐘後，下河進行攪拌1～5分鐘。這一步是治理的重點，加入土壤改良藥劑對淤泥表層進行改良。使用的土壤改良藥劑由以下重量百分含量的物質組成：粘土45～60％，植物纖維素15～20％,植物木質素10～20％，農用汙泥10～20％。經改良後，淤泥表層具有獨特的團粒結構，這種結構是由若干土壤單粒粘結在一起形成團聚體的一種土壤結構，這種團粒結構約三十公分。團粒結構體表現為團粒間為大孔隙，團粒內為小孔隙，大小孔隙同時存在且比例適當，總孔隙度高，無效孔隙少。正是由於這種特殊結構，它有以下幾個方面的重要特點：
(1)是微生物和植物生長的小肥料庫。團粒內部的持水孔隙水多、氣體成分少，既可以保存隨水進入團粒的水溶性養分，又適宜於微生物的活動。有機質分解緩慢，有利於腐殖質的合成，所以有利於養分的積累，起到保肥的作用。團粒間的充氣孔隙中氣體成分多，適宜於好氧微生物的活動，有機質分解快，產生的速效養分多，供肥性能良好。所以保肥供肥的矛盾得以協調，團粒的養分狀況良好。
(2)維持較高的土壤生物多樣性。由於團粒結構的土壤大小孔隙同時存在，且比例適當，水氣環境多元、物質能量供應多元，這為不同大小體型、好氧厭氧生活習性的動物、微生物提供了良好的生存空間。這對於農業生產而言，由於其較高的生物多樣性而為土壤的物理、化學和生物肥力提供了重要保障。
(3)具有疏水性特徵。團粒改造後的土(或泥)具有不溶於水的基本特徵，這是由於顆粒在外部膜結構的作用下產生自縛現象，這是泥體不隨水體流失的一個重要因素。
步驟4，24小時後開始種植沉水植物及挺水性植物；最後將水位補齊，拆除圍擋。
上述步驟中，我們所述的土壤改良藥劑成分及含量為：配方1(海泡石55份，植物秸稈18份，植物木質素15份，石灰12份)或配方2(風化煤55份，樹脂膠物質18份，植物木質素15份，沸石12份)或配方3(粘土55份，植物纖維素18份，植物木質素15份，農用汙泥12份)，優選配方3。
上述步驟中，我們所述的em菌發酵液是由水和紅糖和em菌種按照重量比20：1:0.02～0.1進行配置，經30～40度密閉發酵5天左右配置而成。所述的em菌種為雙岐菌、乳酸菌、芽孢桿菌、光合細菌、酵母菌中的一種或多種組合。加入em菌發酵液的目的在於快速培植改造後的團粒體內的生態環境。尤其是在土壤改良之前加入em菌發酵液可以使得其較均勻的分散在團粒體的內部。更進一步的，本發明所述的em菌種可以為藍細菌與膠質芽孢桿菌；或嗜酸乳桿菌與枯草芽孢桿菌；或酵母菌與地衣芽孢桿菌。優選藍細菌與膠質芽孢桿菌。
土壤改良結束後，為了加快整個環境的生態構建，根據實際情況，需選擇合適的水生植物，完善河道綠地植物群落，提高水體生態系統的自淨能力。具體的，本發明所述的植物的種植要求為：常水位線至100cm水深處選用挺水植物為主；沉水植物則種植在水體能見度2倍以內的水深區域內。更具體的，所述的植物的種植要求為其中挺水植物為黃菖蒲36～40袋/m2，蘆葦25～30袋/m2,再力花25～30叢/m2；沉水植物為苦草40～50株/m2，黑藻25～36叢/m2,眼子菜20～30叢/m2。
更進一步的研究發現，上述方案可以進一步的改進，即，在實施步驟2之前向淤泥層中加入丙烯醯胺與澱粉的混合物。其主要目的在於實現底泥原味的減量後，表層一定厚度的泥體密度將增大，為後續的土壤改良創造更好的前置條件。具體的，所述的丙烯醯胺與澱粉的混合物的質量比為5～8:1。
有益效果：與現有的傳統修復技術相比，本發明修復後的底泥表層為緻密的團狀結構，可以防止淤泥層中含有的重金屬等有害物質進入到水體中造成汙染；不破壞原有的生態環境；不會造成二次汙染；治理徹底，基本不復發。
採用本發明所述的河床汙染底泥原位修複方法，對河床進行修復，具有以下優點：
1、改善後淤泥層變薄，河道水體庫容變多；
2、改善後的淤泥層因其緻密的團粒結構、疏水性等特點，使得淤泥層中含有的重金屬等汙染物被封存在底部，基本不會進入上層水體中；
3、淤泥層中含有的有機質等汙染物，會通過改善後的淤泥層自身將其逐步降解。
4、有更強的可操作性，治理周期也相對較短、效果較為明顯。
具體實施方式：
下面通過具體的案例對本發明進一步進行描述。
以南寧那考河為例，河取河床底部淤泥進行檢測，經檢測淤泥中有機質約3.02％，cu約40.3mg/kg，pd約45.5mg/kg。
一，藥劑研究實驗
配置與那考河汙染相似的原料淤泥，原料淤泥中含有有機質約3～3.5％，cu約40～41mg/kg，pd約45～46mg/kg。
實施例1
投加em菌發酵液(約40克/m2)，所述的是由水和紅糖和em菌種(藍細菌與膠質芽孢桿菌)按照重量比20：1:0.02～0.1進行配置，經30～40℃密閉發酵5天左右配置而成。
將土壤改良藥劑(粘土55份，植物纖維素18份，植物木質素15份，農用汙泥12份)噴灑到淤泥表面(用量約600克/m2)，噴灑完成靜置40分鐘後，攪拌1分鐘。攪拌完成30分鐘後。取樣檢測淤泥的結構：孔容0.25～0.45ml/g，比表面200～300m2/g，孔徑6～10nm。
處理完畢後，檢測淤泥成分，有機質約2.5％，cu約31mg/kg，pd約21mg/kg。
實施例2
原料淤泥、修復步驟與實施例1基本相同，不同之處在於，土壤改良藥劑更換為：海泡石55份，植物秸稈18份，植物木質素15份，石灰12份。
取樣檢測淤泥的結構：孔容0.25～0.35ml/g，比表面200～250m2/g，孔徑5～8nm。
處理完畢後，檢測淤泥成分，有機質約2.9％，cu約35mg/kg，pd約22mg/kg。
實施例3
原料淤泥、修復步驟與實施例1基本相同，不同之處在於，土壤改良藥劑更換為：風化煤55份，樹脂膠物質18份，植物木質素15份，沸石12份。
取樣檢測淤泥的結構：孔容0.25～0.38ml/g，比表面200～260m2/g，孔徑5～9nm。
處理完畢後，檢測淤泥成分，有機質約2.8％，cu約38mg/kg，pd約28mg/kg。
通過實施例1、實施例2、實施例3的試驗數據，可以看出，土壤改良藥劑配方為：粘土55份，植物纖維素18份，植物木質素15份，農用汙泥12份，最佳。
二，em菌發酵液研究實驗
實施例4
原料淤泥、修復步驟與實施例1基本相同，不同之處在於，em菌種更換為嗜酸乳桿菌與枯草芽孢桿菌。
處理完畢後，檢測淤泥成分，有機質約2.8％，cu約37mg/kg，pd約29mg/kg。
實施例5
原料淤泥、修復步驟與實施例1基本相同，不同之處在於，em菌種更換為酵母菌與地衣芽孢桿菌。
處理完畢後，檢測淤泥成分，有機質約2.7％，cu約35mg/kg，pd約30mg/kg。
通過實施例1、實施例4、實施例5的試驗數據，可以看出選擇由水和紅糖和em菌種按照重量比20：1:0.02～0.1進行配置，經30～40度密閉發酵5天左右配置而成的em菌發酵液，效果最佳。
三，用量研究實驗
根據實施例1～5的試驗，我們確定土壤改良藥劑的配方為粘土55份，植物纖維素18份，植物木質素15份，農用汙泥12份；em菌發酵液是由水和紅糖和em菌種按照重量比20：1:0.02～0.1進行配置，經30～40度密閉發酵5天左右配置而成的。在此基礎上，我們進行用量的研究。
實施例6
原料淤泥、修復步驟與實施例1基本相同，不同之處在於土壤改良藥劑的用量為700克/m2，em菌發酵液的用量為50克/m2。
處理完畢後，檢測淤泥成分，有機質約2.7％，cu約31mg/kg，pd約27mg/kg。
實施例7
原料淤泥、修復步驟與實施例1基本相同，不同之處在於土壤改良藥劑的用量為500克/m2，em菌發酵液的用量為30克/m2。
處理完畢後，檢測淤泥成分，有機質約2.8％，cu約33mg/kg，pd約29mg/kg。
通過實施例1、實施例6、實施例7的試驗數據，綜合使用效率，可以看出最佳用量為土壤改良藥劑的用量為600克/m2，em菌發酵液的用量為40克/m2。
四，改進方案實驗
採用實施例1～實施例7中，所確定的最佳配方及用量，改變試驗步驟。
實施例8
向淤泥層中加入丙烯醯胺與澱粉的混合物(丙烯醯胺5份、澱粉1份)，投入量為40克/m2；投加em菌發酵液(約40克/m2)，所述的是由水和紅糖和em菌種按照重量比20：1:0.02～0.1進行配置，經30～40℃密閉發酵5天左右配置而成。將土壤改良藥劑(粘土55份，植物纖維素18份，植物木質素15份，農用汙泥12份)噴灑到淤泥表面(約600克/m2)，噴灑完成靜置40分鐘後，攪拌1分鐘。
處理完畢後，檢測淤泥成分，有機質約1.95％，cu約19mg/kg，pd約11mg/kg。
可見在土壤改良之前增加該步驟可以大大的增加修復效果。
進一步研究淤泥的結構發現：取樣檢測淤泥的結構：孔容0.25～0.35ml/g，比表面400～500m2/g，孔徑6～10nm。可見，在這樣的孔結構下，更加適於我們所配em菌發酵液的生態修復作用。
五，南寧那考河治理案例
以南寧沙江河河床治理為例，整個治理面積約150000平方米。
用沙包將待治理的汙染區域隔開，用水泵將待治理區域的水抽出直至露出底部的淤泥層，抽出的水排到臨近區域。接著用人工方式將固液分離藥劑噴灑到淤泥表面(約50克/m2)，噴灑完成靜置40分鐘後，用旋耕機攪拌2～3遍，以實現淤泥的固液分離。攪拌完成10分鐘後投加em菌發酵液(約60g/m2)，接著投加土壤改良藥劑(粘土45％，植物纖維素20％，植物木質素16％，農用汙泥19％)，加入量約500g/m2，用旋耕機攪拌2～3遍。24小時後開始種植植物，其中挺水植物為黃菖蒲40袋/m2，蘆葦30袋/m2,再力花30叢/m2；沉水植物為苦草50株/m2，黑藻36叢/m2,眼子菜30叢/m2。補齊水位，拆除圍擋。
治理前河道狀況：水體渾濁、部分區域發臭；能見度較低約10～15cm；底部淤泥約1m厚且發黑。治理完補齊水位後水體變清，沒有異味；能見度提升到40cm～80cm；約三十公分的改良土壤，呈現團粒結構；淤泥層約75cm厚。三個月後淤泥層為60cm，呈現正常的黃褐色，且沒有異味產生，治理效果較好。
六、南寧沙江河治理案例
以南寧沙江河河床治理為例，整個治理面積約150000平方米。
用沙包將待治理的汙染區域隔開，用水泵將待治理區域的水抽出直至露出底部的淤泥層，抽出的水排到臨近區域。接著用人工方式將固液分離藥劑噴灑到淤泥表面(約50克/m2)，噴灑完成靜置40分鐘後，用旋耕機攪拌2～3遍，以實現淤泥的固液分離。攪拌完成10分鐘後投加em菌發酵液(約60g/m2)，接著投加土壤改良藥劑(粘土45％，植物纖維素20％，植物木質素16％，農用汙泥19％)，加入量約500g/m2，用旋耕機攪拌2～3遍。24小時後開始種植植物，其中挺水植物為黃菖蒲40袋/m2，蘆葦30袋/m2,再力花30叢/m2；沉水植物為苦草50株/m2，黑藻36叢/m2,眼子菜30叢/m2。補齊水位，拆除圍擋。
治理前河道狀況：水體渾濁、部分區域發臭；能見度較低約10～15cm；底部淤泥約1m厚且發黑。治理完補齊水位後水體變清，沒有異味；能見度提升到40cm～80cm；約三十公分的改良土壤，呈現團粒結構；淤泥層約75cm厚。三個月後淤泥層為60cm，呈現正常的黃褐色，且沒有異味產生，治理效果較好。
上述實施例為本發明的典型案例。應當理解，此處所描述的具體實施方式僅用以說明和解釋本發明，並不用於限定本發明。任何不脫離本發明宗旨並落入權利要求書保護範圍的改進或替換均在本發明的保護範圍內，並不受到實施例及所述案例的限制。