本發(fā)明屬于湖泊富營養(yǎng)化治理領域，具體涉及一種用于湖泊水體水質(zhì)凈化的材料的制作及使用方法。

背景技術：

湖泊富營養(yǎng)化是當前亟待解決的全球性環(huán)境難題，水體中氮磷等營養(yǎng)鹽濃度過高是造成湖泊富營養(yǎng)化的直接因子。湖泊沉積物是湖泊水體營養(yǎng)鹽的主要內(nèi)源之一，通過有效手段控制沉積物營養(yǎng)鹽的釋放是當前治理湖泊富營養(yǎng)化的一種重要方式。目前，基于阻控材料的沉積物營養(yǎng)鹽阻控技術受到了廣泛的關注，其原理是在沉積物的上方覆蓋一定厚度的阻控材料，以阻止底泥中氮磷污染物尤其是磷相污染物的釋放?，F(xiàn)有技術中應用較多的阻控材料有赤泥、砂石、金屬氧化物顆粒、沸石材料等，這些顆粒在沉積物上方可對水體中和沉積物-水界面的磷相進行吸附，減少釋放至水體中的污染物的量，促進污染物的沉降。

雖然阻控材料的應用可有效緩解沉積物中污染物的釋放。但現(xiàn)有技術中阻控材料存在的瓶頸在于，由于使用的阻控材料均是由外部添加，會向湖泊中引入大量的外來物質(zhì)，大量的阻控材料沉積在湖泊中很容易引發(fā)新的生態(tài)環(huán)境問題，給環(huán)境安全埋下潛在的隱患，因此使得現(xiàn)有的阻控材料難以大面積、大規(guī)模地推廣使用。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的是現(xiàn)有技術中的阻控材料會引入大量的外來物質(zhì)，給環(huán)境安全帶來隱患的技術問題。進而提供一種主要由湖泊沉積物制成的、不會大量引入外來物質(zhì)的、可有效阻控沉積物污染物釋放的水體凈化材料的制備及使用方法。

本發(fā)明解決上述技術問題采用的技術方案為：

一種湖泊水體水質(zhì)凈化材料的制作方法，所述湖泊水體水質(zhì)凈化材料包括第一凈化材料，制備方法包括以下步驟：(1)取湖泊沉積物原樣，加水制成湖泊沉積物漿液，采用含氧氣體對所述湖泊沉積物漿液進行曝氣，完成曝氣后進行靜置沉降；(2)步驟(1)中的靜置沉降完成后，除去漿液中的上覆水，保留下層的沉積物，對所述沉積物進行陰干；(3)待所述沉積物陰干至含水量為50-60wt％，取沉積物制成粒徑為2-6mm的第一顆粒，將所第一顆粒置于450-650℃溫度下進行焙燒，制成第一凈化材料。

所述第一顆粒的粒徑分布為：粒徑為2-4mm的所述第一顆粒占所述第一顆?？倲?shù)量的55-65％。

所述湖泊水體水質(zhì)凈化材料包括第二凈化材料，步驟(3)中，待所述沉積物陰干至含水量為50-60wt％，取沉積物的一部分，制成所述第一顆粒；取沉積物的另一部分，經(jīng)干燥、研磨制成粒徑為50-150nm的粉體，將所述粉體在300-450℃溫度下進行焙燒；使用粘合劑漿液將焙燒后的粉體粘合成型，得到所述第二凈化材料。

所述粘合劑漿液為湖泊沉積物漿液、粘土漿液、淀粉漿液、羥甲基纖維素漿液中的一種或者多種。

所述粘合劑漿液的添加量占所述粉體重量的10～20％；所述粘合劑漿液為固液比以重量比計為1：(4-5)的湖泊沉積物漿液。

步驟(3)中，使用粘合劑漿液將焙燒后的粉體粘合成型，制成粒徑為5-10mm的球形顆粒，得到第二凈化材料。

在粘合成型的過程中加入沉水植物種子，每個所述球形顆粒中沉水植物種子的數(shù)量為2-5粒。

步驟(1)中所述含氧氣體為空氣；使用所述空氣對沉積物漿液進行曝氣的曝氣量為10-15m³/(h﹒m³)；曝氣的時間為36-48小時；步驟(1)中曝氣處理后的所述湖泊沉積物中的有機質(zhì)組分含量為5％～15％。

所述的制作方法制備得到的湖泊水體水質(zhì)凈化材料的使用方法，包括以下步驟：將所述第一凈化材料投入湖泊治理區(qū)域，所述第一凈化材料的投加量與所述湖泊治理區(qū)域的面積之比為5-15kg/m²；在投加所述第一凈化材料時，先投加粒徑為2-4mm的第一凈化材料，再投加粒徑為4-6mm的第一凈化材料，所述粒徑為4-6mm的第一凈化材料覆蓋在所述粒徑為2-4mm的第一凈化材料的上方。

根據(jù)所述的制作方法制備得到的湖泊水體水質(zhì)凈化材料的使用方法，包括以下步驟：(1)將所述第二凈化材料投入湖泊治理區(qū)域，所述第二凈化材料的投加量與所述湖泊治理區(qū)域的面積之比為10-25kg/m²；(2)完成步驟(1)后，將所述第一凈化材料投入所述湖泊治理區(qū)域，覆蓋在所述第二凈化材料上方，所述第一凈化材料的投加量與所述湖泊治理區(qū)域的面積之比為5-15kg/m²；在投加所述第一凈化材料時，先投加粒徑為2-4mm的第一凈化材料，再投加粒徑為4-6mm的第一凈化材料，所述粒徑為4-6mm的第一凈化材料覆蓋在所述粒徑為2-4mm的第一凈化材料的上方。

本發(fā)明制備得到的所述湖泊水體水質(zhì)凈化材料的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明制備得到的所述湖泊水體水質(zhì)凈化材料，經(jīng)曝氣處理后的所述湖泊沉積物中的有機質(zhì)組分含量為5％～15％，經(jīng)焙燒處理后形成的凈化材料對水體中的氮磷污染物具有優(yōu)良的吸附效果，從而可有效凈化水質(zhì)。本發(fā)明步驟(3)中取沉積物制成粒徑為2-6mm的第一顆粒，將所第一顆粒置于300-550℃溫度下進行焙燒，制成第一凈化材料。所述第一顆粒粒徑為2-6mm，優(yōu)點在于這一粒徑范圍的第一顆粒在具有較大吸附面積的同時，還可在湖泊底部保持穩(wěn)定，不易因水流擾動而移動。

(2)本發(fā)明制備得到的所述湖泊水體水質(zhì)凈化材料，進一步優(yōu)選所述第一顆粒的粒徑分布為：粒徑為2-4mm的所述第一顆粒占所述第一顆?？倲?shù)量的55-65％，剩余則為粒徑4-6mm的所述第一顆粒。在投加所述第一凈化材料時，先投加粒徑為2-4mm的第一凈化材料，再投加粒徑為4-6mm的第一凈化材料，所述粒徑為4-6mm的第一凈化材料覆蓋在所述粒徑為2-4mm的第一凈化材料的上方；這種投加方式，使得粒徑較小的凈化材料鋪設在下層，粒徑較大的第一凈化材料鋪設在上方，下層凈化材料具有大的吸附面積，可提高對沉積物釋放出的污染物的吸附效率；上層凈化材料粒徑較大，可進一步吸收污染物且減少水流擾動對凈化材料的影響。

(3)本發(fā)明制備得到的所述湖泊水體水質(zhì)凈化材料，所述湖泊水體水質(zhì)凈化材料包括第二凈化顆粒，步驟(3)中，待所述沉積物陰干至含水量為50-60wt％，取沉積物的一部分，制成所述第一顆粒；將剩余沉積物干燥、研磨制成粒徑為50-150nm的粉體，將所述粉體在450-650℃溫度下進行焙燒；使用粘合劑漿液將焙燒后的粉體粘合成型，得到第二凈化材料。本發(fā)明的發(fā)明人經(jīng)長期研究發(fā)現(xiàn)，曝氣處理后的所述湖泊沉積物經(jīng)干燥、研磨制成50-150nm的粉體，焙燒后的粉體凈化材料對沉積物釋放的污染物具有優(yōu)異的吸附效果。但粉體顆粒粒徑較小，投放至湖泊使容易浮在水面上，難以實現(xiàn)均勻投放，本發(fā)明使用粘合劑漿液將所述粉體粘合成型，使得所述粉體易于沉入湖泊底部，成型后的粉體沉至湖泊底部后，在湖水的浸泡作用下解體，再次復原至粉體狀態(tài)，從而起到吸附作用。所述凈化材料在使用時，先將所述第二凈化材料投入湖泊治理區(qū)域，再將所述第一凈化材料投入所述湖泊治理區(qū)域，覆蓋在所述第二凈化材料上方。

(4)本發(fā)明制備得到的所述湖泊水體水質(zhì)凈化材料，優(yōu)選所述粘合劑漿液為湖泊沉積物原樣水溶液，從而使得所述凈化材料在制備過程中不引入任何湖泊外的物質(zhì)，減少對湖泊環(huán)境的影響。

(5)本發(fā)明制備得到的所述湖泊水體水質(zhì)凈化材料，優(yōu)選在第二凈化材料粘合成型的過程中加入沉水植物種子，種子隨著第二凈化材料均勻分布在湖泊底層并萌發(fā)生長，沉水植物對底泥釋放的污染物有生物凈化的功能，從而可持續(xù)對污染物進行凈化。

為了使本發(fā)明所述的湖泊水體水質(zhì)凈化材料的制備和使用方法的技術方案更加清楚明白，以下結合具體實施方式，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。

具體實施方式

采樣及樣品前處理方法

下述實施例1-4的步驟(1)中使用的湖泊沉積物原樣取自云南洱海，采樣時使用底泥采樣器，將采取的底泥中的植物殘體、殼體等雜物去除，即得到所述湖泊沉積物原樣。將所述湖泊沉積物原樣攪拌均勻，取3小份樣品進行凍干處理，采用重鉻酸鉀容量法——外加熱法測定3小份樣品中的有機質(zhì)含量，取平均值，從而得到所述湖泊沉積物原樣的初始有機質(zhì)含量為1.8wt％。

實施例1

本實施例提供的湖泊水體水質(zhì)凈化材料的制作方法，包括以下步驟：(1)取湖泊沉積物原樣，加水制成湖泊沉積物原樣的漿液，所述湖泊沉積物漿液的固液比為1:4；采用含氧氣體對所述湖泊沉積物漿液進行曝氣，曝氣量為10m³/(h﹒m³)，即每立方米的湖泊沉積物原樣漿液的曝氣量為10m³/h，曝氣的時間為36小時；完成曝氣后進行靜置沉降，經(jīng)上述曝氣處理后的所述湖泊沉積物中的有機質(zhì)組分含量為5.5wt％；(2)步驟(1)中的靜置沉降完成后，除去漿液中的上覆水，保留下層的沉積物，對所述沉積物進行陰干；(3)待所述沉積物陰干至含水量為50wt％，取沉積物制成粒徑為2-6mm的第一顆粒，所述第一顆粒的粒徑分布為：粒徑為2-4mm的所述第一顆粒的數(shù)量占所述第一顆?？倲?shù)量的55％，剩余的占所述第一顆?？倲?shù)量45％的第一顆粒的粒徑為4-6mm。將所第一顆粒置于300℃溫度下進行焙燒，制成第一凈化材料。

實施例2

本實施例提供的湖泊水體水質(zhì)凈化材料的制作方法，包括以下步驟：

(1)取湖泊沉積物原樣，加水制成湖泊沉積物漿液，所述湖泊沉積物漿液的固液比以重量計為1:5；采用含氧氣體對所述湖泊沉積物漿液進行曝氣，曝氣量為12m³/(h﹒m³)，曝氣的時間為36小時，完成曝氣后進行靜置沉降；經(jīng)上述曝氣處理后的所述湖泊沉積物中的有機質(zhì)組分含量為11.1wt％。

(2)步驟(1)中的靜置沉降完成后，除去漿液中的上覆水，保留下層的沉積物，對所述沉積物進行陰干。

(3)待所述沉積物陰干至含水量為60wt％，取沉積物的一部分制成粒徑為2-6mm的第一顆粒，所述第一顆粒的粒徑分布為：粒徑為2-4mm的所述第一顆粒的數(shù)量占所述第一顆粒總數(shù)量的65％，剩余的占所述第一顆?？倲?shù)量35％的第一顆粒的粒徑為4-6mm。將所第一顆粒置于550℃溫度下進行焙燒，制成第一凈化材料。取沉積物的另一部分，經(jīng)干燥、研磨制成粒徑為50-150nm的粉體，將所述粉體在550℃溫度下進行焙燒；使用粘合劑漿液將焙燒后的粉體粘合成型，本實施例中使用的粘合劑漿液為步驟(1)中制備得到的所述湖泊沉積物漿液，所述粘合劑漿液的添加量占所述粉體重量的20wt％；本實施例中所述粉體和所述粘合劑漿液混合后，捏合成粒徑為5-10mm的球形顆粒，得到第二凈化材料，所述第二凈化材料中，粒徑為5-7mm的球形顆粒占球形顆?？倲?shù)量的60％，剩余的粒徑為7-10mm的球形顆粒占所述球形顆粒總數(shù)量40％。

實施例3

本實施例提供的湖泊水體水質(zhì)凈化材料的制作方法，包括以下步驟：

(1)取湖泊沉積物原樣，加水制成湖泊沉積物漿液，所述湖泊沉積物漿液的固液比以重量計為1:5；采用含氧氣體對所述湖泊沉積物漿液進行曝氣，曝氣量為14m³/(h﹒m³)，曝氣的時間為40小時，完成曝氣后進行靜置沉降；經(jīng)上述曝氣處理后的所述湖泊沉積物中的有機質(zhì)含量為12.6wt％。

(2)步驟(1)中的靜置沉降完成后，除去漿液中的上覆水，保留下層的沉積物，對所述沉積物進行陰干。

(3)待所述沉積物陰干至含水量為60wt％，取沉積物的一部分制成粒徑為2-6mm的第一顆粒，所述第一顆粒的粒徑分布為：粒徑為2-4mm的所述第一顆粒的數(shù)量占所述第一顆?？倲?shù)量的60％，剩余的占所述第一顆?？倲?shù)量40％的顆粒的粒徑為4-6mm。將所第一顆粒置于550℃溫度下進行焙燒，制成第一凈化材料；取沉積物的另一部分，經(jīng)干燥、研磨制成粒徑為50-150nm的粉體，將所述粉體在550℃溫度下進行焙燒；使用粘合劑漿液將焙燒后的粉體粘合成型，本實施例中使用的粘合劑漿液為步驟(1)中制備得到的所述湖泊沉積物漿液，所述粘合劑漿液的添加量占所述粉體重量的10wt％；本實施例中所述粘合成型的方法為：將少量粉體和所述粘合劑漿液混合后，捏合成粒徑為2-3mm的球母，采用滾球法將球母置于粉體中滾動，在滾動過程中繼續(xù)噴灑粘合劑漿液，球母最終增大成為粒徑5-10mm的第二凈化材料；所述第二凈化材料中，粒徑為5-7mm的球形顆粒占球形顆粒總數(shù)量的80％，剩余的粒徑為7-10mm的球形顆粒占所述球形顆粒總數(shù)量20％。

實施例4

本實施例提供的湖泊水體水質(zhì)凈化材料的制作方法，包括以下步驟：

(1)在云南洱海取湖泊沉積物原樣，加水制成湖泊沉積物漿液，所述湖泊沉積物漿液的固液比以重量計為1:5；采用含氧氣體對所述湖泊沉積物漿液進行曝氣，曝氣量為15m³/(h﹒m³)，曝氣的時間為48小時，完成曝氣后進行靜置沉降；經(jīng)上述曝氣處理后的所述湖泊沉積物中的有機質(zhì)組分含量為13.1wt％。

(2)步驟(1)中的靜置沉降完成后，除去漿液中的上覆水，保留下層的沉積物，對所述沉積物進行陰干。

(3)待所述沉積物陰干至含水量為60wt％，取沉積物的一部分制成粒徑為2-6mm的第一顆粒，所述第一顆粒的粒徑分布為：粒徑為2-4mm的所述第一顆粒的數(shù)量占所述第一顆?？倲?shù)量的60％，剩余的占所述第一顆?？倲?shù)量40％的第一顆粒的粒徑為4-6mm。將所第一顆粒置于550℃溫度下進行焙燒，制成第一凈化材料。將所第一顆粒置于550℃溫度下進行焙燒，制成第一凈化材料；取沉積物的另一部分，經(jīng)干燥、研磨制成粒徑為50-150nm的粉體，將所述粉體在550℃溫度下進行焙燒；使用粘合劑漿液將焙燒后的粉體粘合成型，本實施例在粘合成型的過程中加入沉水植物種子，每個所述球形顆粒中沉水植物種子的數(shù)量為2-5粒。本實施例中使用的粘合劑漿液為步驟(1)中制備得到的所述湖泊沉積物漿液，所述粘合劑漿液的添加量占所述粉體重量的10wt％；本實施例中所述粘合成型的方法為：將少量粉體和沉水植物種子以及所述粘合劑漿液混合后，捏合成粒徑為3-4mm的球母，采用滾球法將球母置于粉體中滾動，在滾動過程中繼續(xù)噴灑粘合劑漿液，球母最終增大成為粒徑5-10mm的第二凈化材料；所述第二凈化材料中，粒徑為5-7mm的球形顆粒占球形顆粒總數(shù)量的50％，剩余的粒徑為7-10mm的球形顆粒占所述球形顆?？倲?shù)量50％。

需要說明的是，作為優(yōu)選的實施方式，上述實施例1-4中的凈化材料在制備時，均采用湖泊沉積物漿液作為粘合劑漿液，這樣設置的優(yōu)點在于更加適用于湖泊水質(zhì)治療，可避免向湖泊中引入外來物質(zhì)，作為可選擇的實施方式，所述粘合劑漿液也可采用粘土、淀粉、羥甲基纖維素中的一種或者多種與水混合制成的漿液，只要能實現(xiàn)粉體顆粒在投放前的臨時成型即可。

實驗例

為證明本發(fā)明制備得到的凈化材料的技術效果。特設置本實驗例對凈化材料的凈化效果進行驗證。具體實驗方法為：設置實驗箱進行實驗，所述實驗箱寬2米、長3米、高1米；將湖泊沉積物原樣鋪設在實驗箱內(nèi)，湖泊沉積物在箱底的鋪設厚度為20cm，模擬湖泊治理區(qū)域；在湖泊沉積物層的上方添加上覆水，上覆水采用純凈水，上覆水的深度為60cm。每組實驗例設兩個平行實驗，數(shù)據(jù)取平均值。

實驗例1

將實施例1制備得到的所述第一凈化材料攪拌均勻后投入試驗箱，共計投加30kg，第一凈化材料的投加量與所述湖泊治理區(qū)域的面積之比為5kg/m³。

實施例2

將實施例1中制備得到的所述第一凈化材料投入實驗箱，共計投加30kg，所述第一凈化材料的投加量與所述湖泊治理區(qū)域的面積之比為5kg/m³。本實施例中投加所述第一凈化材料時，先投加粒徑為2-4mm的第一凈化材料，再投加粒徑為4-6mm的第一凈化材料，所述粒徑為4-6mm的第一凈化材料覆蓋在所述粒徑為2-4mm的第一凈化材料的上方。

實驗例3

將實施例2中制備得到的所述第二凈化材料攪拌均勻后投入實驗箱，共計投加60kg，所述第二凈化材料的投加量與所述湖泊治理區(qū)域的面積之比為10kg/m³。完成第二凈化材料的投加后，將所述第一凈化材料攪拌均勻后投入所述實驗箱內(nèi)，覆蓋在所述第二凈化材料上方，所述第一凈化材料的投加量為90kg/m³，所述第一凈化材料的投加量與所述湖泊治理區(qū)域的面積之比為15kg/m³。

實驗例4

將實施例3中制備得到的所述第二凈化材料攪拌均勻后投入實驗箱，共計投加60kg，所述第二凈化材料的投加量與所述湖泊治理區(qū)域的面積之比為10kg/m²。完成第二凈化材料的投加后，將所述第一凈化材料攪拌均勻后投入所述實驗箱內(nèi)，覆蓋在所述第二凈化材料上方，所述第一凈化材料的投加量為90kg/m²，所述第一凈化材料的投加量與所述湖泊治理區(qū)域的面積之比為15kg/m²。

實驗例5

將實施例4中制備得到的所述第二凈化材料攪拌均勻后投入實驗箱，共計投加150kg，所述第二凈化材料的投加量與所述湖泊治理區(qū)域的面積之比為25kg/m³。完成第二凈化材料的投加后，將所述第一凈化材料攪拌均勻后投入所述實驗箱內(nèi)，覆蓋在所述第二凈化材料上方，所述第一凈化材料的投加量為90kg/m³，所述第一凈化材料的投加量與所述湖泊治理區(qū)域的面積之比為15kg/m³。

此外，還設置空白對比例，所述空白對比例的實驗箱不放置任何凈化材料。

將上述實驗例1～5和空白對比例中的實驗箱在25℃的恒溫環(huán)境中放置7天，并在第1、4、7、14、21、35d時對上述實驗箱中上覆水磷濃度進行測定，測定方法采用磷目鈧-紫外分光光度計法，各組上覆水磷含量(mg/l)的結果如表1所示：

由上述實驗結果可知，本發(fā)明制備得到的凈化材料可有效吸附湖泊沉積物釋放的磷污染物，從而凈化水質(zhì)。

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以權利要求為準。