富营养化水体沉积物磷释放抑制剂及制备方法和应用

摘要

本发明涉及各类水体中，沉积物磷内源性释放问题的治理与预防；及大型燃煤电厂所排飞灰的资源化利用。富营养化水体沉积物磷释放抑制剂的制备方法，包括如下步骤：将飞灰保持其含水率为5％~10％；选择明矾缓冲溶液为添加剂，浸渍12~48小时，期间不断搅拌，使其充分混匀；将混合物放入高温炉中升温至100～300℃，将溶液中的Al固定于飞灰中。将处理后的飞灰经冷却、干燥得到磷释放抑制剂；使用时，抑制剂投加量为5kg/m2。本发明将原位固定技术与营养盐的钝化技术相结合，开发出以大型电厂飞灰为主要原料的沉积物磷释放抑制剂，使用效果好，且成本低廉，适用于各类水体富营养化问题的治理与预防。本发明还为电厂飞灰的安全处理与资源化利用提供了新的途径。

说明书

技术领域

本发明涉及各类水体中，沉积物磷内源性释放问题的治理与预防；及大型燃煤电厂所排飞灰的资源化利用。

背景技术

我国的天然湖泊约有2300余个，湖泊面积为70988km²，约占全国陆地总面积的0.8％，湖泊总贮水量为7077多亿m³。而据统计，我国主要湖泊处于因氮磷污染而导致富营养化的占统计湖泊的56％。水体一旦进入富营养阶段就会丧失其应有的功能，造成重大得经济损失，破坏环境景观。随着环境管理的不断完善，湖泊的外源性污染物的输入得到了有效的控制。但是湖泊富营养化的问题并未解决，主要的原因就是在入湖营养盐负荷减少或完全截污后，沉积物中的营养盐(主要是磷)会逐步释放出来，使水体保持在富营养化状态。因此，寻求一种经济有效的控制沉积物中磷释放的方法就成为治理水体富营养化的首要问题。目前国内外常采用的方法有以下三种：

(1)原位固定技术。原位覆盖是将一层清洁物质覆盖到污染的沉积物表面，从而有效地限制其对上覆水体的影响。覆盖材料可以是清洁沉积物、沙、砾石、薄膜，中间还可以混有单层或多种土工材料。原位覆盖可以将污染沉积物与底栖生物物理性地分开，防止沉积物迁移或再悬浮；同时降低污染物向水中的扩散通量，目前覆盖法已经在河道、近海、河口等地有成功使用。

(2)营养盐的钝化技术。铝盐或铁盐可以与无机和颗粒磷产生沉淀，减少水体中磷的含量。同时在沉积物表面形成一层新的活性层，并可以与沉积物中释放出来的磷形成共沉淀，阻止了磷向水体中的扩散。相关研究表明，一次释放能够保持1年的效用。一些模拟实验和应用也证实了此法的有效性。

(3)沉积物疏浚。从理论上讲，清除沉积物是最彻底的去除内源营养盐的方法，通过疏浚可以永久消除沉积物对水质的影响，短期水质改善效果明显，国内外应用较多。

以上三种方法中，疏浚最常用同时也是最危险的方法，疏浚残留下的沉积物残体很容易发生扩散，再次污染表层沉积物。另外疏浚所清出沉积物的安置也是需要谨慎对待的，沉积物中所含的重金属、农药等危险物质可能会由于安置不当而造成二次污染。而前两种方法则主要受覆盖材料、钝化剂成本与生物毒性的制约，未能广泛应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种施加在沉积物表面的抑制剂，它可以有效降低沉积物中磷向水体的释放。其以电厂废弃物飞灰为主要原料，成本低廉，效果显著，施用方便，同时实现了对飞灰的再利用。

为实现本发明的目的所采用的技术方案：

一种富营养化水体沉积物磷释放抑制剂的制备方法，包括如下步骤：

a.将大型燃煤电厂锅炉中收集到的飞灰适当干燥，保持其含水率为5％~10％；

b.选择明矾缓冲溶液为添加剂，取飞灰与明矾缓冲溶液重量比1∶1～1∶5，浸渍12~48小时，期间不断搅拌，使其充分混匀；

c.将混合物放入高温炉中升温至100～300℃，逐渐蒸发其中水分，将溶液中的Al固定于飞灰中。将处理后的飞灰经冷却、干燥得到磷释放抑制剂；

d.使用时，取抑制剂与自来水1∶1混合均匀，施加在沉积物表面。

优选含Al 0.7g/L的明矾缓冲溶液为添加剂。

优选飞灰与明矾缓冲溶液重量比2∶5。

优选Al固定温度为150℃。

一种富营养化水体沉积物磷释放抑制剂，由上述方法制备而成。

一种富营养化水体沉积物磷释放抑制剂的应用方法，使用时，抑制剂投加量为5kg/m²(视沉积物具体情况酌情增减)。

本发明的有益效果为：将原位固定技术与营养盐的钝化技术相结合，开发出以大型电厂飞灰为主要原料的沉积物磷释放抑制剂，使用效果好，且成本低廉，适用于各类水体富营养化问题的治理与预防。

此外，电厂飞灰(粉煤灰)是以煤为燃料，从烟道气体中收捕下来的细灰，其含量约占燃煤总量的5％～20％，为燃煤电厂排出的主要固体废弃物。由于其颗粒小平均粒径只有25μm，极易悬浮，其对大气的污染已引起了广泛重视，一旦它们被排入大气，很容易被人体吸入。这些可吸入颗粒物对人体健康具有致癌、致畸和致突变的效应，是导致人类死亡率上升的主要原因之一，也是诱发全球气候变化、烟雾事件和臭氧层破坏等重大事件的重要因素。因此，本发明为电厂飞灰的安全处理与资源化利用提供了新的途径。

附图说明

图1是磷释放抑制剂施用效果(一)

图2是磷释放抑制剂施用效果(二)

具体实施方式

实施例1

以天津市泰达开发区电厂飞灰为原料，制备磷释放抑制剂。并将此抑制剂施加到泰达人工景观河道沉积物的表面，观察其抑制磷释放的效果。具体实施步骤如下：

称取40g泰达电厂飞灰，适当干燥，保持其含水率为5％左右；加入100ml含Al 0.7g/L的明矾缓冲溶液浸渍24小时，期间不断搅拌，使其充分混匀。将混合物放入高温炉中升温至150℃，逐渐蒸发其中水分，冷却、干燥得到磷释放抑制剂。

在实验中采用自制柱实验装置，进行磷连续动态释放实验，进行实验验证。将制成的抑制剂与自来水1∶1混合均匀，施加在实验柱内沉积物表面。实验柱内径100mm，高500mm，底面积为7.85×10^-3m²，柱内有效容积为3.14×10^-3m³。实验用水为自来水，在调节池中调节其pH值和盐度，源水通过潜水泵以下进水方式的方式导入实验柱中。柱内底部填充40mm沉积物，入水口距沉积物面20mm，出水口距沉积物面400mm，保证上覆水深400mm，水沉积物深度比为10∶1。每日取柱内总体积1/10的水量，并通过下进水的方式补满，使柱内水体平均10天更新一次。按一定时间间隔取柱内水样，过0.45μm滤膜抽滤，所得抽滤液用钼兰比色法测定溶液中的PO₄^3-浓度。实验所用沉积物取自泰达人工景观河道。

施加抑制剂的后柱内水体中总溶解态磷(TDP)浓度始终保持在很低的浓度范围内0.021～0.030mg/L，而且水质稳定，TDP变化不大，仅在0.023mg/L上下微小波动(图1)，已经基本达到了GB12941-91景观娱乐用水水质标准中规定的A类水体的总磷浓度要求(0.020mg/L)。而未施加抑制剂的空白柱中水体TDP浓度保持在0.052～0.080mg/L的范围内(图1)，超过GB12941-91景观娱乐用水水质标准中规定的C类水体的总磷浓度标准(0.050mg/L)。说明抑制剂的施用显著地抑制了沉积物中磷向水体的释放。

实施例2

称取40g泰达电厂飞灰，适当干燥，保持其含水率为5％左右；加入50ml含Al 0.7g/L的明矾缓冲溶液浸渍24小时，期间不断搅拌，使其充分混匀。将混合物放入高温炉中升温至100℃，逐渐蒸发其中水分，冷却、干燥得到磷释放抑制剂。施加方法同上，施用效果如图2。在实验期间，水相中TDP平均浓度为0.035，达到了GB12941-91景观娱乐用水水质标准中规定的C类水体的总磷浓度标准(0.050mg/L)。

电厂飞灰浸出毒性实验

采用GB/T15555.1～15555.11固体废物浸出毒性测定方法，对泰达电厂飞灰的浸出液进行了分析。使用GC-MS测定了浸出液中重金属成份的含量，测定结果如表1。浸出液中重金属含量均远低于标准值，说明泰达电厂飞灰在使用的安全性上已经达到了国家标准。但涉及不同电厂飞灰时，在生产前，还需要重复进行此项检测。

        表1  泰达电厂飞灰浸出液毒性鉴别

  序号  项目  浸出液最高  允许浓度  (mg/L)  浸出液实测  浓度(mg/L)  1  有机汞  不得检出  未检出  2  汞及其化合物  (以总汞计)  0.05  0.0108  3  铅(以总铅计)  3  0.0035  4  镉(以总镉计)  0.3  未检出  5  总铬  10  6  六价铬  1.5  7  铜及其化合物  (以总铜计)  50  0.0005  8  锌及其化合物  (以总锌计)  50  0.6408  9  镍及其化合物  (以总镍计)  10  0.0158  10  砷及其化合物  (以总砷计)  1.5  0.0324