專利名稱：一種利用粘性土實(shí)現(xiàn)淺水湖泊藻-草轉(zhuǎn)換的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用粘性土在冬春季改善淺水湖泊底質(zhì)調(diào)控水體藻-草快速轉(zhuǎn) 換的方法。本發(fā)明屬于富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的底質(zhì)改善和生態(tài)修復(fù)的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
我國(guó)目前66%以上的湖泊、水庫處于富營(yíng)養(yǎng)化的水平，其中重富營(yíng)養(yǎng)和超富營(yíng)養(yǎng) 的占22%，這使得富營(yíng)養(yǎng)化成為我國(guó)今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)的重大水環(huán)境問題。消除湖泊 富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵在于削減湖泊水體的氮、磷以及底泥有機(jī)碳和氮、磷的負(fù)荷。近年來，在外 源污染得到一定控制后，人們發(fā)現(xiàn)底泥成為污染物的重要蓄積庫，這使得水體污染物和營(yíng) 養(yǎng)鹽始終居高不下。對(duì)于內(nèi)源污染控制，往往采取清淤挖泥、營(yíng)養(yǎng)鹽鈍化、底層曝氣、稀釋 沖刷、調(diào)節(jié)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 可挖除表層污染底泥，但如若處理不當(dāng)，也會(huì)造成底泥的在懸浮和污染物再釋放，該方法需 要昂貴的治理費(fèi)用，而且存在生態(tài)系統(tǒng)破壞和水體自凈能力削弱等隱患，所以，在大規(guī)模使 用方面仍然存在爭(zhēng)議。在湖泊入水口直接添加化學(xué)藥品或向湖水中直接投灑化學(xué)藥品以 鈍化、沉淀湖泊營(yíng)養(yǎng)鹽(主要是磷)的方法，對(duì)于深水湖，有時(shí)能夠起到削減湖水磷負(fù)荷的 作用，但對(duì)于淺水湖，處理效果往往難以預(yù)料，而且長(zhǎng)期使用化學(xué)藥劑總會(huì)存在生態(tài)安全隱 患。底層曝氣技術(shù)應(yīng)用并不普遍，成本過高；稀釋和沖洗技術(shù)在水量充足時(shí)成本相對(duì)比較 低，能夠馬上見效，在污染物濃度高的情況下也能夠見到部分效果，但是，對(duì)于我國(guó)一個(gè)淡 水資源嚴(yán)重匱乏的國(guó)家來講，該方法不符合中國(guó)國(guó)情，另外水體稀釋能夠影響到底泥中的 污染物質(zhì)向水體中擴(kuò)散的速率，因此如果稀釋速度選擇的不恰當(dāng)，水體中的污染物濃度可 能反而會(huì)增加。此外，水生植被恢復(fù)，生態(tài)浮床和生態(tài)疏浚等技術(shù)也被應(yīng)用到內(nèi)源污染控制 中來，但是由此引發(fā)的外來物種入侵，沉水植被衰竭和腐敗造成的次生污染，浮床上高等植 物越冬困難以及來年再種植耗費(fèi)的巨大人力物力，以及生態(tài)疏浚中如何轉(zhuǎn)移處置污染物的 問題都不易短時(shí)間內(nèi)得到解決，而且治理成本過高，大范圍全湖實(shí)施仍然存在局限。原位底泥覆蓋技術(shù)在國(guó)外已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，世界上第一例原位覆蓋工程是1978 年在美國(guó)實(shí)施的，隨后，日本、挪威、和加拿大等國(guó)也相繼實(shí)施，國(guó)外大都采用細(xì)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(shù)表明，沙土覆蓋適用于水動(dòng)力 強(qiáng)度不大，污染程度不高的沉積物，天然的清潔泥沙不會(huì)改變水體的性質(zhì)，而對(duì)于水動(dòng)力 強(qiáng)度較大的天然湖泊就需要考慮覆蓋材料的沉降水穩(wěn)性和抗風(fēng)浪擾動(dòng)的能力。目前，國(guó) 內(nèi)關(guān)于富營(yíng)養(yǎng)化湖泊底質(zhì)原位覆蓋技術(shù)的相關(guān)專利主要采用紅土材料，適當(dāng)比例添加諸 如活性氧化鐵和活性氧化鋁(申請(qǐng)?zhí)?00510(^8579. 3)，或者添加粉煤灰和石灰粉(申 請(qǐng)?zhí)?00810058409. 3 ；申請(qǐng)?zhí)?00710191195. 2)，該類技術(shù)還停留在河道、養(yǎng)殖區(qū)、池塘 等小范圍的實(shí)驗(yàn)探索階段，而對(duì)于諸如太湖、滇池等大范圍的天然湖泊，其添加劑的生態(tài) 安全性仍需進(jìn)一步研究和驗(yàn)證，因而，此類方法在天然富營(yíng)養(yǎng)化湖泊進(jìn)行大范圍實(shí)施操 作仍有困難。此外，楊浩和王國(guó)祥提出在藍(lán)藻休眠期去除藍(lán)藻的方法和設(shè)備(申請(qǐng)?zhí)?200810244179. X)，證明在休眠期減少藍(lán)藻的量可以減緩藍(lán)藻水華的暴發(fā)，但該方法仍無法避免在吸走一定量藍(lán)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(dòng)水-泥界面上的微生物和底棲動(dòng)物群落，而該技術(shù)對(duì)于如何改善厭氧底質(zhì)以及 生態(tài)修復(fù)卻并未提及。近年來，在湖泊內(nèi)源污染治理和沉水植被的生態(tài)修復(fù)方面，本發(fā)明 人提出了一系列新的方法。在國(guó)際上首先將改性粘土除藻技術(shù)(英國(guó)專利GB2337749; CN141713 6 ； CN14188 2 5)應(yīng)用到淡水水華治理問題，使得當(dāng)?shù)赝寥乐卫懋?dāng)?shù)厮蔀榭赡?(Pan,G. . et al. ,Environmental Pollution 2006，連續(xù)三篇系列論文)。為解決沉降藍(lán)藻 細(xì)胞的腐爛分解耗氧和底質(zhì)污染物釋放問題，潘綱等又相繼提出了改性粘土增氧固磷技術(shù) (CN200310113305. 5 ；CN200510063410. 1)，既有效的改善了水底厭氧環(huán)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(qǐng)?zhí)?510063410. 1)，使得底 質(zhì)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”后的沉積物溶 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并將藻華在水底轉(zhuǎn)化成為 沉水植被的方法(CN1769198A)，并申請(qǐng)了國(guó)際專利，這不但解決了夏季藻華再次泛起和底 泥二次污染問題，而且還利用當(dāng)?shù)赝寥莱搴蟾纳屏怂|(zhì)，達(dá)到了促進(jìn)沉水植被恢復(fù)的目 的。2006年，潘綱等發(fā)明了一種能夠同時(shí)完成藻華清除和生態(tài)修復(fù)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(tài)恢復(fù)的方法能在淡水湖泊 大面積得以應(yīng)用并推向機(jī)械化實(shí)施。但是，本發(fā)明人的這些方法和技術(shù)均是針對(duì)夏季藍(lán)藻 暴發(fā)期間應(yīng)用和實(shí)施的，在夏季，絮凝沉降的藍(lán)藻在沉積物表層往往趨于衰亡，這會(huì)加重底 泥厭氧，即使快速除藻改善了水質(zhì)條件，但底質(zhì)條件往往不利于沉水植被的快速恢復(fù)，在夏 季要實(shí)現(xiàn)快速藻-草轉(zhuǎn)換仍有困難。很多研究表明，在休眠期間，藍(lán)藻活體大部分都集中在 水-泥界面附近。如果，在這階段利用無污染的當(dāng)?shù)赝寥阑蛘哒承粤己玫恼惩恋V物將藍(lán)藻 種源隔絕在湖底，有效隔斷底泥營(yíng)養(yǎng)鹽再釋放，并利用粘性土顆粒表面負(fù)載的氧改善底質(zhì) 的厭氧環(huán)境，同時(shí)播撒春季易萌發(fā)生長(zhǎng)的沉水植物的種子及其產(chǎn)物，使得沉水植被在生長(zhǎng) 過程中有效吸收底泥中的營(yíng)養(yǎng)鹽，在藍(lán)藻休眠間隙快速恢復(fù)起來占據(jù)主體，就有望使富營(yíng) 養(yǎng)化的淺水湖泊從藻型快速向草型轉(zhuǎn)變。但是目前，在冬春季，利用粘性土改善底質(zhì)，調(diào)控 湖泊藻-草轉(zhuǎn)換的生態(tài)修復(fù)技術(shù)未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提出一種利用藍(lán)藻休眠間隙，借助粘性土改善淺水湖泊底質(zhì)，調(diào)控水 體藻-草快速轉(zhuǎn)換的湖泊生態(tài)修復(fù)的方法。具體的說，該方法是在藍(lán)藻休眠間隙，選擇成本 低廉，生態(tài)安全的湖泊當(dāng)?shù)赝寥阑蛘哒惩恋V物材料，噴灑覆蓋淺水湖泊底質(zhì)，隔絕藍(lán)藻種源 和厭氧底質(zhì)，改善底質(zhì)環(huán)境，從而促進(jìn)伴隨粘性土一同播撒的沉水植被在藍(lán)藻休眠間隙快 速恢復(fù)，這樣，可調(diào)控富營(yíng)養(yǎng)化的淺水湖泊從藻型湖泊向草型湖泊快速轉(zhuǎn)變，有效防止藍(lán)藻 在春季的復(fù)蘇和夏季的暴發(fā)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，所述的覆蓋底泥的粘性土可以是湖泊周圍未污染的原位 土壤，也可以是與湖泊底質(zhì)相近的粘土礦物，如伊利石、蒙脫土、凹凸棒石、膨潤(rùn)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，沉降后 水穩(wěn)性好，不易再懸浮等優(yōu)點(diǎn)，可以有效覆蓋休眠期的藍(lán)藻種源，阻止被覆蓋藍(lán)藻的復(fù)蘇或 者由于風(fēng)浪擾動(dòng)原因造成的再次泛起，隔絕底質(zhì)中營(yíng)養(yǎng)鹽向水體釋放。根據(jù)所述的粘性土的制備方法，其特征在于，在太陽下曝曬，自然風(fēng)干，之后粉碎過篩，取100 300目均可，顆粒材料多孔結(jié)構(gòu)中負(fù)載的氧在沉降過程中，由于水體和底質(zhì) 中溫度、壓力和溶解氧等條件的變化，可以向水體和底質(zhì)中緩慢釋放氧，從而提高底質(zhì)的氧 含量和氧化還原電位，改善沉水植被在底質(zhì)中的生長(zhǎng)環(huán)境，也不會(huì)影響底棲動(dòng)物生存需氧量。所述的實(shí)施時(shí)間是藍(lán)藻休眠間期，其特征在于，根據(jù)藍(lán)藻水華生成的四階段理論 (休眠，復(fù)蘇，生長(zhǎng)，上浮聚集)，冬末春初一般是藍(lán)藻休眠期，在休眠期，藍(lán)藻的活體絕大多 數(shù)都在底部沉積物表面，因此，在這個(gè)階段利用粘性土對(duì)其進(jìn)行覆蓋和阻攔，可以最大程度 的隔絕藍(lán)藻種源，從而有效地防止藍(lán)藻在春季的復(fù)蘇和夏季的暴發(fā)。所述的沉水植被，其特征在于，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(tài)位，搭配播種，使其生長(zhǎng)時(shí)間可以銜接，從而保證 沉水植被在水體中的主體地位。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種恢復(fù)沉水植被的方法，其特征在于，冬末春初 是湖泊水質(zhì)和透明度較好時(shí)節(jié)，適合沉水植物充分快速生長(zhǎng)。沉水植被的種子及其產(chǎn)物需 要經(jīng)過曬種、浸種和培育以獲得處于不同生長(zhǎng)階段的種子、根塊、芽殖體、苗或者植株，不同 生長(zhǎng)階段的沉水植物可以用于不同的水生環(huán)境；優(yōu)先選擇容易在春季萌發(fā)的沉水植被的種 子及其產(chǎn)物，將其包裹在制備好的粘性土中，通過船只或者飛機(jī)等機(jī)械化手段噴灑到湖中， 利用粘性土改善底質(zhì)間隙，沉水植物快速生長(zhǎng)，在水體中占據(jù)主體，并吸收和轉(zhuǎn)化來自底泥 中死亡藍(lán)藻釋放的營(yíng)養(yǎng)鹽。


圖1實(shí)施例1中不同覆蓋材料在不同攪拌時(shí)間下濁度的比較圖2實(shí)施例2中沉水植物在厭氧底泥中培養(yǎng)70天時(shí)的恢復(fù)情況圖3實(shí)施例2中沉水植物在覆蓋岸邊土壤的底泥中培養(yǎng)70天時(shí)的恢復(fù)情況
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)給予進(jìn)一步詳細(xì)的說明。實(shí)施例1不同材料的覆蓋效果實(shí)驗(yàn)選取無錫太湖十八灣沿岸的清潔土壤、高嶺土、伊利石、膨潤(rùn)土，海泡石和二氧化 硅作為材料，在太陽照射下自然風(fēng)干，然后碾碎研磨，過180目篩網(wǎng)，將預(yù)處理好的不同材 料分別添加到500ml燒杯內(nèi)，每個(gè)燒杯添加大約距離底部2cm厚的粘土材料，然后向每個(gè)燒 杯添加400ml去離子水，充分?jǐn)嚢?，靜置二天之后，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(lián)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(gè)燒杯中的上清液，定轉(zhuǎn)速40r/min，在不同攪拌時(shí)間下分別測(cè) 定濁度(如圖1所示)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)伊利石、岸邊土壤和膨潤(rùn)土粘度較強(qiáng)，抗風(fēng)浪干擾的能力較 強(qiáng)，二氧化硅(砂子或礫石)粘度最弱，抗風(fēng)浪干擾的能力最差，采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，在水中沉降后水穩(wěn)性好，不易再懸浮，抗風(fēng)浪干擾能 力要比砂子或礫石強(qiáng)。實(shí)施例2厭氧底泥和岸邊土壤修復(fù)底泥條件下沉水植被的恢復(fù)效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)
在Im3生態(tài)模擬水箱底部放入?yún)捬醯啄?，設(shè)立不添加土壤的厭氧底泥對(duì)照組和覆 蓋土壤的修復(fù)組，每個(gè)箱體水深達(dá)70cm，光照條件L D = 14 10，水溫25°C，光照強(qiáng)度 166uw/cm20在沉積物上播種苦草草種。5天后，兩組沉積物上均有白色種芽發(fā)出；10天后， 修復(fù)組種芽呈現(xiàn)綠色，而對(duì)照組種芽仍為白色。20天后，修復(fù)組的苦草已經(jīng)分蘗，長(zhǎng)出綠色 枝葉，植株變高變粗，而對(duì)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(yǎng)到70天時(shí)(如圖2和3所示)，修復(fù)組苦草株高平均達(dá)5cm，苦草恢復(fù)成功，而 對(duì)照組苦草種芽已經(jīng)死亡，沒有沉水植被的生命痕跡。因此從結(jié)果看，粘性土覆蓋底泥的方 法可以改善底質(zhì)環(huán)境，促進(jìn)沉水植被的生長(zhǎng)，進(jìn)而達(dá)到生態(tài)修復(fù)的目的。
權(quán)利要求
1.一種利用藍(lán)藻休眠間隙，借助粘性土改善淺水湖泊底質(zhì)條件，調(diào)控水體藻一草快速 轉(zhuǎn)換的湖泊生態(tài)修復(fù)的方法，其特征在于選擇具有良好粘性的土壤或粘土礦物，覆蓋湖泊 底質(zhì)中休眠的藍(lán)藻種源，隔絕原本湖泊的厭氧底質(zhì)，改善底質(zhì)環(huán)境，使得隨粘土一同播撒的 沉水植被種子及其產(chǎn)物在藍(lán)藻休眠間隙快速恢復(fù)，最終達(dá)到有效防止藍(lán)藻在春季復(fù)蘇和夏 季暴發(fā)的目的。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的實(shí)施時(shí)間是在藍(lán)藻休眠間隙而未向 水體復(fù)蘇的冬末春初時(shí)節(jié)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的覆蓋湖泊底質(zhì)的粘性土，是高粘性， 沉降后水穩(wěn)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(qū)域的當(dāng)?shù)赝寥?，?可以是伊利石、蒙脫土、凹凸棒石、膨潤(rùn)土、海泡石等粘土礦物中的一種或者幾種。
4.如權(quán)利要求1和3所述的粘性土的制備，其特征在于，選擇一定的粒度范圍，經(jīng)過太 陽曝曬，自然風(fēng)干，包裹著沉水植被的種子及其產(chǎn)物由機(jī)械裝置一同撒入湖中。
5.如權(quán)利要求1和4所述的沉水植被，其特征在于，選擇適宜冬末春初播種，在春季萌 發(fā)生長(zhǎng)的沉水植被的種子及其產(chǎn)物進(jìn)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(fā)明提供了一種利用藍(lán)藻休眠間隙，借助粘性土改善淺水湖泊底質(zhì)條件，調(diào)控水體藻—草快速轉(zhuǎn)換的湖泊生態(tài)修復(fù)的方法，具體的說，是在藍(lán)藻休眠間隙，選擇成本低廉，生態(tài)安全的，具有良好粘性的湖泊當(dāng)?shù)赝寥阑蛘哒惩恋V物材料，噴灑覆蓋富營(yíng)養(yǎng)化淺水湖泊底質(zhì)，隔絕藍(lán)藻種源和厭氧沉積物，改善底質(zhì)環(huán)境，促進(jìn)伴隨粘性土一同播撒的沉水植被在冬春季的藍(lán)藻休眠間隙快速恢復(fù)，調(diào)控淺水湖泊由富營(yíng)養(yǎng)化的藻型湖泊向草型湖泊快速轉(zhuǎn)換，從而有效防止藍(lán)藻在春季的復(fù)蘇和夏季的暴發(fā)。該方法可應(yīng)用于湖泊、池塘和景觀水的底質(zhì)改善和生態(tài)修復(fù)中。
文檔編號(hào)C02F3/32GK102139958SQ20101010418
公開日2011年8月3日 申請(qǐng)日期2010年2月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月2日
發(fā)明者代立春, 周瑩, 楊波, 潘綱, 王丹 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心