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长期以来,海洋、湖泊、水库等水体富营养化及伴随的赤潮藻华是全球范围内重大水环境问题。目前利用黏土除藻在众多除藻方法中被公认为是最具发展前景的措施之一。但对其进行黏土种类、黏土改性剂及改性方法、黏土除藻效果评价、黏土除藻机理、黏土生物安全性的系统研究却不多,特别是对黏土絮凝除藻机理进行深入探索以及对絮凝剂进行安全性评价的研究更是少见。
本文选用天然黏土凹凸棒土(attapulgite:AT)为原材料,选用盐酸作为改性剂,通过1-10 mol/L盐酸改性等一系列处理后制成絮凝剂用于除藻研究。通过淡水水华常见藻种-铜绿微囊藻的Jar-test实验,对絮凝剂进行优化:确定最适盐酸浓度,将其用于凹凸棒土改性,接着确定最适条件下改性凹凸棒土的最佳投加剂量。对凹凸棒土絮凝剂絮凝效果时间响应进行研究,同时深入探讨凹凸棒土絮凝剂的絮凝除藻机理,并通过模式生物-秀丽隐杆线虫对凹凸棒土絮凝剂的生物毒性进行评价。主要研究内容和结果如下:
1、3、5、7、9、10 mol/L盐酸改性凹凸棒土絮凝剂(1AT、3AT、5AT、7AT、9AT、10AT)分别对活藻液、死亡藻液进行絮凝处理,结果显示两种藻液条件下絮凝效果都不随盐酸浓度增大而增加;总磷、总氮、浊度去除率大致存在1-5AT上升,5-10AT下降的趋势;活藻液、死亡藻液两种条件下5AT的TP、TN、Tur去除率分别为90％、57%、98%;35%、25%、99%。结合1-10AT各絮凝剂的絮凝效果、以选择低浓度盐酸改性凹凸棒土为前提这两个标准,最后确定5AT为处理活/死亡藻液的最佳凹凸棒土絮凝剂,同时确定5AT的最佳投加剂量为0.3-0.5g/L。
对N-Ar(未改性凹凸棒土)、5AT絮凝效果进行时间响应评价,结果显示:5AT处理时在10min内藻细胞去除率达到90%,60min藻细胞去除率达到最大约为95%,60-180 min去除率基本稳定维持在95%左右;而N-AT在180 min内,去除率基本保持在5%-20%范围内。由此发现凹凸棒土改性后能快速高效地絮凝藻细胞,而未改性凹凸棒土絮凝藻细胞效果较差。
接着对改性凹凸棒土絮凝除藻机理进行了深入探讨,通过扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、BET-比表面积分析(BET-SSA)及BJH全孔分布、化学成分分析等手段研究絮凝机理。结果表明:盐酸改性处理可使凹凸棒土内部细长而致密有序的晶束被打断、破碎和分散,微晶表面粗糙度增大同时溶出八面体阳离子(Al3+、Fe3+、Mg2+),这些离子对絮凝起关键作用;酸溶物能在藻细胞表面形成纳米薄膜,未溶棒晶在藻细胞四周随机杂乱分布,与胞外分泌物等通过架桥作用形成网络,通过纳米薄膜与架桥网络双重作用共同使藻细胞聚集絮凝沉降;从化学成分与絮体结构SEM照片发现盐酸改性凹凸棒土与高分子无机絮凝剂PAFSiC相似。综合各种分析手段结果得知电中和、架桥作用促使絮凝的发生,但架桥作用是改性凹凸棒土-藻细胞絮凝的主要絮凝机理。
最后对凹凸棒土絮凝剂生物毒性进行评价,利用秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)作为模式生物,经同步化的C.elegans在对照组:双蒸水;实验组:原藻液,N-AT处理后的藻液,5AT处理后的藻液中接受浸泡处理,在48 h内随着时间增加各组C.elegans存活率逐渐下降,但死亡率都很低;C.Elegans在N-AT与5AT处理的藻液中浸泡48 h后,存活率分别为96.2%、97.3%,与对照组存活率差异不大。说明N-AT与5AT分别处理后的藻液对C.elegans都没有明显生物毒性,凹凸棒土絮凝剂被用来去除赤潮藻华是相对安全的。