毛竹生物炭对白洋淀模拟清淤后降浊效果评价

刘 冬,尹 然,单相斐

(1.北京中科乾和环保科技服务有限公司,北京 100083;2.清华大学附属中学,北京 100085)

从20世纪 60年代起人们开始对污染水体进行治理[1-2]。然而,在外污染源得到一定控制后,沉积物成为了主要的污染源,沉积物积累的主要污染物有重金属,N、P等营养盐及难降解有机物,其含量可达水体中的上百倍,并且与水相保持一定的动态平衡[3]。当环境条件发生变化时,底泥中的污染物可能会释放出来,再次污染水体[4]。目前,污染底泥控制技术主要有原位处理技术和异位处理技术两大类[5]。原位处理技术是将污染底泥留在原处,采取措施阻止底泥污染物进入水体,即切断内污染源的污染途径[6];异位处理技术是将污染底泥挖掘出来运输到其他地方后再进行处理,即将水体的内污染源转移走,以防止污染水体[7]。目前广泛应用的原位处理技术主要有覆盖(掩蔽)、固化、氧化、引水、物理淋洗、喷气和电动力学修复等[8];异位处理技术主要有疏浚、异位淋洗、玻璃化等。覆盖(掩蔽)作为底泥的一种原位处理技术对污染底泥的修复效果非常明显,能有效防止底泥中的污染物进入水体而造成二次污染,而且工程造价低,不论是有机污染还是无机污染类型的底泥均适用[9-10]。

目前我国针对污染的沉积物所采取的措施仍然以异位修复为主,采用人力+机械对水体的沉积物进行清除和外运,然而清淤的风险没有经过科学的论证与评估,尤其是清淤过后造成的颗粒物悬浮,不仅在感官上水体浑浊,其水质风险也没有经过科学的评价[11-12]。因此在清淤后迅速对沉积物进行原位覆盖成为了一种新型的异位+原位沉积物治理技术。然而,清淤对水体造成的沉积物再悬浮能够在很长一段时间内对水质造成严重影响[13]。后续的生物炭铺洒过程若能够有效地降低悬浮颗粒物的浓度(浊度),则能够极大的减少其水质风险[14]。

水环境中的悬浮颗粒物,在控制水体中各物质的反应活性、转移和生物活性方面起着重要作用,是化学成为在水相、沉积物相和食物链中循环的重要载体,是众多污染物质在水环境中迁移转化的载体、归宿和蓄积库[15-16]。降低水体悬浮颗粒物的浓度能够有效降低水体的污染水平[17]。河流水、悬浮颗粒物和河床之间表现为一个整体联系和互相影响的关系。自然情况下,悬浮颗粒物的运动过程和河床演变表现出其固有的特性,它们之间维持着一种平衡,河流系统的各项功能都能够适应于这种平衡[18]。一旦悬浮颗粒物被干扰超过一定的限度,就会打破原有的平衡,引起河流系统的整体响应[19]。因此,清淤过后所造成的悬浮颗粒物质量浓度的升高会破坏原有的物质平衡,对水质造成极大的风险[20]。研究以白洋淀为实验场地,通过模拟异位+原位处理沉积物过程,探究生物炭与活性炭不同铺洒厚度对疏浚后的降浊效果,为该处理技术的应用推广奠定基础。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

白洋淀是华北平原最大的淡水湖泊湿地,它位于华北平原中部,地理位置为38°43′～39°02′N,115°38′～116°07′E,总面积366 km2,约85%水域在安新县境内[21]。白洋淀汇集了唐河、府河、漕河、拒马河等9条河流河水,属海河流域大清河水系,对整个华北地区具有重要的生态价值[22]。白洋淀是渤海湾西面低洼地经海陆变迁形成的特殊生态系统,淀区地形复杂,淀内纵横沟壕3 700余条交织错落,将全淀分割成143个大小不等的淀泊[23]。其水陆交错带发育相对较好,在全淀范围内,以芦苇植被为景观特征的水陆交错带湿地系统约占36%,主要由芦苇群落、苇地间小沟以及浅水区组成,苇地和水面的面积之比约为 1∶3.5[24]。随着历史变迁以及人为活动的影响,导致白洋淀生态环境恶化,富营养化和沼泽化状况严重[25]。

1.2 场地实验设计

实验地沉积物氮磷、重金属污染通过前期摸底调查污染较重。考虑到现场施工要求,尽量选择水深在1.5～2.0 m的沿岸地带,沉积物较厚、淀区代表性较强的区域。

研究实验场地选择在北田庄附近(38°51′32″N,115°59′19″E),具体位置根据围隔布设情况选定,实验选择区域应满足水深在1.5～2.0 m,沉积物厚度较为均一,为氮磷重金属复合污染区域。

考虑到实验的可行性,拟采用横排式布设方式,以便于实验操作。考虑到在冰面操作的安全性,此次实验在围隔外(包括围隔间)设置工作平台(白色区域),围隔内部(1.5 m处)铺设宽度约为30 cm的工作连廊。围隔布设与工作平台搭建如图1所示,围隔布设的剖面图如图2所示。图1中1为原始对照,即未经任何处理;2为实验对照,即只搅动不铺洒任何材料;3为生物炭实验铺设薄区,厚度为2～4 cm;4为生物炭实验铺设厚区,厚度为6～8 cm;5为活性炭实验铺设薄区,厚度为2～4 cm;6为活性炭实验铺设厚区,厚度为6～8 cm。

图1 围隔布设与工作平台搭建示意图

图2 围隔布设剖面

实验沉积物采用搅动耙搅动,具体搅动方式为:每个围隔(3 m×3 m)平均分成4个小围隔,每个围隔横竖按照30 cm划分搅动格,每个大围隔由4个人负责搅动,横(向)竖(向)耙动10次,以达到充分搅动沉积物的目的(注:①起耙应在围隔中部;②搅动格间距在围隔立柱间的铁丝上标出)。

施加方式采用研发的方格式铺洒装置,每个装置规格为3 m×1 m,铺洒装置由10 cm×10 cm铺洒小格组成,由于此装置为首次研发实用,需提前到白洋淀实验装置的可行性。

4个实验围隔,每个铺装规格为3 m×1 m,共需要12个铺装。由于最大铺装炭量高达75 kg,因此结合冰面的承重能力先在冰面将炭铺装好。

实验所用的生物炭以破碎毛竹为原料,毛竹是我国竹类植物最重要的品种,在我国约有毛竹386.83万hm2,占竹林面积的71.89%,因此,选取毛竹为原料具有广泛的原料来源和经济的原料价格。将毛竹在500 ℃的温度下加热3 h后研磨制得生物炭。

1.3 样品采集与处理

样品采集于2017年1月21日进行,首先对实验场地的6个围隔进行破冰处理,在生物炭与活性炭同时落入水中后开始利用有机玻璃定深采水器采集围隔内上、中、底层水样200 mL,样品采集后用车载冰箱4 ℃冷藏并立即带回实验室。同时每次采样前用YSI便携式水质仪测定采样点相同位置水体理化性质,包括温度(T)、pH、溶解氧(DO)、氧化还原电位(ORP)、电导率(COND)。

1.4 样品分析

各水样的悬浮颗粒物质量浓度采用质量法进行测定。首先将0.45 μm滤膜放入烘箱中烘干至恒重m1(mg);取0.1 L河流水样品经0.45 μm水系滤膜抽滤后再次放入烘箱中烘干至恒重m2(mg)。悬浮颗粒物质量浓度=(m2-m1)/(0.1 L)。

2 结果与分析

投加生物炭与活性炭的围隔在前期呈现出不同的表观效果,其中投加活性炭的围隔一段时间后呈现出土黄色(与搅动空白相似),而投加生物炭的围隔呈现黑色。表明活性炭能够在较短的时间内沉降,从而显示出水中漂浮的原生颗粒物的颜色,而生物炭在短时间不能产生明显的沉降,粒径较细的生物炭颗粒漂浮在水中,呈现出炭黑色。颗粒物的沉降性能是造成表观效果颜色差距的主要原因。

2.1 搅动空白

搅动对照组围隔悬浮颗粒物质量浓度随时间变化趋势如图3所示。由图3可知,悬浮颗粒物质量浓度极大值出现在第2分钟,可见搅动结束后围隔内的悬浮颗粒物仍剧烈运动,随后表层、中层、底层的悬浮颗粒物质量浓度随时间逐渐降低。540 min时颗粒物仍然呈现上中下层分层的现象,可见有一部分悬浮颗粒物在中底部长期处于悬浮状态。

图3 搅动对照组围隔悬浮颗粒物质量浓度随时间变化趋势

2.2 投加生物炭

铺洒生物炭围隔不同深度悬浮颗粒物质量浓度随时间变化趋势如图4所示。由图4可知,对于铺设薄层生物炭的围隔而言,悬浮颗粒物质量浓度极大值出现在第2分钟,可见搅动结束后围隔内的悬浮颗粒物仍剧烈运动,随后表层、中层、底层的悬浮颗粒物质量浓度随时间增加逐渐降低。与搅动空白相比,投加薄层生物炭后短期内没有起到降浊的效果,反而增加了悬浮颗粒物质量浓度。

图4 铺洒生物炭围隔不同深度悬浮颗粒物质量浓度随时间变化趋势

对于铺设厚层生物炭的围隔而言,悬浮颗粒物质量浓度极大值出现在第2分钟,可见搅动结束后围隔内的悬浮颗粒物仍剧烈运动,随后表层、中层、底层的悬浮颗粒物质量浓度随时间增加逐渐降低。与搅动空白相比,投加厚层生物炭后短期内没有起到降浊的效果,反而增加了悬浮颗粒物质量浓度。

2.3 投加活性炭

铺洒活性炭围隔不同深度悬浮颗粒物质量浓度随时间变化趋势如图5所示。由图5可知,对于铺设薄层活性炭的围隔而言,围隔内表层、中层、底层的悬浮颗粒物质量浓度随时间逐渐降低。与搅动空白相比,投加薄层活性炭短期内(2 h)没有起到降浊的效果,反而增加了悬浮颗粒物质量浓度。对于铺设厚层活性炭的围隔而言,围隔内表层、中层、底层的悬浮颗粒物质量浓度随时间增加逐渐降低。与搅动空白相比,投加厚层活性炭短期内(2 h)没有起到降浊效果,反而增加了颗粒物质量浓度。

图5 铺洒活性炭围隔不同深度悬浮颗粒物质量浓度随时间变化趋势

2.4 生物炭与活性炭对比

铺洒相同厚度材料的围隔悬浮颗粒物质量浓度随时间变化趋势如图6所示。由图6可知,在铺洒同样厚度材料的情况下,活性炭较生物炭呈现出了较好的沉降效果,其中对于同样铺洒薄层材料的围隔而言,铺洒生物炭的围隔在前5 min时呈现出较大的波动,而铺洒活性炭的围隔悬浮颗粒物质量浓度呈现出持续降低的趋势;对于同样铺洒厚层材料的围隔而言,活性炭较生物炭具有明显的沉降效果。

针对不同铺洒厚度的生物炭以及活性炭的围隔,无论铺洒何种修复材料,短期内都无法实现快速的降浊,反而成为了悬浮颗粒物的污染源。针对不同深度的悬浮颗粒物质量浓度,短期内底层颗粒物质量浓度较表层低,但随着沉降时间的增加,其悬浮颗粒物质量浓度趋于一致。相比较而言,活性炭较生物炭具有较好的沉降效果。

图6 铺洒相同厚度材料的围隔悬浮颗粒物质量浓度随时间变化趋势

3 讨论

悬浮颗粒物的运动特征受到其结构特征的影响较大,悬浮颗粒物主要由其内部的无机矿物和外部的有机裹层组成,其内部的无机矿物结构紧密,密度较高,外部的有机裹层内含有大量的空隙,空隙中含有水或气泡。因此颗粒物运动的最终归宿取决于外部有机裹层与内部无机矿物的总密度,以及水力运动对颗粒物的扰动。

沉积物清淤过后会造成大量的颗粒物的悬浮,在投加生物炭(活性炭)后,首先生物炭(活性炭)在自身重力的作用下下沉。由于生物炭(活性炭)的粒径范围较广,因此当其进入水体后比重较大的颗粒物会发生沉降。理论上讲,在沉降的过程中由于其孔隙度高,会网捕和卷扫水体中粒度较小的悬浮颗粒物,使得水体中的颗粒物减少,从而达到降浊的目的。然而生物炭(活性炭)进入水体中后,其本身粒径较小的颗粒物反而成为了污染源。可见在短期内(2 h)无论是活性炭还是生物炭都没有起到降浊的效果。虽然二者都没有起到降浊效果,但是发现活性炭的颗粒物质量浓度的降低趋势优于生物炭,可能是由于活性炭的孔隙度较高,比表面积较大,对悬浮的颗粒物的吸附以及聚沉作用较强,因此活性炭的效果优于生物炭。同时,我们发现无论生物炭还是活性炭,铺加的厚度越厚,在实验结束后其水体越浑浊,颗粒物质量浓度越高,这表明颗粒物的沉降作用受到颗粒物数量的影响,其在水体中的运动相互之间会产生影响。

通过实验,我们发现了铺洒生物炭与铺洒活性炭模拟清淤后效果的差距,其降浊效果受到铺洒材料结构特征、粒度大小以及铺洒数量的影响,这启示我们采用沉积物原位覆盖材料进行清淤后的沉积物修复时,除了考虑材料本身对污染物的吸附和毒性外,还应充分考虑其材料的结构特点与粒度,并充分考虑铺洒量的大小以减少其作为悬浮颗粒物的污染源对水环境及水生态造成影响。