一種生態(tài)護(hù)岸基質(zhì)材料及制備方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于環(huán)境工程與技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種新型生態(tài)護(hù)岸基質(zhì)材料及制備方法和 應(yīng)用，所述材料主要應(yīng)用于河-湖水體面源污染的阻斷、控制凈化與生態(tài)修復(fù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前在河-湖治理過程中"氮、磷超標(biāo)"問題越來越突出，在點(diǎn)源污染得到有效控制 后，面源污染成為河-湖水體氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的主要來源，一直是比較受關(guān)注的問題，也是治理 的難點(diǎn)，造成了水質(zhì)惡化和生態(tài)破壞。因此尋找經(jīng)濟(jì)有效的方式控制面源氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽污染 成為河-湖治理與修復(fù)的重要內(nèi)容。
[0003] 岸坡是生態(tài)系統(tǒng)中能量、物質(zhì)、信息交換和構(gòu)造水體景觀的通道，也是陸地與河流 之間的緩沖帶，其對(duì)于削減面源氮、磷污染的功能日益得到重視。傳統(tǒng)上國(guó)內(nèi)外河-湖堤防 的保護(hù)技術(shù)多采用漿砌或干砌塊石、現(xiàn)澆混凝土、預(yù)制混凝土塊體等結(jié)構(gòu)形式。這些結(jié)構(gòu)形 式不僅不能有效截留面源氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽，反而對(duì)景觀、環(huán)境和生態(tài)均產(chǎn)生了不良的影響，造 成水體與陸地環(huán)境惡化和生態(tài)破壞。
[0004] 生態(tài)護(hù)岸工程被認(rèn)為是在河-湖治理與修復(fù)過程中削減面源氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽的重要 措施之一。通常采用的生態(tài)護(hù)岸形式概括起來有自然型(植物護(hù)岸、干砌石護(hù)岸、原木格子 護(hù)岸）、半自然型（石籠護(hù)岸、半干砌石、土工材料護(hù)岸）和人工型（生態(tài)混凝土、框格砌塊護(hù) 岸、土壤固化劑)等3類生態(tài)護(hù)岸技術(shù)。生態(tài)護(hù)岸具有的防洪功能、景觀功能、自凈功能、生態(tài) 功能不僅能滿足作為一般護(hù)岸的安全性、穩(wěn)定性、耐沖刷、腐蝕的要求，而且能夠凈化水體。 國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)人員早已開始研究生態(tài)型護(hù)岸技術(shù)，20世紀(jì)80年代末瑞士、德國(guó)等就已提 出了"自然型護(hù)岸"技術(shù);20世紀(jì)90年代初日本提出"多自然型河道治理"技術(shù);美國(guó)以及歐 洲一些國(guó)家提出"土壤生物工程"（soil bioengineering)護(hù)岸技術(shù)等生態(tài)型護(hù)岸結(jié)構(gòu)形 式，還包括穩(wěn)定河岸并提供生境的木本植物栽培技術(shù)(woody plantings)和草本植物覆蓋 技術(shù)（Herbaceous cover)以及利用自然或合成材料的土壤加固技術(shù)（Soil reinforcement)等。但這些技術(shù)大多側(cè)重于保護(hù)岸坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的角度，并沒有考慮其對(duì)環(huán) 境、生態(tài)的影響，缺乏生態(tài)學(xué)角度的理論支持和后期的效果驗(yàn)證，對(duì)面源氮、磷營(yíng)養(yǎng)鹽污染 的截留和轉(zhuǎn)換效果并不理想。因此，尋找一種兼具保護(hù)生態(tài)環(huán)境和良好凈化功能的生態(tài)型 護(hù)岸技術(shù)成為控制河-湖面源氮污染的重要內(nèi)容。
[0005] 生態(tài)護(hù)岸基質(zhì)材料是生態(tài)型護(hù)岸技術(shù)凈化功能有效提升的前提條件。護(hù)岸基質(zhì)材 料的選擇，首先考慮選用既供應(yīng)充足，又價(jià)格低廉，環(huán)境融合也相對(duì)容易。其次，材料的選擇 要考慮穩(wěn)定性的需求，不僅要考慮坡面上防止沖刷、防止表面滑動(dòng)等穩(wěn)定性的要求，而且要 性質(zhì)穩(wěn)定，即本身不會(huì)引起對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。常規(guī)基質(zhì)材料如河砂、礫石、卵石、天然石 塊等凈化效果往往較差，而生態(tài)新型材料如多孔生態(tài)混凝土、水泥生態(tài)種植基、土壤固化劑 等在提升凈化功能的同時(shí)存在制作工序相對(duì)復(fù)雜、造價(jià)較高的弊端。因此，尋求經(jīng)濟(jì)有效的 生態(tài)護(hù)岸強(qiáng)化脫氮基質(zhì)材料顯得尤為重要。
[0006] 礦化垃圾是一種經(jīng)過8~10a (北方10~15a)的物理、化學(xué)和生物作用而形成的一 種穩(wěn)定化即無害化的垃圾。由于礦化垃圾本身具有較高的陽離子交換容量、良好的脫氮除 磷效能及可再生能力等特點(diǎn)，已被用于處理滲濾液、生活污水、禽畜廢水和難降解廢水等點(diǎn) 源污染。本研究創(chuàng)新性將礦化垃圾細(xì)料作為生態(tài)護(hù)岸基質(zhì)主體材料，通過復(fù)配沸石、礫石強(qiáng) 化其作為生態(tài)護(hù)岸材料的穩(wěn)定性，耐沖刷性及脫氮效果，同時(shí)研究礦化垃圾復(fù)配材料作為 生態(tài)護(hù)岸的生態(tài)安全性、植被相容性以及對(duì)面源污染中氮、磷污染物的截留削減性能，為生 態(tài)護(hù)岸脫氮除磷功能拓展及解決河-湖"氮、磷超標(biāo)"難題提供嶄新的視角。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種新型生態(tài)護(hù)岸基質(zhì)材料及制備方法，所述生態(tài)護(hù)岸基 質(zhì)材料具有成本低、易制備、高效、低耗、良好的生態(tài)安全性和植被相容性及優(yōu)良的脫氮去 除效果等優(yōu)點(diǎn)，可以作為修復(fù)污染河-湖生態(tài)護(hù)岸基質(zhì)材料，能夠有效截留削減面源氮、磷 污染，同時(shí)為礦化垃圾的資源化利用提供一種嶄新的途徑。
[0008] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的具體技術(shù)方案是：
[0009] 本發(fā)明提出了一種新型生態(tài)護(hù)岸基質(zhì)材料，其特點(diǎn)是以礦化垃圾細(xì)料、沸石、礫石 為原料，復(fù)配后制得;其中礦化垃圾細(xì)料:沸石:礫石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為70%~80%、5%~ 10%、15% ~20%〇
[0010] 其中，所述礦化垃圾細(xì)料為生活填埋場(chǎng)經(jīng)過8~15年(南方為8~10年(8~10a)，北 方10~15年（10~15a))的物理、化學(xué)和生物作用而形成的一種穩(wěn)定化及無害化的垃圾，并 經(jīng)過孔徑為lcm的篩網(wǎng)篩分;所述沸石的粒徑為0.5~1.5cm;所述礫石的粒徑為1~3cm〇
[0011] 由于礦化垃圾本身為經(jīng)過8~15年物理、化學(xué)和生物作用而形成的穩(wěn)定性物質(zhì)，且 本發(fā)明在制備中對(duì)其進(jìn)行了均化處理，能保證礦化垃圾細(xì)料的穩(wěn)定性;所述均化是指將篩 分處理過的礦化垃圾細(xì)料，按照相應(yīng)比例復(fù)配沸石和礫石原材料后，采用攪拌的方式使物 料復(fù)配均勻。
[0012] 本發(fā)明中還可以采用泥炭替代所述礦化垃圾(或礦化垃圾細(xì)料），所述泥炭的組分 和組分穩(wěn)定性與所述礦化垃圾類似。
[0013] 所述生態(tài)護(hù)岸基質(zhì)材料適宜應(yīng)用于所種護(hù)岸植物為蘆葦、麥冬、鳶尾。
[0014] 本發(fā)明進(jìn)一步提出了一種生態(tài)護(hù)岸系統(tǒng)，所述生態(tài)護(hù)岸系統(tǒng)包括如上所述的生態(tài) 護(hù)岸基質(zhì)材料和植物，其中，所述植物包括蘆葦，鳶尾、麥冬三種植物中的一種或其任意組 合。
[0015] 本發(fā)明還提出了將所述生態(tài)護(hù)岸基質(zhì)材料用于河-湖水體面源污染的阻斷、控制 凈化與生態(tài)修復(fù)的應(yīng)用。
[0016] 本發(fā)明還提出了一種所述生態(tài)護(hù)岸基質(zhì)材料的制備方法，該方法包括以下具體步 驟：
[0017] 1)原材料的選擇與預(yù)處理
[0018] 礦化垃圾細(xì)料:經(jīng)過8~10a(北方10~15a)的物理、化學(xué)和生物作用而形成的一種 穩(wěn)定化及無害化的垃圾，并經(jīng)過篩網(wǎng)（孔徑lcm)篩分;沸石:粒徑0.5~1.5cm;礫石:粒徑1~ 3cm〇
[0019] 2)原材料復(fù)配
[0020] 將上述原材料礦化垃圾細(xì)料、沸石和礫石按一定的質(zhì)量分?jǐn)?shù)混合均勻后，即得所 述生態(tài)護(hù)岸基質(zhì)材料;所述礦化垃圾細(xì)料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%~80%，所述沸石的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 為5 %~10 %，所述礫石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15 %~20 %。
[0021] 本發(fā)明分別進(jìn)行了礦化垃圾細(xì)料質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60 %、70 %、80 %、90 %，沸石質(zhì)量分 數(shù)為5%~25%，礫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%~25%的生態(tài)護(hù)岸基質(zhì)材料的批次實(shí)驗(yàn)(如表1所示）， 最終評(píng)價(jià)所制備的生態(tài)護(hù)岸基質(zhì)材料的性能，得到當(dāng)?shù)V化垃圾細(xì)料:沸石:礫石的質(zhì)量分?jǐn)?shù) 分別為70%~80%、5%~10%、15%~20%時(shí)的生態(tài)護(hù)岸基質(zhì)材料的性能更優(yōu);其中，當(dāng)所 述礦化垃圾細(xì)料、沸石、礫石的質(zhì)量比為32 : 3 : 5時(shí)（即質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為80 %、7.5 %、 12.5%)，效果最優(yōu)。
[0022] 所述生態(tài)護(hù)岸基質(zhì)材料的性能評(píng)價(jià) [0023]水力學(xué)性能評(píng)定
[0024]對(duì)本發(fā)明生態(tài)護(hù)岸基質(zhì)材料的水力學(xué)性質(zhì)研究表明，該基質(zhì)材料具有類似粗砂土 的水傳輸能力，其孔隙度為43.46 %~48.24%，稍高于粗砂土，而滲透系數(shù)為1.31~ 2.55cm · mirT1，在數(shù)量級(jí)上已接近粗砂土，具備良好的水力傳導(dǎo)和水力滲透性能，可允許通 過較高的水力負(fù)荷;基質(zhì)材料持水度為5.87%~8.02%，給水度為35.12%~38.43%，基本 都處于粗砂土范圍，具備良好的儲(chǔ)水能力，有利于植物吸收生長(zhǎng)所需水分及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)?；?對(duì)基質(zhì)材料的水力學(xué)性能評(píng)定，所述生態(tài)護(hù)岸基質(zhì)材料完全滿足生態(tài)護(hù)岸對(duì)基質(zhì)材料透水 和持水性的要求。
[0025]抗剪、抗壓、抗沖刷性能評(píng)價(jià)
[0026]生態(tài)護(hù)岸作為河道坡面保護(hù)形式之一，必須保證岸坡的穩(wěn)定性、耐久性、抗沖刷 性，最大程度防止水土流失，這就要求基質(zhì)材料具備良好的抗剪、抗壓性能及抗沖刷。對(duì)本 發(fā)明生態(tài)護(hù)岸基質(zhì)材料抗剪和抗壓性能研究表明，該基質(zhì)材料在自然含水率下施加壓力的 加壓過程中沒有發(fā)生流變化;在50kPa下壓實(shí)后，基質(zhì)材料抗剪強(qiáng)度大于60kPa，抗壓強(qiáng)度大 于380kPa。與土質(zhì)護(hù)岸基質(zhì)相比，該基質(zhì)材料具有更好的抗剪及抗壓性，能有效抵抗徑流對(duì) 岸坡的剪切破壞、防止水土流失、保證岸坡的穩(wěn)定性、耐久性和抗沖刷性。采用試樣盒稱量 法對(duì)礦化垃圾細(xì)料和本發(fā)明的生態(tài)護(hù)岸基質(zhì)材料的抗沖刷性進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明本發(fā) 明的生態(tài)護(hù)岸基質(zhì)材料的抗沖刷能力較礦化垃圾細(xì)料增強(qiáng)20%~30%。同時(shí)種植植被后植 被根系能有效涵養(yǎng)水源，保持水土，顯著增加抗沖刷及水力學(xué)性能。因此，本發(fā)明的材料可 以滿足生態(tài)護(hù)岸對(duì)基質(zhì)材料抗剪、抗壓和抗沖刷性能的要求。
[0027] 生態(tài)安全性評(píng)價(jià)