一种铁镁层状双金属氢氧化物型生态基质坝及构建方法

本发明属于稻田生态系统排水净化装置，尤其涉及一种类水滑石纳米材料型生态基质坝及构建方法。

背景技术：

1、生态基质坝（ecological dams，eds）是设置于稻田生态系统排水沟渠或泄水沟道等水流通道中的生态拦截与净化设施，通常由植物、天然或人工基质材料及支撑框架构成。生态基质坝通过减缓径流流速、延长水力停留时间以及吸附、沉淀和生物转化等过程，实现稻田退水中氮、磷、悬浮颗粒物及部分有机污染物的拦截与消减。然而，传统生态基质坝的污染消减能力是以相对稳定的水力条件和停留时间为基础。农田生态系统暴雨洪峰和集中排水期，短时间内大量径流快速汇入沟渠，水力和污染物输入负荷同步骤增，导致基质截留能力下降、甚至出现水流短路等问题，致使污染物在短时间内集中输出。并且东北寒区稻田生态系统在稻田生长时期会存在低温期，传统的生态基质坝在低温条件下污染消减能力也受到一定的影响。

2、因此，针对传统生态基质坝对高强度、短历时、突发性面源污染事件的响应和调控能力存在明显不足，亟需强化生态基质坝的污染物消纳能力，兼顾常规排水条件下的污染净化效率与极端水文条件下的过流安全，并且适用于东北寒区稻田生态系统。由此可见，开发具备低价构建成本、高效截污能力、低温运行效果的人工合成基质材料，已然是提升东北寒区稻田生态系统基质坝应对高强度、短历时、突发性面源污染事件能力的关键点。。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对于东北寒区稻田生态系统传统生态基质坝应对高强度、短历时、突发性磷面源污染事件、低温条件下的响应和调控能力差的问题，提供一种铁镁层状双金属氢氧化物型生态基质坝及构建方法。本发明构建的铁镁层状双金属氢氧化物型生态基质坝具有价格低、效率高和稳定性强等优点，适用于处理稻田生态系统暴雨洪峰和集中排水引发的突发性磷面源污染事件。

2、本发明的技术方案之一为，一种铁镁层状双金属氢氧化物型生态基质坝，所述生态基质坝设置于稻田生态系统排水沟渠或泄水沟道，包括搭建成横截面为倒梯形的坝体框架，坝体的两个侧壁填充秸秆或包覆过滤网，坝体内竖向间隔填充土壤和污染消减填料，填料为铁镁层状双金属氢氧化物纳米材料封装式载体，并且每层土壤纵向种植数株具有良好吸磷能力的挺水植物。

3、进一步的，上述的铁镁层状双金属氢氧化物型生态基质坝，木桩的直径为3-5 cm；倒梯形横截面的规格为底/顶长:宽:高 = 30cm/50~60:30~35:40~45 cm；秸秆为水稻秸秆，厚度4~5 cm，过滤网的规格为目数大于150目；每层污染消减填料层顶端处的宽度为5~6cm，每层土壤层宽度顶端处的宽度为污染消减填料层宽度的1.5~2倍，污染消减填料层和土壤层的顶端高度相同，并且其顶端位于坝体高度的3/4~9/10处；所述挺水植物包括美人蕉、香蒲和菖蒲。

4、本发明的技术方案之二为，上述铁镁层状双金属氢氧化物型生态基质坝的构建方法，包括如下步骤：

5、1）取用木桩或金属材料搭建生态基质坝的框架；

6、2）在基质坝的两个侧壁填充秸秆或过滤网，防止基质坝填充材料流失；

7、3）基质坝内部依次垂直填充土壤层和污染消减填料层；

8、4）在基质坝内填充的土壤上种植具有强吸磷能力的挺水植物。

9、本发明的技术方案之三为，所述铁镁层状双金属氢氧化物纳米材料封装式载体的制备方法，包括以下步骤：

10、1）将一定量的氯化铁和氯化镁溶解于去离子水，然后向溶液逐滴添加氢氧化钠溶液至溶液为碱性，静置后得到铁镁层状双金属氢氧化物纳米材料浑浊液；

11、2）将步骤1）所得的铁镁层状双金属氢氧化物浑浊液离心、过滤，再清洗所得沉淀，既得铁镁层状双金属氢氧化物纳米材料前驱体；

12、3）将步骤2）所得的铁镁层状双金属氢氧化物纳米材料前驱体至于烘箱老化，再研磨成粉得到稳定的铁镁层状双金属氢氧化物纳米材料；

13、4）将步骤3）所得的铁镁层状双金属氢氧化物纳米材料添加至1.5~2.5%（w:v）海藻酸钠溶液，充分混匀，再将含有铁镁层状双金属氢氧化物纳米材料的海藻酸钠溶液滴加至1.5~2.5%（w:v）氯化钙溶液中；待凝胶珠形成后，静置40-60 min，既得铁镁层状双金属氢氧化物纳米材料封装式载体。

14、进一步的，上述的纳米材料封装式载体的制备方法，步骤1）中，溶液中铁离子和镁离子的摩尔比为2~4:1。

15、进一步的，上述的纳米材料封装式载体的制备方法，步骤1）中，碱性溶液的ph为9.0-10.5。

16、进一步的，上述的纳米材料封装式载体的制备方法，步骤2）中，铁镁层状双金属氢氧化物浑浊液的离心速度为6000-10000 r/min、离心时间为8-12 min。

17、进一步的，上述的纳米材料封装式载体的制备方法，步骤2）中，铁镁层状双金属氢氧化物纳米材料前驱体洗涤至洗脱液ph = 7.0 ± 0.5。

18、进一步的，上述的纳米材料封装式载体的制备方法，步骤3）中，铁镁层状双金属氢氧化物纳米材料前驱体的老化温度为60-120℃、老化时间为16-24 h。

19、进一步的，上述的纳米材料封装式载体的制备方法，步骤4）中，海藻酸钠溶液中铁镁层状双金属氢氧化物纳米材料的添加量为15-20 g/l，通过调节磁力搅拌速度使凝胶珠的直径为2-3 cm。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

21、1）本发明将强吸磷的铁镁层状双金属氢氧化物纳米材料包覆在海藻酸钙凝胶珠内，形成铁镁层状双金属氢氧化物纳米材料封装式载体，具有成本低、易操作和稳定性强等优点。铁镁层状双金属氢氧化物纳米材料封装式载体兼具弹性与多孔性，在保证了流经坝内的稻田水能够正常进入载体内的同时，避免了流经坝体的流水中和坝内的泥土对铁镁层状双金属氢氧化物纳米材料的污染，凝胶珠包裹的铁镁层状双金属氢氧化物纳米材料可通过主体层静电吸附和配位反应、以及插层阴离子交换方法，高效去除污水中的磷酸根，且能够保证生态基质坝的低温运行效果，适合东北寒区稻田生态系统生态基质坝的广泛推广。

22、2）本发明制备的铁镁层状双金属氢氧化物纳米材料封装式载体除磷效果突破了低温限制，能够适用于东北寒区稻田生态系统径流和退水中磷的面源污染防控。实验结果表明：初始磷浓度为100 mg/l、材料添加量为2.5 g/l、运行时间为2 h条件下，温度设置为5℃、15℃和25℃时，磷的去除率分别为51%、53%和55%。

23、3）本发明构建的铁镁层状双金属氢氧化物型生态基质坝利用在坝内填充的铁镁层状双金属氢氧化物纳米材料封装式载体、土壤和具有强吸磷能力的挺水植物的共同作用，实现了磷的快速、高效去除，能够适用于处理稻田生态系统暴雨洪期和集中排水引发的突发性磷面源污染风险。实验结果表明：进水磷浓度为5 mg/l、进水量为5 l、材料添加量为5 g、水力停留时间为3 h条件下，添加铁镁层状双金属氢氧化物的生态基质坝磷去除率高达98.6%，显著高于添加生物炭（27.6%）、陶粒（25.9%）和炉渣（19.8%）生态基质坝磷的去除效果。

24、4）本发明应用于稻田沟渠，必须保证所使用的金属离子对粮食作物和沟渠植物无毒害作用。本发明所使用的金属离子为铁和镁，均对植物无毒害作用。此外，铁在农田生态系统中磷的循环扮演重要角色；而镁是植物叶绿素合成必需的金属元素。