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本文根据传统单组份改性粘土矿物除藻方法的缺点与不足,结合电荷改性与高分子改性的功能与作用,提出了电荷-高分子双组份改性土壤方法,以实现在多种水体环境下对不同有害藻的有效去除。并在室内研究的基础上,将这一方法应用于现场,考察了其实际除藻与水质改善效果,及由此而引发并促进的生态修复效应,从而为长效控制有害藻暴发提供理论与技术支持。 根据本文研究内容,主要取得了以下五方面的研究结果: (1)首先以辣木籽提取液(MO)-壳聚糖改性土壤为例,研究了电荷-高分子双组份改性土壤方法对赤潮有害藻——强壮前沟藻、海洋小球藻与水华优势藻种——铜绿微囊藻的去除效果。结果表明:MO作为一种高等电点物质,通过改性能将土壤颗粒等电点由pH4.5提升至pH10.5,这使其在天然水体的pH条件下,仍能具有正电荷,从而能中和藻细胞表面负电荷并将其脱稳。但与其它电荷改性剂相似,通过电中和自凝聚的藻细胞絮体较小(20-100μm),往往需要较长的沉降时间或仍然悬浮在水体中。然而,当这些脱稳絮体被高分子絮凝剂——壳聚糖通过吸附架桥作用连接之后,能迅速增长粒径,在30min内,这三种有害藻去除率均能达到90%以上。 (2) MO-壳聚糖双组份改性土壤结合了两种改性剂及土壤颗粒物三种物质的三种功能:MO改性使土壤颗粒物带有正电荷,中和藻细胞表面负电荷并使其脱稳,形成小絮体,这不仅为壳聚糖的吸附架桥功能创造了良好的条件,使絮体粒径迅速增长,而且也提高了整体的去除率,而土壤颗粒增加了颗粒物间的碰撞频率与絮体重量,进一步促进了絮体在天然水体中的沉降。在电荷、架桥网捕、有效碰撞这三种作用的协同下,有望实现对不同水体、种类、藻细胞大小、形状、游动性及表面性质的有害藻高效去除。 (3)颗粒物表面电荷对壳聚糖絮凝效果影响的定量研究表明,藻细胞Zeta电位对壳聚糖的絮凝行为有重要影响。当颗粒物电负性较强时,壳聚糖由于电荷密度相对较低,对此颗粒物基本没有絮凝作用。但过于降低颗粒物电负性,壳聚糖正电荷基团与藻细胞间相互吸引作用将会降低,也不利于壳聚糖吸附架桥功能的发挥,形成大的絮体。因此,对于双组份改性土壤除藻而言,经过电荷改性后,藻细胞Zeta电位最优区间为-20.7mV~-6.7mV,在此范围内最有利于壳聚糖吸附架桥作用的发挥,30min内去除率能达到80%以上,并且絮体粒径也大于350μm。这一结果为双组份改性土壤组分配比、效果预测及现场实施提供了理论依据与指导。 (4)溶菌酶或菠萝酶与壳聚糖改性土壤去除有害藻的实验表明,高等电点的蛋白质能发挥与MO相似的作用:中和藻细胞表面负电荷,使其脱稳、凝聚并形成小絮体,提高去除率的同时,也为壳聚糖吸附架桥创造较好的条件,使絮体迅速增长,加速沉降。这一结果可将电荷改性剂如MO扩展至具有相同功能的、自然界广泛存在的蛋白质,从而极大的拓宽了双组份改性方法在不同区域的适用性。为保证有效地电荷改性作用,蛋白质等电点应当不低于9.5。 (5)电荷-高分子双组份改性土壤除藻现场实验表明,400m2、1.5m深的藻型水体经过处理后,在第二天能实现清澈见底。由于藻细胞对营养盐的吸收与吸附,其沉降的同时也去除了其它污染物,处理区域TN、TP、Chl-a、CODMn的去除率均在90%以上,溶解性污染物含量也有一定的降低,并将水体营养状态由重度富营养化降低至中营养水平。水体生境的改善,促进了生态系统的修复,在工程实施1年后,与对照相比,处理区沉水植物已顺利恢复,生态结构多样性显著提升。