一种适用于寒旱区湖泊污染处理方法与流程

本发明涉及水体修复技术领域，尤其涉及一种适用于寒旱区湖泊污染处理方法。

背景技术：

湖泊水环境修复除了依靠自身水生生态系统本身自我调节、适应之外，可通过人工干预，采用物理、化学和生物的方式，在保证生物安全和性价比的情况下，使湖泊水体生态恢复到原有健康状态，最大程度降低湖泊污染对人类和生态环境系统的影响。

物理修复技术包括引水稀释、底泥疏浚等。引水稀释是指通过调水工程，将污染湖泊水进行稀释，使水体在短时间内达到相应的水体指标。在引水过程中由于水流速增大，湖泊水体溶解氧增大，湖泊水生微生物、植物数量随之增大，达到净化水质的目的。寒旱区水资源短缺，大范围使用引水稀释措施，对引水水域也会造成较大生态压力，长期会造成引入和引出两处水域生态环境破坏，此种措施只能做应急使用。污染底泥是水体污染的潜在污染源，在水体环境发生变化时，底泥中的营养盐会重新释放出水体。底泥疏浚是指对整条或局部沉积严重的河段、湖泊进行疏浚、清淤，恢复河流和湖泊的正常功能。此方法存在的问题是否会造成水体的二次污染、污泥如何无害化处理，工程成本是否合理等。

化学修复技术包含絮凝沉降技术等。絮凝沉降技术是指利用无机、絮凝剂、黏土及改性黏土进行除藻，不但能很好地降低封闭湖泊水体中磷的浓度，而且对于湖泊突发的重金属污染有较好的防治效果，但絮凝沉降后藻类死亡可能会释放大量营养盐、有机物和藻毒素等，引发二次污染风险。

水体的生物修复技术是近些年发展起来的潜力巨大的新兴技术，这种技术利用了特定生物(主要为是微生物)对水体中污染物的吸收、转化或降解，达到减缓或最终消除水体污染、恢复水体生态功能的生物措施。由于水生植物也对污染水体有一定的净化能力，所以水体生物技术发展为植物-微生物联合体系修复技术，两者组成复合体共同降解污染物。该技术主要包含复合人工湿地、态浮岛技术等，对去除湖泊中的总氮、总磷效果明显，总体修复效果较好。但是一些植物在富营养化水体中生长迅速，若收集不及时，可降低水体中的溶解氧，加剧水体富营养化，产生负面效应，导致去除污染物的植物或微生物成为二次污染源，去除效果下降。

寒旱区湖泊内污染物种类复杂，污染程度较为严重，加之湖泊水量加速下降，年平均气温较低，以上方法适用性不是很高。同时，在寒旱区湖泊修复过程中，停留在湖泊内的各类营养盐或其他污染物无法转移到外部，现有修复方式大多是将其稀释或内部降解，达不到将污染物质移除的目的。因此，探究适合寒旱区湖泊水环境修复的新技术的问题亟待解决。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在现有的湖泊修复技术无法将污染物质移除的缺点，而提出的一种适用于寒旱区湖泊污染处理方法。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

设计一种适用于寒旱区湖泊污染处理方法，包括下列步骤：

s1：令湖泊水体冷冻，湖泊水体冷冻后：上层为冰体，下层为冰下水体，湖泊冰体中的各种污染物质迁移到冰下水体，冰下水体污染物浓度升高；

s2：分离冰体和冰下水体，对冰下水体进行深度处理；

s3：冰下水体处理至水质达标后重新排放回湖泊。

优选的，所述湖泊水体冷冻具体为湖泊水体低温下自然冷冻。

优选的，s2中所述的深度处理方法为：

a1：冰下水体抽入地下蓄水池中静置，将冰下浓缩水体中不溶解物质进行沉淀分离，出现分层现象。同时利用地下空间保温的特性将排入的浓缩水体升温到适宜温度后，将上层污染物混合液体抽出，排入到反应器中；

a2：将蓄水池中的上层污染物混合液体抽入反应器中进行净化，测定水质，待水质达到排放标准后重新排入湖泊中。

优选的，所述反应器包括反应区间和出水口处，所述反应区间内置多个竖向的导流板，所述导流板将所述反应区间分隔成多个串联的反应室，每个所述反应室内填入填料，所述出水口处用于所述反应区间的液体进行排放，所述出水口处设有est电吸附模块。

优选的，所述填料包括竹炭、海绵、石英砂、鹅卵石和污泥床

优选的，所述污泥床具体为颗粒化形式或絮状形式存在的污泥。

本发明提出的一种适用于寒旱区湖泊污染处理方法，有益效果在于：该适用于寒旱区湖泊污染处理方法基于自然冷能冷冻后“水结冰过程以冰晶形式从溶液析出将污染物排斥到冰下水体这一现象”，开展湖水自然冷冻耦合新型地下净水技术。根据湖泊自然冷冻结冰过程可知，冬季寒旱区湖泊会从上表面至下开始结冰，结冰过程中各种污染物向冰下水体迁移。当冰体达到一定厚度时(第一阶段)，将冰下浓缩各类污染物的水体抽出，转移到地下蓄水池当中。排入到地下蓄水池(第二阶段)，进行静置升温、沉淀，保证水温达到地下净水系统的要求。温度达标后，将浓缩湖水排入新型地下净水装置(第三阶段)，对浓缩水体中的总氮、总磷、悬浮物、氨氮、tds和盐分等污染物进行去除，处理之后的合格尾水排放回湖泊，最终达到净化湖体水质的要求。该技术方案每年冬天都可以进行实施，同时在夏季也可将湖水直接引入新型地下净水装置，仅依靠地下净水装置来降低湖水中总氮、总磷、悬浮物、氨氮、盐度、cod、tds等浓度值，保证在全年时间内都可以对湖水水质进行净化，直至水体达到相关标准。

附图说明

图1为本发明提出的一种适用于寒旱区湖泊污染处理方法的结构示意图。

图中：反应区间1、导流板101、竹炭102、海绵103、石英砂104、鹅卵石105、污泥床106、出水口处2、est电吸附模块201。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1，一种适用于寒旱区湖泊污染处理方法，包括下列步骤：

s1：湖泊水体经过自然冷冻后，湖泊冰体中的各种污染物质迁移到冰下水体，冰下水体污染物浓度升高。

寒旱区湖泊地处高纬度、高海拔地区，湖区冰封期最冷月份气温平均为-10℃～-25℃，极端低温为-41℃。一年中大约有半年左右处于冰封状态，且冰层较厚，体积上占湖泊水体比例较大，尤其浅水湖泊其冰冻厚度约为水深的1/3～2/3。当湖面开始结冰，湖水表面开始受冷，冷水下沉，暖水上浮，引起对流作用，继续降温后密度会降低，表层水较轻、底部水较重，对流作用无法进行，此时水体表面开始结冰。湖泊水体在结冰过程的顺序是由上至下的，且在结冰过程中污染物并不参与冰结构的构建，即杂质无法进入冰晶内部，会被自动排到冰层下方，体现出自然冷冻结冰对湖泊结冰部分水质起到的净化作用。

s2：对冰下水体分离并进行处理，使用反应器对冰下浓缩污染水进行深度处理，水质达标后排放回湖泊，浓缩得到的各类污染物进行无害化处理，达到环境友好的目的。

拟采用反应器对冰下浓缩污染水进行深度处理，其特点是：反应器包括反应区间1和出水口处2，反应区间1内置多个竖向的导流板101，导流板101将反应区间1分隔成多个串联的反应室，每个反应室内填入填料，填料选择为竹炭102、海绵103、石英砂104、鹅卵石105和污泥床106中的一种，其中，污泥床106具体为颗粒化形式或絮状形式存在的污泥，出水口处2用于反应区间1的液体进行排放，出水口处2设有est电吸附模块201。

冰下浓缩水水流由导流板101引导，上下折流前进，逐个通过反应室的填料，由于冰下浓缩水在导流板101的作用下，水流绕导流板101流动而使水流在反应器内的流径的总长度增加，而加之导流板101的阻力及填料的沉降作用，与进水中的各类污染物充分接触而得以降解去除。

在出水口处2进行电吸附除盐，电吸附除盐是利用est电吸附模块201表面吸附水中离子及带电粒子，使水中溶解的盐类和其他带电物质在电极表面富集浓缩而实现水的净化和盐的去除的目的。通过对地下将冰下浓缩水进行深度处理后排放回湖泊，达到净化湖泊水质的目的。

s3：冰下水体处理至水质达标后重新排放回湖泊。

本研究方案基于“水结冰过程以冰晶形式从溶液析出将污染物排斥到冰下水体这一现象”，耦合冰下浓缩水通过新型地下净水技术进行深度处理，构建自然冷能和地下净水复合去除湖泊污染物技术。同时考虑整个技术方案的经济可持续利用性，在非冰封期季节，亦可选择将污染湖泊水直接引入地下净水装置，直接净化湖水中的污染物，达到净化湖水的目的。

实施方案：

探明污染物在结冰过程中，污染物由冰向水的迁移量或者污染物在经冷冻后冰中浓度的去除率，确定新型地下净水装置对冰下污染浓缩水的处理效率是实施该技术方案的基础和关键。研究选取湖泊内常见的污染物总氮、总磷、氨氮、tds、盐分等开展冷冻试验。

北方冬季平均气温在-10℃～-20℃之间，在-15℃左右时，选取湖区上具有代表性的一些点位进行自然冷冻去除湖冰中污染物的实验。在湖泊即将结冰时，在对应点位上取出湖水，并对湖水的总氮、总磷、悬浮物、氨氮、tds、盐度和cod等值进行检测。当湖冰厚度达到最大时(冰厚度参考公式1)，取出对应点位的冰和冰下浓缩水，对冰体和冰下浓缩水进行上述理化指标的检测。

公式1：冰厚＝0.027×(-日平均气温×天数)1/2

经过室外实地实验后得出以下结论：

①总磷值：结冰前初始阶段水总磷平均浓度0.0451mg/l,结冰后冰中总磷平均浓度0.015mg/l,tp浓度去除率66.74％。

②氨氮值：结冰前初始阶段水氨氮平均浓度0.2987mg/l，结冰后冰中氨氮平均浓度0.122mg/l，氨氮浓度去除率59.16％。

③tds值：tds值结冰前初始阶段水tds平均浓度1.271mg/l，结冰后冰中tds平均浓度0.017mg/l，tds浓度去除率98.66％。

④盐度值：结冰前初始阶段水盐度平均浓度1.3789mg/l，结冰后冰中盐度平均浓度0.07mg/l，盐度浓度去除率94.92％。

⑤悬浮物值：结冰前初始阶段水悬浮物平均浓度20.988mg/l，结冰后冰中悬浮物平均浓度5mg/l，盐度浓度去除率76.18％。

⑥总氮浓度去除率60.89％。

⑦cod浓度值去除率80.25％。

基于自然冷能冷冻后“水结冰过程以冰晶形式从溶液析出将污染物排斥到冰下水体这一现象”，开展湖水自然冷冻并耦合新型地下净水技术。根据湖泊自然冷冻结冰过程可知，冬季寒旱区湖泊会从上表面至下开始结冰，结冰过程中各种污染物向冰下水体迁移。当冰体达到一定厚度时(第一阶段)，将冰下浓缩各类污染物的水体抽出，转移到地下蓄水池当中。排入到地下蓄水池(第二阶段)，进行静置升温、沉淀，保证水温达到地下净水系统的要求。温度达标后，将浓缩湖水排入新型地下净水装置(第三阶段)，对浓缩水体中的总氮、总磷、悬浮物、氨氮、有机物和盐分等污染物进行去除，处理之后的合格尾水排放回湖泊，最终达到净化湖体水质的要求。该技术方案每年冬天都可以进行实施，同时在夏季也可将湖水直接引入新型地下净水装置，仅依靠地下净水装置来降低湖水中总氮、总磷、悬浮物、氨氮、cod、tds等浓度值，保证在全年时间内都可以对湖水水质进行净化，直至水体达到相关标准。

新型地下净水装置经过实际运行使用，得出该装置对cod浓度值的处理率为97.55％、对总氮浓度值的处理率为92.96％、对总磷浓度值的去除率为99.25％、对氨氮浓度值的去除率为99.81％，对悬浮物浓度值的去除率为99.72％，est电吸附模块的除盐率为92％。

具体实施例：

确定湖泊污染自然冷冻及地下净水复合处理技术实际处理效果。为明确湖泊污染物浓度实际去除效果，在寒旱区湖泊进行实际试验，湖泊水深1.0m，湖泊水体结冰50cm。以湖泊中总磷浓度0.5mg/l(ⅴ类水)为例，自然冷冻浓缩对总磷的去除率为66.74％，新型地下净水装置除磷效率为99.25％，将上述数据按照技术流程计算后，便可得到处理后排放回湖泊的总磷浓度，以及湖泊污染自然冷冻及地下净水复合处理技术整体除磷浓度的效率。

第一阶段

湖泊水体总体积；1.0m(湖泊水深)×s(湖泊面积)＝sm3

湖泊总磷浓度500mg/m3

总磷含量＝sm3×500mg/m3＝500smg

冰体结冰到50cm时，冰体对总磷的去除率为66.74％，则冰体中总磷的含量为(100％-66.74％)×500mg/m3×0.5s＝83.15smg，冰下浓缩水的总磷浓度为(500s-83.15s)mg/0.5s＝833.7mg/m3。

第二、三阶段

将冰下浓缩水全部抽到地下蓄水装置中，待冰下浓缩水升温至地下净水装置需求温度时，将冰下浓缩水引入地下净水系统。引入地下净水系统总磷含量416.85smg，地下净水系统总磷浓度去除率为99.25％，排出地下净水系统总磷含量为416.85smg-99.25％×833.7mg/m3×0.5s＝3.1264smg

浓度为3.1264s/0.5s＝6.2523mg/m3。尾水排回湖泊，此时湖泊此时总磷含量为3.1264s+83.15s＝86.2764smg，总磷浓度86.2764s/s＝86.2764mg/m3，此时总磷浓度去除率为(500-86.2764)/500＝82.74％，即寒旱区湖泊污染自然冷冻及地下净水复合处理技术综合除总磷，浓度去除率为82.74％。净化之后的湖泊水含总磷理论值(0.086mg/l)可达四类湖泊水总磷浓度(0.05～0.1mg/l)。

湖泊污染自然冷冻及地下净水复合处理技术综合盐浓度去除率为81.04％。

湖泊污染自然冷冻及地下净水复合处理技术综合处理cod，浓度值降低87.92％。

湖泊污染自然冷冻及地下净水复合处理技术综合除总氮浓度去除率为74.78％。

湖泊污染自然冷冻及地下净水复合处理技术综合除氨氮浓度去除率为73.98％。

湖泊污染自然冷冻及地下净水复合处理技术综合除悬浮物浓度去除率为87.84％。

其他湖泊污染物经自然冷冻及地下净水复合处理技术的浓度去除率都可通过该方式计算得出。

湖泊污染自然冷冻及新型地下净水复合处理技术实际处理污染物浓度的综合去除率率均在73％～88％之间，具有良好的去除湖泊水中各类污染物、净化湖泊水质的效果。现有的湖泊水质净化修复方案，大多仍停留在将污染物浓度稀释或者将污染物在湖泊中降解，营养盐等或其他污染物仍保留在湖泊中，污染治理效果不明显。本方案利用自然冷冻将污染物排到冰下水体，然后将冰下水体中的污染物转移到新型地下净水装置中进行降解，解决污染物停留湖泊中这一难题，且本方案对污染物的处理效率较高，对湖泊污染修复治理效果较为明显。

整套技术方案在投资、运营管理等方面相对于传统净水工艺，拥有较高的经济效益优势，如运行成本:新型地下净水装置吨水处理成本0.5～1.75元/吨(可除盐分)，传统净水工艺运营成本1.2～1.5元/吨。传统净水工艺所需设备多且故障率较高，现场操作人员较多。湖泊污染自然冷冻及地下净水复合处理技术实行远程监控、软件控制、全自动运行、无需大量现场人员运营维护。整套技术方案在使用过程中也无需大量投放各类化学药剂，且地下净水系统污泥产量相对于传统净水工艺极低，经无害化处理之后的各种污染物不会对自然环境造成二次污染。通过上述可知，本方案可达到了环境友好、处理效率可观、成本较低、易推广的目的，具有较高的实用性、可行性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。