原位处理农业面源污染的生态潜滩及其构筑方法.pdf

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1、(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202310658416.1(22)申请日 2023.06.03(71)申请人 湖北大学地址 430000 湖北省武汉市武昌区友谊大道368号(72)发明人 朱书景梅可邹朝望曹耀武汪国靖吴翔杜沛雨朱茜茜李卓文付亦舜何昀江珊方号源张冰烨马竟峰王真明周诗怡郑博文李晶晶仲蓓蓓(74)专利代理机构 武汉蓝宝石专利代理事务所(特殊普通合伙)42242专利代理师 张文静(51)Int.Cl.C02F 3/34(2023.01)C02F 3/32(2023.01)C02F 11/00(2006.01)C02F 。

2、11/02(2006.01)C02F 11/04(2006.01)(54)发明名称一种原位处理农业面源污染的生态潜滩及其构筑方法(57)摘要本发明涉及面源污染治理技术领域，具体涉及一种原位处理农业面源污染的生态潜滩及其构筑方法。该生态潜滩由污染底泥和固化基质按照不同质量比混合后得到的固化土在垂直空间结构上由下而上分层堆坝而成，坝顶种植有水生植物，坝体内含有微生物群落，各层中固化基质的含量从下至上依次降低；所述固化基质由钢渣、矿渣以及石膏制备而成。本发明所提供的生态潜滩，利用污染底泥和由钢渣、矿渣、石膏组成的固化基质制备而成，成本低，在缓解农业面源污染的同时还能起到良好的固碳作用，且不引入新的污。

3、染及造成水体富营养化。权利要求书1页 说明书7页 附图2页CN 116495897 A2023.07.28CN 116495897 A1.一种原位处理农业面源污染的生态潜滩，其特征在于，该生态潜滩是由污染底泥和固化基质按照不同质量比混合后得到的固化土在垂直空间结构上由下而上分层堆坝而成，坝顶种植有水生植物，坝体内含有微生物群落，各层中固化基质的含量从下至上依次降低；所述固化基质由钢渣、矿渣以及石膏制备而成。2.根据权利要求1所述的原位处理农业面源污染的生态潜滩，其特征在于，最底层固化土中固化基质的含量不大于15，最顶层固化土中固化基质的含量为03，微生物群落位于中间层。3.根据权利要求1所述的。

4、原位处理农业面源污染的生态潜滩，其特征在于，固化基质中钢渣、矿渣以及石膏的质量比为6080:1020:1020，且所述钢渣325目以下颗粒含量80，所述矿渣200目以下颗粒80，所述石膏含水率5，品味80；和/或各层固化土中固化基质的含量按照38递减。4.根据权利要求1所述的原位处理农业面源污染的生态潜滩，其特征在于，所述生态潜滩的堆坝方式如下：将最底层固化土堆积成底层滩底后，原位固化养护至一定强度，将上一层固化土堆积在养护后的底层滩底上，继续原位固化养护，依次循环，直至最顶层固化土固化养护完成。5.根据权利要求4所述的原位处理农业面源污染的生态潜滩，其特征在于，固化养护的时间为2835天，养。

5、护温度为2528，养护湿度为8090，养护后的固化土的最低无侧限抗压强度为312MPa。6.根据权利要求1所述的原位处理农业面源污染的生态潜滩，其特征在于，该生态潜滩的表面呈波浪形。7.根据权利要求6所述的原位处理农业面源污染的生态潜滩，其特征在于，所述生态潜滩波峰与波谷的垂直距离为0.10.3m，滩顶宽度为0.50.8m，坝顶位于水下0.30.5m。8.根据权利要求1所述的原位处理农业面源污染的生态潜滩，其特征在于，所述污染底泥是农业面源污染底泥，含水率为8590，有机质含量为510。9.根据权利要求1所述的原位处理农业面源污染的生态潜滩，其特征在于，从下至上至少包括底层改性底泥层(6)、中。

6、层改性底泥层(5)和顶层改性底泥层(4)，所述中层改性底泥层(5)中投放有兼性厌氧菌，所述顶层改性底泥层(4)上种植有水生植物(1)；所述底层改性底泥层(6)、中层改性底泥层(5)和顶层改性底泥层(4)的高度比例为57：1418：57。10.根据权利要求19任一项所述的原位处理农业面源污染的生态潜滩，其特征在于，所述水生植物通过淤泥土层(3)固定，所述淤泥土层(3)的厚度为0.20.35m。权利要求书1/1 页2CN 116495897 A2一种原位处理农业面源污染的生态潜滩及其构筑方法技术领域0001本发明涉及面源污染治理技术领域，具体涉及一种原位处理农业面源污染的生态潜滩及其构筑方法。背景。

7、技术0002随着农药化肥的使用，难降解的污染物会随着地表径流、农田排水和地下渗漏进入受纳水体，从而造成严重的面源污染，久而久之就会污染到土壤。0003农村面源污染主要是由化肥使用过量引起的，过量的化肥中的有毒、有害物质会破坏土壤结构，改变土壤理化性质，使土壤肥力和质量下降，影响农作物产量，进一步的促使农民使用更大量和更多种类的化肥，加剧土壤污染，形成恶行循环。0004利用生态潜滩治理农业面源污染是一种有效的途径，然而现有的生态潜滩治疗方法还不够成熟，不仅不能因地制宜减缓污染压力、净化水体，还会使水体进一步富营养化且成本高。因此，如何提供一种成本低、不会产生新的环境污染且不会引起水体富营养化的生。

8、态潜滩用于农业面源污染治理具有重要意义。发明内容0005基于此，本发明提供了一种新的原位处理农业面源污染的生态潜滩及其构筑方法，该生态潜滩由污染淤泥和固化基质混合后获得的固化土经过分层堆坝养护制备而成，其同时具有微生物植物固化土的结构，该潜滩在缓解农业面源污染问题的同时还具有固碳作用，且不会产生新的污染及造成水体富营养化，直接采用污染底泥和由钢渣、矿渣、石膏制备的固化基质分层堆坝制备，强度高、成本低。0006本发明采用如下技术方案来实现上述技术目的：0007本发明提供一种原位处理农业面源污染的生态潜滩，该生态潜滩是由污染底泥和固化基质按照不同质量比混合后得到的固化土在垂直空间结构上由下而上分层。

9、堆坝而成，坝顶种植有水生植物，坝体内含有微生物群落，各层中固化基质的含量从下至上依次降低；0008所述固化基质由钢渣、矿渣以及石膏制备而成。0009在以上技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：0010进一步，最底层固化土中固化基质的含量不大于15，最顶层固化土中固化基质的含量为03，微生物群落位于中间层。0011进一步，固化基质中钢渣、矿渣以及石膏的质量比为6080:1020:1020，且所述钢渣325目以下颗粒含量80，所述矿渣200目以下颗粒80，所述石膏含水率5，品味80；各层固化土中固化基质的质量比按照38递减。0012进一步，所述生态潜滩的堆坝方式如下：将最底层固化土堆积成底层滩。

10、底后，原位固化养护至一定强度，将上一层固化土堆积在养护后的底层滩底上，继续原位固化养护，依次循环，直至最顶层固化土固化养护完成。0013进一步，固化养护的时间为2835天，养护温度为2528，养护湿度为80说明书1/7 页3CN 116495897 A390，养护后的固化土的最低无侧限抗压强度为312MPa。0014进一步，该生态潜滩的表面呈波浪形。0015进一步，所述生态潜滩波峰与波谷的垂直距离为0.10.3m，滩顶宽度为0.50.8m，坝顶位于水下0.30.5m。0016进一步，所述污染底泥是农业面源污染底泥，含水率为8590，有机质含量为510。0017进一步，所述兼性厌氧生物包括但不限。

11、于防线菌；所述水生植物包括但不限于所限于梭鱼草、香蒲。0018进一步，从下至上至少包括底层改性底泥层、中层改性底泥层和顶层改性底泥层，所述中层改性底泥层中投放有兼性厌氧菌，所述顶层改性底泥层上种植有水生植物；所述底层改性底泥层、中层改性底泥层和顶层改性底泥层的高度比例为57：1418：57。0019进一步，所述水生植物通过淤泥土层固定，所述淤泥土层的厚度为0.20.35m。0020与现有技术相比，本发明的有益效果为：0021(1)本发明所提供的原位处理农业面源污染的生态潜滩，分层堆积滩体，合理利用本体资源，建立植物微生物固化基质的处理系统，使效益最大化；顶部种植的水生植物利用光合作用固化大气中。

12、的二氧化碳，微生物群落利用淤泥中的有机碳、弱碱性固化土中和水体中的无机碳，将环境中的碳以生物化学法进行固定，可以达到减碳的目的：0022(2)主要采用污染底泥和固化基质制备而成，用于制作固化基质的原材料全部为难处理的工业固体废物，且这三种固体废物产量大，如果不处理会造成严重的环境污染和资源浪费，而单独处理又会耗费大量的人力物力财力，本发明将这三种废物制备成具有一定经济效应的固化基质，实现了固体废物的高效资源化利用，符合我国以废制废，废物利用的环境治疗观念；0023(3)堆积生态潜滩在改善富营养化底泥、防止水土流失的同时还具有生态效应，通过添加微生物群落(兼性厌氧菌)，构建浮游生物水生植物微生物。

13、的生态系统，可使暂时失去平衡的生态系统重新趋于平衡，使恶化了的环境向有利于生产、生活和资源更新方向发展；0024(4)水生植物选择当地的本土植株，不会破坏土壤的生态环境、对环境扰动小，避免进一步破坏土壤结构，并且，原位处理污染淤泥具有持久性，且该技术成本较低，可以避免底泥中的重金属和污染物质扩散到水体中对水体造成进一步污染。附图说明0025图1为本发明实施例中构筑的一种原位处理农业面源污染的生态潜滩；0026图2为案例1中总氮、总磷和氨氮含量变化情况；0027图3为案例2中总氮、总磷和氨氮含量变化情况。0028图中：00291水生植物、2表面淤泥、3淤泥土层、4顶层改性底泥层、5中层改性底泥层。

14、、6底层改性底泥层。说明书2/7 页4CN 116495897 A4具体实施方式0030下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明，以使本领域的技术人员更加清楚地理解本发明。0031以下各实施例，仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。基于本发明中的具体实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的情况下，所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。0032本发明主要是基于现有的生态潜滩往往存在不够环保、还可能造成水体富营养化及强度不够、成本高的问题，从而提供了一种原位处理农业面源污染的生态浅滩，该生态浅滩是由污染底泥和固化基质按照不同质量比混合后得到的固化土在垂直空间结构上由下而。

15、上分层堆坝而成，坝顶种植有水生植物，坝体内含有微生物群落，且各层中固化基质的含量从下至上依次降低；固化基质由钢渣、矿渣以及石膏制备而成。0033本发明将污染底泥与固化基质按照一定比例混合搅拌形成固化土，在固化土中投加微生物进行培养，将污染底泥原位养护成富含微生物群落的固化土，然后将搅拌处理后的固化土按照固化基质掺量从大到小的顺序在垂直结构上从下到上进行分层堆坝，在坝顶利用支撑基柱与淤泥土层将植株固定，形成具有植物微生物固化基质的碳汇生态潜滩系统，利用植物生长消耗营养元素来减少底泥中的氮磷含量，固化土中的微生物群落分解有机物，另外，该微生物植物固化土的结构还可以固定水中溶解的无机碳、大气中的二氧。

16、化碳以及底泥中的有机碳，起到吸碳、减碳及碳汇的作用，在缓解农业面源污染的同时还能起到固碳作用，且成本低，不引入新的污染及造成水体富营养化。0034为了保证整个坝体的强度及达到更好的缓解污染的效果，通常情况下保证最底层固化土中固化基质的含量不大于15，最顶层固化土中固化基质的含量为03，微生物群落位于中间层，也即仅在中间层坝体构筑时添加菌包。0035本发明中所用的固化基质为HC型固化基质，其通常由钢渣、矿渣和石膏按照质量比6080：1020：1010的比例均匀搅拌混合制成，且要求所用的钢渣中325目以下颗粒含量80，矿渣200目以下颗粒含量80，石膏含水率5，品味80。其可采用如下制备方法制备：。

17、将钢渣、矿渣、脱硫石膏按照一定的质量比，利用行星式球磨机球磨均匀研磨后过325目筛，再利用立式强力混合机混合均匀，取样分析，确保合成成品为HC型固化基质。0036本发明中，各层固化土中固化基质的含量通常按照38递减。0037本发明中，生态潜滩的堆坝通常采用如下方式：将最底层固化土堆积成底层滩底后，原位固化养护至一定强度，将上一层固化土堆积再氧化后的底层滩底上，继续原位固化养护，依次循环，直至最顶层固化土固化养护完成。0038具体的，固化基质与污染底泥为原为搅拌处理，原位养护固化土的条件为：温度为2528，湿度为8090，养护时间为2835天，氧化后的固化土的最低无侧限抗压强度为312MPa。0。

18、039本发明中，为了防风防浪，避免因污水流量、流速的改变冲击滩体，发生坍塌，该生态潜滩的表面呈波浪形设置，波峰与波谷的垂直距离为0.10.3m，潜滩滩顶宽度为0.50.8m，坝顶位于水下0.30.5m。0040本发明中，所用的污染底泥是经过化肥农药污染的农业面源污染底泥，整体呈酸说明书3/7 页5CN 116495897 A5性，发黑发臭的固体废物，含水率为8590，有机质含量为510，呈粘稠状。总氮、总磷、氨氮在污染底泥中的含量百分比为：2530：2530：4050。0041下面以具体实例进行详细说明，如图1所示，该生态潜滩高度为1.21.5m，滩体利用固化基质与污染底泥原位搅拌处理堆制而成。

19、，按照固化土配比不同，从下至上依次为底层改性底泥层6、中层改性底泥层5和顶层改性底泥层4共三层，从下到上固化基质掺量按照38递减，最底层固化基质掺量为1215，最顶层固化基质掺量为03，中层改性底泥层5中投放有兼性厌氧菌，顶层改性底泥层4上种植有水生植物1，底层改性底泥层6、中层改性底泥层5和顶层改性底泥层4的高度比例为57：1418：57。0042其中，该菌的培养条件为：氧气08，培养基pH 78，温度2528，该厌氧菌适应能力强，能适应碱性条件以及富营养化环境，同时可以利用各种碳水化合物以及碳氢化合物，固定水中/淤泥中的有机碳。0043进一步，水生植物1可通过淤泥土层3固定，淤泥土层3的厚。

20、度为0.20.35m，可利用支撑基柱将淤泥固定，同时在淤泥上种植如梭鱼草、香蒲等挺水植物，淤泥土层3的上层为表面淤泥2。另外，挺水植物种植初期需用支撑基柱固定，待植株存活后可撤去支撑基柱。0044该滩体共分为三个结构层次，最顶层为污染底泥，用于种植挺水植物，中间层用于培养微生物群落，此层固化基质掺量较顶层高、底层低，底层主要为满足滩体强度，防止出现因环境条件的改变而坍塌的问题；所选择的微生物为放线菌菌属，该菌能使用固化土中无氧气或缺氧条件，在有机质含量丰富、水分较为充足的条件下也能正常繁殖，其菌包可在堆积滩体时投加，含量为510108CFU(土)，固化养护期结束后取样计量滩体中放线菌菌包含量，。

21、确保微生物增殖数量达标。0045本发明所提供的生态潜滩尤其适用于位于农田下游的面源污染区，亚热带季风气候，平均风力05.4m/秒，其中污水排放量hi为第i个县区市的污染物产生排放系数，取0.60.9；ni为第i个县区市的农业人口数(万人)，取0.81.0；该地区县区市总数为57。0046该生态潜滩中的微生物可以处理淤泥以及水中的大部分有机碳，种植的挺水植物利用光合作用吸收大气中的二氧化碳，固化土利用自身的弱碱性吸收水体中溶解的二氧化碳，形成了微生物植物固化土的湿地生态固碳系统，该系统固碳量CSC前C后，C前为该区域未建设生态潜滩前的含碳量，C后为该区域建设生态潜滩后的碳汇量。0047未建设生态。

22、潜滩前该区域的含碳量C前Cstock+C气+C水，除大气以及水体中可检测的碳含量外，土壤中碳含量CstockBDCorgDA。其中，BD为土壤容重，g/cm3；Corg为土壤有机质含量，；D为土层厚度，m；A为采样面积，hm2。0048下面以两个具体应用案例来进行详细的说明，下述案例中所用的原材料如下：0049钢渣：为炼钢废渣，是金属炉料在钢铁生产过程中被氧化的产物或者加入的造渣材料所剩余的固体废物，其中全铁含量为1020，锰含量为18，要求325目以下颗粒含量80。0050矿渣：为高炉炼铁产生的废渣，水分M1，为缓冷渣，200目以下颗粒80，其中CaO含量为3050。0051石膏：为脱硫石膏。

23、，是燃煤电厂半干法脱硫得到的副产物，其品味80，含水率5。说明书4/7 页6CN 116495897 A60052案例10053本案例以黄梅县张河五里闸段为例，对本发明所构筑的生态潜滩及其治理农业面源污染的效果进行详细说明：该生态潜滩是以污染底泥和HC型固化基质为基底，投加菌包，分层堆积滩体后形成生态潜滩，具体步骤如下：0054S1，HC型固化基质的制备：将钢渣：矿渣：石膏按照60：20：20的质量比制成混合制备得到固化基质。0055污染底泥中TN、TP、氨氮含量占比分别为污染底泥质量的25、25以及50，底泥含水率为85，有机质含量为5，当地平均风力为03.5m/s，该地区县总数为5，污水排。

24、放量如下表所示：0056表1污染地区污水排放量示意表00570058S2，所用菌包需要在开工前1个月进行培养，放线菌菌包培养条件为：氧气10、pH7、温度为25，培养基为高氏1号培养基。0059S3，将HC型固化基质与污染底泥进行原位处理，加入质量比为7的HC型固化基质，开动搅拌机，转速为45转/分钟，匀速搅拌30分钟，搅拌完成开始堆积底层滩体，底层滩体高0.25m，滩体长度与河宽一致，底层滩体宽度：顶层滩体宽度2：1，将滩体堆积定型后，原位养护28天，养护期间需要保证湿度为8090，养护期后，测量固化土无侧限抗压强度为8.5MPa。0060S4，底层滩体积养护期结束后堆积中层滩体，中层滩体H。

25、C型固化基质掺量为5，微生物菌包投加量为10108个/g干(土)，开动搅拌机，转速为30转/分钟，匀速搅拌50分钟，搅拌完成开始堆积中间滩体，中间滩体高0.7m，将滩体堆积定型后，原位养护28d，养护期间需要保证湿度为8090，养护期后，测量固化土无侧限抗压强度为7MPa，菌包含量为7108个/g干(土)。0061S5，最后堆积上层滩体，上层滩体固化基质掺量为3，开动搅拌机，转速为45转/分钟，匀速搅拌30分钟，搅拌完成后开始堆积上层滩体，上层滩体高0.25m，滩体上层表面成波浪型，波峰与波谷垂直距离为0.1m，滩顶距水面0.3m，滩顶宽度为0.5m，滩顶长度：滩底长度3:4，波谷种植水生植物。

26、梭鱼草，每株间隔0.15m，采用支撑柱进行固定，将滩体原位养护28d，养护期间保证湿度为8090，观察水生植物状态，养护期后，撤去支撑基柱，测量固化土无侧限抗压强度为5MPa。0062该河流平均水深为1.71.85m，生态潜滩相隔815m，以潜滩中心为标点与河宽中心点呈中心对齐排列，以黄梅县张河五里闸段为例，建造生态潜滩前后碳含量降低2040，营养元素中总氮、总磷、氨氮含量降低74、80以及75，变化规律图2所示。说明书5/7 页7CN 116495897 A70063案例20064本案例以黄梅县张河洪家墩段为例，对本发明所构筑的生态潜滩及其治理农业面源污染的效果进行详细说明：该生态潜滩以污染。

27、底泥和HC型固化基质为基底，投加菌包，分层堆积滩体后形成生态潜滩，具体步骤如下：0065S1，HC型固化基质制备：将钢渣：矿渣：石膏按照80、10、10的质量比混合制备得到固化基质。0066污染底泥中TN、TP、氨氮含量占比为污染底泥质量的30、30以及40，底泥含水率为98，有机质含量为10，当地平均风力为3.55.4m/s，该地区市区县总数为7，污水排放量如下表所示：0067表2污染地区污水排放量示意表006800690070S2，所用菌包在开工前1个月开始培养，放线菌菌包培养条件为：氧气5、pH8，温度为28，培养基为高氏1号培养基。0071S3，将HC型固化基质与污染底泥进行原位处理，。

28、加入质量比为8的固化基质，开动搅拌机，转速为45转/分钟，匀速搅拌30分钟，搅拌完成开始堆积底层滩体，底层滩体高0.35m，滩体长度与河宽一致，底层滩体宽度：顶层滩体宽度2：1，将滩体堆积定型后，原位养护35d，氧化期间需要保证湿度为8090，养护期后，测量固化土无侧限抗压强度为12MPa。0072S4，底层滩体养护完成后开始堆积中间滩体，中间滩体固化基质掺量为6，微生物菌包投加量为10108个/g干(土)，开动搅拌机，转速为30转/分钟，匀速搅拌50分钟，搅拌完成开始堆积中间滩体，中间滩体高0.8m，将滩体堆积定型后，原位养护35d，养护期间需要保证湿度为8090，养护期后，测量固化土无侧限。

29、抗压强度为9MPa，菌包含量为6108个/g干(土)。0073S5，最后堆积上层滩体，上层滩体固化基质掺量为4，开动搅拌机，转速为45转/分钟，匀速搅拌30分钟，搅拌完成后开始堆积上层滩体，上层滩体高0.35m，滩体上层表面波峰与波谷垂直距离为0.15m，滩顶距水面0.4m，宽度为0.8m，滩顶宽度为0.5m，滩顶长度：滩底长度3:4，波谷种植水生植物梭鱼草，每株间隔0.15m，采用支撑柱进行固定，将滩体原位养护35d，养护期间保证湿度为8090，观察水生植物状态，养护期后，撤去支撑柱，测量固化土无侧限抗压强度为6MPa。0074该地区河流平均水深为2.12.25m，生态潜滩相隔815m，以潜。

30、滩中心为标点与说明书6/7 页8CN 116495897 A8河宽中心点呈中心对齐排列，以黄梅县张河洪家墩段为例，建造生态潜滩前后碳含量降低3560，营养元素中总氮、总磷、氨氮含量降低62、56以及61，变化规律如图3。0075在此有必要指出的是，以上实施例仅限于对本发明的技术方案做进一步的阐述和说明，并不是对本发明的技术方案的进一步的限制，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。说明书7/7 页9CN 116495897 A9图1图2说明书附图1/2 页10CN 116495897 A10图3说明书附图2/2 页11CN 116495897 A11。