專利名稱：一種利用納米氣泡修復(fù)湖泊和厭氧底泥的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用納米氣泡治理湖泊污染和修復(fù)厭氧底泥的 復(fù)合材料和方法。本發(fā)明屬于納米技術(shù)與環(huán)境污染治理領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
水體的富營(yíng)養(yǎng)化問題是我國(guó)水體污染中一個(gè)比較嚴(yán)重的問題。 在富營(yíng)養(yǎng)化水體中，溶解氧含量低，水體透明度不高，底質(zhì)嚴(yán)重厭 氧，水體營(yíng)養(yǎng)鹽含量高，水質(zhì)惡化。目前許多已公開的針對(duì)天然水 體污染治理與控制技術(shù)由于自身技術(shù)的缺陷和諸多因素的限制，被 認(rèn)為不宜用于此類大范圍的天然水體，例如，化學(xué)法由于化學(xué)試劑 本身對(duì)環(huán)境的污染而被禁用，生物法由于選擇性、制備和成本等原 因，難以大范圍應(yīng)用。此外，治理此類水體污染，除了要去除水華 和部分營(yíng)養(yǎng)鹽、提高水體的透明度外，更要增加水體含氧量和改善 底質(zhì)厭氧環(huán)境，使沉水植被盡快得到恢復(fù)，從而才能從根本上扭轉(zhuǎn) 水體富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)程，恢復(fù)水體功能。目前，用得較多的增氧技術(shù)是 通過(guò)曝氣裝置于水體中進(jìn)行曝氣，但是此類技術(shù)對(duì)動(dòng)力和能量要求 較高，成本較大，其增氧效果也不可能突破溶解氧飽和值，曝氣過(guò) 程中大量的氣泡會(huì)溢出，造成很大程度的浪費(fèi)，效率低，難以大面 積應(yīng)用，只適用于小水體的環(huán)境治理。
近年來(lái)，有大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了納米氣泡的存在，原子力顯 微鏡也直接觀察到了納米氣泡，由于其量子效應(yīng)以及巨大的界面效 應(yīng)，加上納米氣泡的綠色環(huán)保和安全性，納米氣泡技術(shù)將可能具有非常廣闊的應(yīng)用前景。已有報(bào)道表明，利用高壓溶解發(fā)泡和高速旋 回式氣液混合發(fā)泡等技術(shù)，可產(chǎn)生微米、納米級(jí)的氣泡，并利用微、 納米氣泡的特性承載氣體，比如氧氣或者臭氧等氣體，生產(chǎn)各種機(jī) 能水，用于污水處理等方面。但是，這類技術(shù)產(chǎn)生的微納米氣泡都 是存在于氣液體系中，氣泡的存在時(shí)間短，穩(wěn)定性不強(qiáng)，實(shí)際使用 時(shí)需要原位持續(xù)產(chǎn)氣，能耗很高，效率較低，此外，這類納米氣泡 技術(shù)需要特殊的設(shè)備在限定的水體中應(yīng)用，使用范圍受到很大的限 制。目前為止，只有通過(guò)特殊曝氣產(chǎn)生納米氣泡的報(bào)道，尚不知如 何使納米氣泡穩(wěn)定，更不知如何操控納米氣泡的大小、密度及其他 性能。這成為納米氣泡技術(shù)邁向?qū)嶋H應(yīng)用的主要障礙。
為了達(dá)到治理和修復(fù)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊等大范圍天然水體的目的， 必須要有低成本的、可大規(guī)模應(yīng)用的治理方法和技術(shù)，并考慮治理 的生態(tài)安全性以及長(zhǎng)效性，在大面積快速改善水質(zhì)的同時(shí)，達(dá)到生 態(tài)恢復(fù)的條件(如沉水植物)，實(shí)現(xiàn)湖泊的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化。本發(fā)明人曾于
2002年提出了一種以天然高分子聚合物改性粘土來(lái)制備高效無(wú)毒的 藻絮凝劑，用于藻華治理的專利技術(shù)(申請(qǐng)?zhí)?2155284.3)，該技 術(shù)不僅可將任何當(dāng)?shù)赝寥栏男猿蔀楦咝У脑逍跄齽?，而且可以大?guī) 模低成本的治理富營(yíng)養(yǎng)化水體，但此技術(shù)有其缺陷投加的粘土增 加了底泥和沉積物的積累，沉降到底部的藻類死亡分解消耗大量的 氧氣，造成底質(zhì)厭氧。為克服上述缺陷，本發(fā)明人分別于2003年和 2005年提出了一種用湖泊沉積物治理水華和底泥的二次污染的專利 技術(shù)(申請(qǐng)?zhí)?00310113305.5)和一種利用粘土凝聚將水華轉(zhuǎn)化為水底植被的方法(申請(qǐng)?zhí)?00510099736X)，以上2個(gè)技術(shù)雖然在 低成本、可大規(guī)模應(yīng)用的基礎(chǔ)上，向治理的生態(tài)安全性以及長(zhǎng)效性 又靠近了一步，但是，在底泥修復(fù)和提高水體溶解氧水平上效果不 顯著，沉水植被恢復(fù)比較緩慢。因此，配合前述的水體納米氣泡增 氧技術(shù)和可大規(guī)模應(yīng)用的湖泊治理技術(shù)，將有望實(shí)現(xiàn)低成本、可大 規(guī)模應(yīng)用的湖泊等天然水體治理方法和技術(shù)，同時(shí)兼具生態(tài)安全性 以及長(zhǎng)效性，在大面積快速改善水質(zhì)的同時(shí)，改善底質(zhì)和提高水體 溶解氧水平，達(dá)到生態(tài)恢復(fù)的條件(如沉水植物恢復(fù)所需的條件)， 實(shí)現(xiàn)湖泊的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種利用納米氣泡改性固體顆粒物，在清除湖 泊水華和污染物的同時(shí)，快速修復(fù)水體厭氧環(huán)境、特別是修復(fù)底泥 厭氧環(huán)境的復(fù)合材料和方法。具體的說(shuō)，是采用無(wú)毒無(wú)害的固體顆 粒物，經(jīng)過(guò)一定方式負(fù)載納米氣泡后制得復(fù)合材料，并將所述復(fù)合 材料用于大面積絮凝去除富營(yíng)養(yǎng)化水體中有害藻類和污染物，同時(shí) 改善底泥厭氧環(huán)境，提高厭氧底泥的氧化還原電位和增加水體中溶 解氧的方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種可以快速消除湖泊水華和 污染物，同時(shí)改善底泥厭氧環(huán)境、增加底泥和水體溶解氧的復(fù)合材 料，所述復(fù)合材料為穩(wěn)定的含有納米氣泡的氣-液-固三相共存材料， 是采用土壤或粘土等固體顆粒物，經(jīng)過(guò)一定方式負(fù)載納米氣泡后制 得，并可通過(guò)調(diào)節(jié)固體顆粒物的種類、濃度和改性劑等手段調(diào)控納米氣泡的數(shù)量、大小和密度等性質(zhì)。
所述的納米氣泡可以是由納米氣泡發(fā)生裝置產(chǎn)生的空氣納米氣 泡、氧氣納米氣泡或者臭氧納米氣泡。
所述的負(fù)載納米氣泡的一定方式可以是通過(guò)納米氣泡發(fā)生裝置 直接負(fù)載于原位土壤或粘土顆粒上，也可以是首先通過(guò)改性劑對(duì)原 位土壤或粘土顆粒表面進(jìn)行改性，然后再通過(guò)納米氣泡發(fā)生裝置負(fù) 載，也可以是通過(guò)調(diào)控溫度變化產(chǎn)生納米氣泡來(lái)進(jìn)行負(fù)載。
所述的固體顆粒物可以是當(dāng)?shù)氐耐寥李w粒物，也可以是多孔性 的或含有憎水基團(tuán)的粘土或礦物，如沸石、硅藻土、膨潤(rùn)土、高嶺 土、海泡石、蒙脫土中的一種或幾種，也可以是具有疏水性表面的 固體顆粒，如二氧化硅、石墨、云母中的一種或幾種。
所述的改性劑可以是天然的高分子聚合物，例如殼聚糖及其衍 生物，也可以是通過(guò)與粘土或土壤結(jié)合而形成憎水基團(tuán)的其他聚合 物，如陰離子和陽(yáng)離子表面活性劑等。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種使用前述復(fù)合材料治理富 營(yíng)養(yǎng)化水體和修復(fù)厭氧底泥的方法。包括通過(guò)機(jī)械方法將前述復(fù)合 材料播撒或噴射到湖面，所述復(fù)合材料能快速絮凝藻類等污染物并 除濁，此后，沉降于底泥上的復(fù)合材料能對(duì)厭氧底泥進(jìn)行修復(fù)，提 高底泥的氧化還原電位，并可以緩慢釋放出氧氣，提高水體的溶解 氧水平。由此，可通過(guò)一步完成大面積的水華清除，提高水體透明 度，修復(fù)厭氧底泥和提高水體溶解氧水平的目的。
使用本發(fā)明的復(fù)合材料和方法，可以達(dá)到在清除湖泊水華、提高水體透明度的同時(shí)，大面積的改善底泥厭氧環(huán)境，提高水體的溶 解氧水平，為沉水植被的快速生長(zhǎng)和富營(yíng)養(yǎng)化水體生態(tài)恢復(fù)提供良 好的環(huán)境，并且兼具湖泊治理的生態(tài)安全性和長(zhǎng)效性。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例1中氧氣納米氣泡材料的含氧量；
圖2是本發(fā)明實(shí)施例3中用復(fù)合材料進(jìn)行大面積除藻和底泥修 復(fù)前后水體透明度的變化；
圖3是本發(fā)明實(shí)施例3中用復(fù)合材料進(jìn)行大面積除藻和底泥修 復(fù)前后水體溶解氧的變化；
圖4是本發(fā)明實(shí)施例3中用復(fù)合材料進(jìn)行大面積除藻和底泥修 復(fù)前后水體ORP的變化；
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供了一種可以大面積應(yīng)用的湖泊水華清除和底泥修復(fù) 的復(fù)合材料，所述復(fù)合材料是采用固體顆粒材料，經(jīng)過(guò)一定方式負(fù) 載納米氣泡后制得，其能在大面積清除水華的同時(shí)，顯著的改善底 泥厭氧環(huán)境，提高水體溶解氧水平。本發(fā)明還提供了一種可以大面 積清除水華同時(shí)修復(fù)厭氧底泥的方法。具體的說(shuō)，通過(guò)機(jī)械方法將 前述復(fù)合材料播撒或噴射到湖面，所述復(fù)合材料能快速絮凝藻類等 污染物并除濁，此后，沉降于底泥上的復(fù)合材料能對(duì)厭氧底泥進(jìn)行 修復(fù)，提高底泥的氧化還原電位，并可以緩慢釋放出氧氣，提高水 體的溶解氧水平。本發(fā)明的特點(diǎn)是在達(dá)到清除水華、提高水體透明度的同時(shí)，大面積的改善底泥厭氧環(huán)境，提高水體的溶解氧水平， 為沉水植被的快速生長(zhǎng)和生態(tài)恢復(fù)提供良好的環(huán)境。
下面通過(guò)具體實(shí)施例詳細(xì)介紹本發(fā)明。
實(shí)施例l:負(fù)載氧氣納米氣泡材料的制備
將2000mg膨潤(rùn)土懸浮于1L水中制得懸濁液，然后采用納米氣 泡發(fā)生裝置于前述懸濁液中產(chǎn)生納米氣泡，使得氧氣納米氣泡負(fù)載 于膨潤(rùn)土顆?？障侗砻?，取裝置運(yùn)行30min后的懸濁液測(cè)定氧氣的 含量；為了對(duì)比負(fù)載氧氣納米氣泡的效果，擬定兩組對(duì)照， 一組以 蒸餾水代替懸濁液，采取同樣步驟，測(cè)定含有氧氣納米氣泡的蒸餾 水氧氣的含量，另一組采用蒸餾水直接測(cè)定溶解氧含量，做完全空 白對(duì)照。結(jié)果見圖1。從圖1可以發(fā)現(xiàn)，有氧氣納米氣泡存在的蒸餾 水和膨潤(rùn)土懸濁液中，氧氣含量顯著高于空白蒸餾水的氧氣含量(此 含量為實(shí)驗(yàn)溫度下蒸餾水飽和溶解氧的含量)，而且在負(fù)載了氧氣納 米氣泡的膨潤(rùn)土懸濁液中，氧氣含量高于氧氣納米氣泡存在的蒸餾 水。負(fù)載了氧氣納米氣泡的膨潤(rùn)土懸濁液能將氧氣含量提高到溶解 氧水平的4倍到5倍。
實(shí)施例2:氧氣納米與改性土壤復(fù)合材料制備
采用20g太湖岸邊土壤，過(guò)180目篩，然后加入lg天然高分子 聚合物殼聚糖，在稀酸條件下制成1L懸漿。然后將前述懸漿與實(shí)施 例1中的懸濁液按照一定比例在一定條件下混合，從而制得氧氣納 米氣泡與改性土壤復(fù)合材料。
實(shí)施例3:用氧氣納米氣泡復(fù)合材料進(jìn)行大面積除藻和底泥修復(fù)將制得的氧氣納米氣泡和改性土壤復(fù)合材料與水按一定比例混
合，采用機(jī)械方式噴灑至所選取的太湖工程示范區(qū)，示范區(qū)面積5 萬(wàn)平米，噴灑前，水體表面覆蓋著藍(lán)藻水華，水體的透明度低于10cm， 溶解氧低于0.5mg/L， ORP在-100mV以下。噴灑前述復(fù)合材料1天 后，在工程區(qū)內(nèi)取6個(gè)點(diǎn)采樣測(cè)定水質(zhì)指標(biāo)，水體透明度由不足1 Ocm 提高到40cm以上，溶解氧由不足0.5 mg/L提高到3mg/L以上，ORP 轉(zhuǎn)為正值(見圖2、圖3和圖4)。
權(quán)利要求
1、一種利用納米氣泡改性固體顆粒物，在清除湖泊水華和污染物的同時(shí)，快速修復(fù)水體厭氧環(huán)境、特別是修復(fù)底泥厭氧環(huán)境的復(fù)合材料和方法，具體的說(shuō)，是采用無(wú)毒無(wú)害的固體顆粒物，經(jīng)過(guò)一定方式負(fù)載納米氣泡后制得復(fù)合材料，并將所述復(fù)合材料用于大面積絮凝去除富營(yíng)養(yǎng)化水體中有害藻類和污染物，同時(shí)改善底泥厭氧環(huán)境，提高厭氧底泥的氧化還原電位和增加水體中溶解氧的方法。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述復(fù)合材料為穩(wěn) 定的含有納米氣泡的氣-液-固三相共存材料，其中固體材料可以是 土壤或粘土等固體顆粒物，經(jīng)過(guò)一定方式負(fù)載納米氣泡后制得， 并可通過(guò)調(diào)節(jié)固體顆粒物的種類、濃度和改性劑等手段調(diào)控納米 氣泡的數(shù)量、大小和密度等性質(zhì)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述的負(fù) 載納米氣泡的一定方式可以是通過(guò)納米氣泡發(fā)生裝置直接負(fù)載于 原位土壤或粘土顆粒上，也可以是首先通過(guò)改性劑對(duì)原位土壤或 粘土顆粒表面進(jìn)行改性，然后再通過(guò)納米氣泡發(fā)生裝置負(fù)載，也 可以是通過(guò)調(diào)控溫度變化產(chǎn)生納米氣泡來(lái)進(jìn)行負(fù)載。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述的固 體顆粒物可以是當(dāng)?shù)氐耐寥李w粒物，也可以是多孔性的或含有憎 水基團(tuán)的粘土或礦物，如沸石、硅藻土、膨潤(rùn)土、高嶺土、海泡石、蒙脫土中的一種或幾種，也可以是具有疏水性表面的固體顆 粒，如二氧化硅、石墨、云母中的一種或幾種。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述的納 米氣泡可以是由納米氣泡發(fā)生裝置產(chǎn)生的空氣納米氣泡、氧氣納 米氣泡或者臭氧納米氣泡。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的復(fù)合材料，其特征在于，所述的改 性劑可以是天然的高分子聚合物，例如殼聚糖及其衍生物，也可 以是通過(guò)與粘土或土壤結(jié)合而形成憎水基團(tuán)的其他聚合物，如陰 離子和陽(yáng)離子表面活性劑等。
7、 一種使用了權(quán)利要求1和2所述的復(fù)合材料治理富營(yíng)養(yǎng)化水體 和修復(fù)厭氧底泥的方法，包括通過(guò)機(jī)械方法將前述復(fù)合材料播撒 或噴射到湖面，前述復(fù)合材料能快速絮凝藻類等污染物并除濁， 此后，沉降于底泥上的復(fù)合材料能對(duì)厭氧底泥進(jìn)行修復(fù)，提高水 體的溶解氧水平，并且兼具湖泊治理的生態(tài)安全性和長(zhǎng)效性。
全文摘要
本發(fā)明提供一種利用納米氣泡快速清除湖泊水華并修復(fù)厭氧底泥的復(fù)合材料，所述復(fù)合材料可以達(dá)到在大面積快速消除水華、提高水體透明度的同時(shí)，修復(fù)厭氧底泥，提高底泥的氧化還原電位，增加水體的溶解氧水平，所述的納米氣泡為氧氣納米氣泡、臭氧納米氣泡或空氣納米氣泡，并可通過(guò)一定方法調(diào)控納米氣泡的數(shù)量、大小和密度等性質(zhì)。本發(fā)明還提供了一種使用前述復(fù)合材料修復(fù)湖泊和厭氧底泥的方法，包括通過(guò)機(jī)械方法將前述復(fù)合材料播撒或噴射到湖面，可同步完成大面積的水華清除，提高水體透明度，修復(fù)厭氧底泥和提高水體溶解氧水平的目的，為沉水植被的快速生長(zhǎng)和富營(yíng)養(yǎng)化水體生態(tài)恢復(fù)提供良好的環(huán)境，并且此方法兼具湖泊治理的生態(tài)安全性和長(zhǎng)效性。
文檔編號(hào)C02F1/52GK101503238SQ20091008056
公開日2009年8月12日 申請(qǐng)日期2009年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月23日
發(fā)明者丁程程, 廖龍標(biāo), 壘 李, 波 楊, 綱 潘, 丹 王 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心