本發(fā)明涉及一種用于原位修復(fù)重金屬污染底泥的覆蓋材料，屬于水體污染底泥修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

底泥是水體生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的重要組成部分，也是水體污染物質(zhì)最重要的蓄積庫(kù)，富集了大量的污染物，如重金屬、氮磷等營(yíng)養(yǎng)物以及其他難降解的有機(jī)污染物等。在外源污染得以控制的情況下，底泥中所積累的大量污染物質(zhì)會(huì)釋放至上覆水，對(duì)水體造成污染。重金屬難以被微生物降解，在水體環(huán)境中會(huì)以不同的形態(tài)存在并在一定條件下發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，所以采用生態(tài)修復(fù)的方法治理底泥重金屬污染變得相當(dāng)困難。目前重金屬污染底泥的治理技術(shù)主要為原位修復(fù)與異位修復(fù)兩種技術(shù)。相比于異位修復(fù)技術(shù)，原位覆蓋技術(shù)因其操作簡(jiǎn)便、投資低廉、處理效果較好、生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)低而引起廣泛的關(guān)注。

現(xiàn)有底泥重金屬原位修復(fù)技術(shù)存在諸多缺陷，如中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)cn101412572b公開(kāi)的《納米磷灰石固定沉積物中重金屬的原位覆蓋方法》，能防止沉積物中重金屬等污染物進(jìn)入水體，并對(duì)沉積物中重金屬起到固定、降低生物有效性等作用。但該方法只是單層鋪設(shè)覆蓋材料，在水流速度及生物擾動(dòng)等外界條件變化的情況下容易影響覆蓋層的效果；另外，大面積覆蓋納米磷灰石加大了施工難度，納米磷灰石的成本也較高。

中國(guó)專(zhuān)利文獻(xiàn)cn105712596a公開(kāi)的《一種礦區(qū)流域重金屬污染底泥的原位修復(fù)方法》，該方法在礦區(qū)流域岸邊河床坡面上鋪設(shè)一層土工布，取礦區(qū)流域重金屬污染底泥與重金屬污染修復(fù)劑攪拌混合，鋪設(shè)于土工布上，穩(wěn)定一段時(shí)間，形成一修復(fù)底泥層；在所述修復(fù)底泥層上種植植物。該方法可以解決河道污染底泥淤積問(wèn)題，且底泥基質(zhì)修復(fù)劑的加入與河道植物組合種植有效解決底泥重金屬污染問(wèn)題；但是分層鋪設(shè)加大了工程量，重金屬污染底泥和修復(fù)劑的混合也增加了工程時(shí)間和工程成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有原位物理覆蓋處理技術(shù)存在的覆蓋分層較多、工程操作復(fù)雜、修復(fù)效率低、對(duì)原生生態(tài)環(huán)境改變大等問(wèn)題，本發(fā)明提出一種操作靈活簡(jiǎn)便、高效、對(duì)生態(tài)環(huán)境影響小的原位修復(fù)重金屬污染底泥的覆蓋毯。同時(shí)提供一種該覆蓋毯在污染底泥上的鋪設(shè)方法。

本發(fā)明的原位修復(fù)重金屬污染底泥的覆蓋毯，采用如下技術(shù)方案。

該覆蓋毯，由下至上分為四層，依次為底層、下層、上層和表層，底層為非織造土工布，下層為填料層，上層為覆蓋層，表層為編織土工布。

所述覆蓋毯的總厚度為0.5cm-1.5cm，其中填料層的厚度為0.5cm-1cm，覆蓋層的厚度為0.1cm-0.5cm。

所述非織造土工布和所述編織土工布中的最大空隙小于0.2mm，具體由填料層中的選擇性重金固化填料和覆蓋層中的腐植酸改性天然鈉基膨潤(rùn)土的最小粒徑?jīng)Q定，以不透過(guò)吸附和固化性濾料為準(zhǔn)。

所述填料層和覆蓋層通過(guò)針刺法固定在非織造土工布和編織土工布之間。

所述填料層為選擇性重金屬固化填料，選擇石灰石分別與硅藻土、海泡石、膨潤(rùn)土或沸石組配，石灰石與硅藻土、海泡石、膨潤(rùn)土或沸石的質(zhì)量比為1-3：1。所述石灰石粒徑為0.5mm-3mm，硅藻土粒徑為0.5mm-1mm，沸石粒徑為1mm-3mm，海泡石粒徑為1mm-3mm，膨潤(rùn)土粒徑為0.5mm-2mm。根據(jù)底泥中的主要污染重金屬進(jìn)行選擇組合，具體組配如下：

(1)對(duì)于pb污染底泥，填料層為石灰石與硅藻土組配的填料；

(2)對(duì)于cd污染底泥，填料層為石灰石與沸石組配的填料；

(3)對(duì)于cu污染底泥，填料層為石灰石與海泡石組配的填料；

(4)對(duì)于zn污染底泥，填料層為石灰石與膨潤(rùn)土組配的填料。

所述覆蓋層為腐植酸改性的天然鈉基膨潤(rùn)土。該腐植酸改性的天然鈉基膨潤(rùn)土按以下方法制備：

(1)按腐植酸與naoh溶液質(zhì)量比1：3-5的比例，將腐植酸溶于濃度0.1mol/l的naoh溶液中，充分?jǐn)嚢韬筮^(guò)濾，濾除不溶雜質(zhì)，配成腐植酸溶液；

(2)調(diào)整腐植酸溶液ph值為1.0-3.0，在50℃-60℃加熱1小時(shí)-3小時(shí)；

(3)將加熱過(guò)程中沉淀的腐植酸離心分離，完成一次腐殖酸的純化過(guò)程；

(4)重復(fù)上述步驟(1)、步驟(2)、步驟(3)，直到得到純度95％以上的純化腐植酸；

(5)將純化腐植酸在40℃-50℃條件下干燥8-12小時(shí)；

(6)將天然鈉基膨潤(rùn)土原礦經(jīng)晾曬及破碎后過(guò)50-150目篩制成天然鈉基膨潤(rùn)土粉料(其膨脹系數(shù)≥10ml/g)；

(7)將純化后的腐植酸溶于濃度0.1mol/l的naoh溶液中，純化后的腐植酸與naoh溶液的質(zhì)量比為1：5-10，配成純化腐植酸溶液，在純化腐植酸溶液中加入天然鈉基膨潤(rùn)土粉料，天然鈉基膨潤(rùn)土粉料與純化腐植酸溶液的質(zhì)量比為1：3-5，配成混合液；將混合液的ph值調(diào)整到5.0-6.0，然后將混合液振蕩12-18小時(shí)；

(8)將振蕩后的混合物于60-70℃烘干，過(guò)50-100目篩，獲得的顆粒即為腐植酸改性的天然鈉基膨潤(rùn)土。

上述方法制備的腐植酸改性的天然鈉基膨潤(rùn)土的粒徑為0.2mm-0.5mm。

所述步驟(2)和步驟(7)中是用濃度5mol/l的hcl溶液調(diào)整ph值。

膨潤(rùn)土中的主要礦物蒙脫石具有良好的膨脹性、吸水性、離子交換性等物理化學(xué)特性。覆蓋層采用腐植酸改性天然鈉基膨潤(rùn)土，不僅具有更好的吸水性，也具有吸附和固化重金屬的效果。

上述覆蓋毯的鋪設(shè)方法，是：

將覆蓋毯直接鋪設(shè)于污染底泥上，相鄰覆蓋毯?jiǎn)卧g通過(guò)壓茬連接，在覆蓋毯上加設(shè)一層厚度為20-50cm的細(xì)砂層。

所述細(xì)砂層上設(shè)有卵石層，所述卵石層的厚度為5-10cm。對(duì)于水力擾動(dòng)強(qiáng)的河道，在細(xì)砂層上加設(shè)卵石層，可為河湖底棲生物提供生境，且能將覆蓋毯固定于底泥上部，避免在河湖水流流速及生物擾動(dòng)變化的情況下使覆蓋毯發(fā)生移動(dòng)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明針對(duì)不同的重金屬污染底泥，選擇不同的材料作為選擇性重金屬固化填料層的填料，優(yōu)化重金屬的固化填料，提高重金屬的固化效率。

(2)本發(fā)明采用腐植酸改性天然鈉基膨潤(rùn)土，提高了膨潤(rùn)土的吸水性和對(duì)重金屬的吸附及固化性能。

(3)根據(jù)污染底泥覆蓋面積的大小，將做成卷狀的覆蓋毯鋪設(shè)于底泥上部，各覆蓋毯?jiǎn)卧g通過(guò)壓茬連接，并在覆蓋毯上部鋪設(shè)一定厚度的細(xì)砂，對(duì)于水力擾動(dòng)強(qiáng)的河道，可在細(xì)砂層上再加設(shè)卵石層。具有鋪設(shè)方式靈活、施工簡(jiǎn)便、不破壞底棲生物生活環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明原位修復(fù)重金屬污染底泥的覆蓋毯的卷狀結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明原位修復(fù)重金屬污染底泥的覆蓋毯的分層結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明原位修復(fù)重金屬污染底泥的覆蓋毯的鋪設(shè)示意圖。

圖中：1.編織土工布，2.覆蓋層，3.填料層，4.非織造土工布，5.水體底部，6.卵石層，7.細(xì)砂層，8.覆蓋毯，9.底泥。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的原位修復(fù)重金屬污染底泥的覆蓋毯的具體結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，由下至上依次為底層、下層、上層和表層，底層為非織造土工布4，下層為填料層3，上層為覆蓋層2，表層為編織土工布1。整個(gè)覆蓋毯的總厚度為0.5cm-1.5cm，覆蓋層2的厚度為0.1cm-0.5cm，其中填料層3的厚度為0.5cm-1cm。

編織土工布1采用塑料扁絲編織，覆蓋層2和填料層3是利用針刺法固定(通過(guò)刺針加固)于編織土工布1和非織造土工布4之間。非織造土工布4和編織土工布1中的最大空隙小于0.2mm，具體空隙由選擇性重金屬固化填料和腐植酸改性天然鈉基膨潤(rùn)土中的最小粒徑?jīng)Q定，以不透過(guò)吸附性濾料為準(zhǔn)。

覆蓋層2采用腐植酸改性天然鈉基膨潤(rùn)土，根據(jù)具體工程項(xiàng)目要求設(shè)置其厚度為0.1cm-0.5cm。該腐植酸改性天然鈉基膨潤(rùn)土的具體制備方法如下：

(1)將腐植酸溶于濃度0.1mol/l的naoh溶液中(腐植酸與naoh溶液的質(zhì)量比＝1：3-5)，充分?jǐn)嚢韬筮^(guò)濾，丟棄不溶雜質(zhì)，配成腐植酸溶液；

(2)調(diào)整腐植酸溶液ph值為1.0-3.0，在50℃-60℃加熱1小時(shí)-3小時(shí)；

(3)將加熱過(guò)程中沉淀的腐植酸離心分離，完成一次腐殖酸的純化過(guò)程；

(4)重復(fù)上述步驟(1)、步驟(2)、步驟(3)，直到得到純化的腐植酸(純度95％以上)；

(5)將純化后的腐植酸在40℃-50℃條件下干燥8-12小時(shí)；

(6)將天然鈉基膨潤(rùn)土原礦經(jīng)晾曬及破碎后過(guò)50-150目篩制成天然鈉基膨潤(rùn)土粉料(其膨脹系數(shù)≥10ml/g)；

(7)將純化后的腐植酸溶于濃度0.1mol/l的naoh溶液中(腐植酸與naoh溶液的質(zhì)量比＝1：5-10)，配成純化腐植酸溶液，在純化腐植酸溶液中加入天然鈉基膨潤(rùn)土粉料(天然鈉基膨潤(rùn)土粉料與純化腐植酸溶液的質(zhì)量比＝1：3-5)，配成混合液；將混合液的ph值調(diào)整到5.0-6.0，然后將混合液振蕩12-18小時(shí)；

(8)將振蕩后的混合物于60-70℃烘干，過(guò)50-100目篩，獲得的顆粒即為腐植酸改性的天然鈉基膨潤(rùn)土。

填料層3采用選擇性重金屬固化填料，根據(jù)具體工程項(xiàng)目要求設(shè)置其厚度為0.5-1cm，并針對(duì)不同水體底泥重金屬污染狀況選用固化效果最佳的組配方法，具體組合及固化填料的組配比例如下：

(1)針對(duì)pb污染底泥，采用石灰石與硅藻土組配的填料，組配質(zhì)量比例為石灰石：硅藻土＝1-3：1。其中硅藻土的主要成分是氧化硅、氧化鋁，石灰石的主要成分是碳酸鈣。其中石灰石粒徑為0.5-3mm，硅藻土粒徑為0.5-1mm。

(2)針對(duì)cd污染底泥，采用石灰石與沸石組配的填料，組配質(zhì)量比例為石灰石：沸石＝1-3：1。其中沸石的主要成分是鋁硅酸鈉，石灰石的主要成分是碳酸鈣。其中石灰石粒徑為0.5-3mm，沸石粒徑為1-3mm。

(3)針對(duì)cu污染底泥，采用石灰石與海泡石組配的填料，組配質(zhì)量比例為石灰石：海泡石＝1-3：1。其中海泡石的主要成分是含水富鎂硅酸鹽，石灰石的主要成分是碳酸鈣。其中石灰石粒徑為0.5-3mm，海泡石粒徑為1-3mm。

(4)針對(duì)zn污染底泥，采用石灰石與膨潤(rùn)土組配的填料，組配質(zhì)量比例為石灰石：膨潤(rùn)土＝1-3：1。其中膨潤(rùn)土的主要成分是蒙脫石，石灰石的主要成分是碳酸鈣。其中石灰石粒徑為0.5-3mm，膨潤(rùn)土粒徑為0.5-2mm。

上述覆蓋毯在污染底泥上的原位鋪設(shè)過(guò)程，如下所述。

施工前將覆蓋毯8繞轉(zhuǎn)軸卷繞成筒狀。具體鋪設(shè)時(shí)，可將覆蓋毯8收卷于船尾，在到達(dá)河道水體底部5的污染區(qū)域時(shí)進(jìn)行放卷鋪設(shè)，將各覆蓋毯?jiǎn)卧佋O(shè)于水體污染底泥9上，各覆蓋毯?jiǎn)卧g通過(guò)壓茬連接，從而達(dá)到整體鋪設(shè)的目的。

將覆蓋毯鋪設(shè)于底泥上后，在覆蓋毯上加設(shè)細(xì)砂層6，細(xì)砂層厚度為20-50cm。對(duì)于水力擾動(dòng)強(qiáng)的河道，可在細(xì)砂層上再加設(shè)一層厚度為5-10cm的卵石層7。為河湖底棲生物提供生境，且能將覆蓋毯固定于底泥上部，避免在河湖水流流速及生物擾動(dòng)變化的情況下使覆蓋毯發(fā)生移動(dòng)。

本發(fā)明具有以下特點(diǎn)：

(1)針對(duì)不同的重金屬污染底泥，選擇不同的材料作為選擇性重金屬固化填料層的填料，優(yōu)化重金屬的固化效果，提高重金屬的固化效率。

(2)采用腐植酸改性天然鈉基膨潤(rùn)土，提高了膨潤(rùn)土的吸水性和對(duì)重金屬的吸附性能。

(3)根據(jù)污染底泥覆蓋面積的大小，將做成卷狀的覆蓋毯鋪設(shè)于底泥上部，各覆蓋毯?jiǎn)卧g通過(guò)壓茬連接。具有鋪設(shè)方式靈活、施工簡(jiǎn)便、等優(yōu)點(diǎn)。

(4)敷設(shè)覆蓋毯敷后，在其上部敷設(shè)一層細(xì)砂，對(duì)于水力擾動(dòng)強(qiáng)的河道，可在細(xì)砂層上再加設(shè)卵石層。既能為河湖底棲生物提供生境，且能將覆蓋毯固定于底泥上部，避免在河湖水流流速及生物擾動(dòng)變化的情況下使覆蓋毯發(fā)生移動(dòng)。

(5)覆蓋毯可利用駁船進(jìn)行覆蓋層的敷設(shè)作業(yè)，操作簡(jiǎn)單，省力省時(shí)。

以下給出具體的實(shí)施例。

實(shí)施例1

選取以cu污染為主的重金屬污染河流底泥，cu含量達(dá)637mg/kg。將該底泥置于半徑為35cm的圓形塑料桶底部，敷設(shè)高度為15cm。將本發(fā)明的覆蓋毯鋪設(shè)于底泥上部，其中覆蓋層0.2cm，填料層選擇石灰石與硅藻土2：1配比，填料層的厚度為0.8cm。覆蓋毯的上層覆蓋20cm細(xì)砂，后加入一定量的去離子水模擬上覆水，使得上覆水高度達(dá)50cm。保證其他條件相同的情況下設(shè)置無(wú)覆蓋工藝的空白對(duì)照組。分別在90d、180d取水面下5cm處上覆水，測(cè)得上覆水樣品中cu濃度并根據(jù)重金屬釋放通量抑制率的計(jì)算公式，得出90d、180d時(shí)覆蓋毯對(duì)底泥中重金屬釋放通量的抑制率分別達(dá)86.9％、92.5％。

底泥中釋放通量的計(jì)算公式：

其中qn為到第n天為止底泥中重金屬的釋放通量(mg/kg)；v為反應(yīng)裝置中上覆水體積(l)；cn為第n天上覆水中重金屬的濃度(mg/l)；c0為初始重金屬的濃度(mg/l)；vi為每次取樣體積(l)；ci為第i天上覆水中重金屬的濃度(mg/l)；ws為原有底泥的質(zhì)量(kg)。

抑制率的計(jì)算公式：

其中ir為覆蓋層對(duì)底泥中重金屬釋放通量的抑制率；qs為無(wú)覆蓋(空白對(duì)照)條件下重金屬的釋放量(mg/kg)，qf為不同覆蓋層條件下重金屬的釋放量(mg/kg)。

實(shí)施例2

選取以pb污染為主的重金屬污染河流底泥，pb含量達(dá)490mg/kg。將該底泥置于半徑為35cm的圓形塑料桶底部，敷設(shè)高度為15cm。將本發(fā)明的覆蓋毯鋪設(shè)于底泥上部，其中覆蓋層0.3cm，填料層選擇石灰石與海泡石2：1配比，填料層的厚度為0.6cm。覆蓋毯的上層覆蓋20cm細(xì)砂，后加入一定量的自來(lái)水模擬上覆水，使得上覆水高度達(dá)50cm。保證其他條件相同的情況下設(shè)置無(wú)覆蓋工藝的空白對(duì)照組。分別在90d、180d取水面下5cm處上覆水，測(cè)得上覆水樣品中pb濃度并根據(jù)重金屬釋放通量抑制率的計(jì)算公式(實(shí)例1中給出)，得出90d、180d時(shí)覆蓋毯對(duì)底泥中重金屬釋放通量的抑制率分別達(dá)88.4％、94.5％，覆蓋工藝修復(fù)效果良好。

實(shí)施例3

選取以cd污染為主的重金屬污染河流底泥，cd含量達(dá)1.5mg/kg。將該底泥置于半徑為35cm的圓形塑料桶底部，敷設(shè)高度為15cm。將本發(fā)明的覆蓋毯鋪設(shè)于底泥上部，其中覆蓋層0.5cm，填料層選擇石灰石與沸石1.5：1配比，填料層的厚度為1cm。覆蓋毯的上層覆蓋20cm細(xì)砂，后加入一定量的自來(lái)水模擬上覆水，使得上覆水高度達(dá)50cm。保證其他條件相同的情況下設(shè)置無(wú)覆蓋工藝的空白對(duì)照組。分別在90d、180d取水面下5cm處上覆水，測(cè)得上覆水樣品中pb濃度并根據(jù)重金屬釋放通量抑制率的計(jì)算公式(實(shí)例1中給出)，得出90d、180d時(shí)覆蓋毯對(duì)底泥中重金屬釋放通量的抑制率分別達(dá)83.1％、89.3％，覆蓋工藝修復(fù)效果良好。