聚乙烯胺改性凹土除藻性能研究
目录
1 引言 1
1.1 蓝藻的特性 1
1.2 藻华的危害 2
1.3当前除藻主要技术和方法 2
1.4黏土矿物的改性研究 4
1.5聚乙烯胺改性凹土除藻的理论依据和可行性 6
1.6实验目的和意义 8
2 实验部分 9
2.1 实验药品和仪器 9
2.2 技术路线 10
2.3实验方法 11
3实验结果与讨论 14
3.1产物与表征 14
3.2聚乙烯胺改性凹土除藻性能的研究 16
结论 22
致谢 23
参考文献 24
1 引言
近年来，随着社会经济的迅猛发展，不合理的生活、生产方式导致了水域中氮（N）、磷（P）等营养盐类大量富集，致使全球性水域富营养化日益严重。我国在20世纪80年代进行的水源水质调查结果中显示，34个被调查湖泊中有1/2以上的湖泊处于富营养化状态。进入90年代，全国淡水水体的富营养化状况更为严重，涉及范围和面积也在不断地扩大[1]，海洋、江河、水库的富营养化都有加重的趋势。我国是世界上水体富营养化污染发展比较迅速的国家之一，其中尤以营养盐输入形成的水体藻类污染表现十分突出。蓝藻是富营养化水体中形成水华的主要藻类之一，其中微囊藻水华是淡水水体中危害最严重的一类[2]。在水体中，铜绿微囊藻的生长繁殖具有生态优势[3]，往往构成富营养化水体水中的优势藻类并易形成水华，目前在水体中还没有上佳的办法控制其繁殖蔓延。加强对原水中藻类污染的净水工艺控制，提高藻类的去除效果，对保证水质、保障人群健康具有重要的现实意义。药剂混凝是净水厂去除原水中污染物质的重要工艺单元之一，一些绿藻、硅藻种类的混凝控制效 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
果已有报道[4～6]，但对蓝藻种类特别是铜绿微囊藻的混凝控制报道较少。
1.1 蓝藻的特性
蓝藻在富含氮、磷等无机营养物、水温常年介于15～30℃之间、pH值介于6～9之间的水体中常年存在。水华常常发生在夏末或初秋，常发生在富营养化水体中。最佳的光照度因藻种而异。此外，一些蓝藻（如铜绿微囊藻）能够随光照调节其浮力。这一特性使蓝藻可在不同热度梯度的水中游移，并可吸收水温较低的深层水中的营养。对于不同的水域，由于区域地理特性、自然气候条件、水生生态系统和污染特性等诸多差异，尽管会出现不同的富营养化表现症状，也即出现不同的优势藻类种群，并连带出现各种不同类型的水生生物种类的失衡，但富营养化发生所需的必备条件基本上是一样的，最主要的影响因素为[7]：TP、TN等营养盐相对比较充足、浅缓的水流流态、适宜的光照条件。当其三方面条件都比较适宜时，水体才会发生富营养化，从而出现某种优势藻类“疯”长现象。其中水流流态主要指以流速、水深为要素的水流结构。富营养化的防治过程，实质上就是通过调节诱发富营养化发生的主要控制性条件，遏止富营养化发生。
1.2 藻华的危害
藻类通常是指一群在水中以浮游方式生活能进行光合作用的自养型微生物，个体大小一般在2～200 m，其种类繁多，均含叶绿素，在显微镜下观察是带绿色的有规则的小个体或群落。现今，有害藻类在天然水体中的暴发日益严重，已经成为全球瞩目的环境灾害，其主要危害有如下几个方面：
（1）产生恶臭，水质变坏
（2）降低透明度，消耗溶解氧
（3）释放毒素，毒害生物
（4）破坏水体景观，影响旅游事业
1.3当前除藻主要技术和方法
1.3.1 化学除藻技术
通过向水体投放化学药物（如硫酸铜和硫酸亚铁、二氧化溴、一些广谱意义上的除草剂等）来控制藻类的生长繁殖。这种方法虽简便易行、省时省力，但该方法并不能从根本上改善水质，相反，随着投加量的越来越多，药剂品种的不断更换，对环境的二次污染也在不断增加，从而使水质环境形成严重的恶性循环，如溶解氧下降、鱼类死亡、生物多样性降低等，严重地影响生态系统的结构和功能，甚至可能导致整个水体生态系统的瘫痪，遗患无穷。
1.3.2 生物除藻技术
生物除藻技术是利用培育的生物或培养、接种的生物的生命活动，对水中污染物进行转化、降解及转移作用，从而使水体环境健康得到恢复的一种方法。目前很多供饮水水库大多采用生物除藻技术。用来除藻的生物主要有微生物和水生植物。微生物作为除藻剂的主要原理是利用其和藻类争夺水体中的营养，吸收、分解、转化水体中的营养物质，使水中的藻类由于得不到足够的营养而无法继续生长繁殖，以致死亡。越来越多的微生物继续降解死亡的藻类，直至消灭，使水体变清，从而达到除藻及净化水质的目的。而在富营养化水体中种植水生植物除了有上述作用外，一部分水生植物自身还可以释放化感物质，抑制某些特定藻类的生长、繁殖，从而达到改善水体生态环境，净化水质，促进鱼类生长的目的[9]。1.3.3 物理除藻技术
（1）过滤法除藻
过滤法除藻是利用滤池直接对含藻水进行处理，滤池的工作原理是应用陶粒矿石等粒状滤料对污水进行快速过滤从而达到截留水中悬浮固体和部分细菌微生物等的目的，因此滤池也可用于含藻水的处理，但是对于浊度较高的含藻水，浊度的去除率较低。
（2）紫外光照射除藻
用特定波长的紫外光对含藻水进行照射，杀死藻细胞，或抑制藻细胞的生长，从而达到控藻的目的，对于藻含量很高而浊度比较低的湖泊水效果较好。
（3）微滤机除藻
通常微滤机除藻主要用于处理低浊高藻的湖泊水，微滤的原理是一种简单的过滤方法，它采用滤网过滤掉水中直径大于滤网孔径的浮游生物和藻类。一项试验表明滤网对藻类的去除率为50%～57.5%，效果优于混凝沉淀，但对浊度色度COD Mn去除率都低，远不及混凝沉淀[10]。因此，微滤机适合处理水中个体较大的浮游动物和藻类。
（4）黏土除藻
天然矿物黏土颗粒是均由硅胶板和氧化铝 2 个原子群排列构成具有板状结构的结晶，通常具有通电性，如蒙脱土和高岭土。黏土矿物作为藻类絮凝剂的研究最早始于日本，研究者们利用黏土的沉降特性作为“增重剂”与硫酸铝土混合去除微藻，去除率从单一硫酸铝土时的 82%上升至97%(俞志明等, 1993)。此后，该结果得到推广并应用于海水条件下的藻类去除试验。日本学者研究认为：黏土矿物对藻华生物的凝聚作用与黏土结构、种类及其表面性质有关。蒙脱石系黏土由2个硅石和1个氧化铝构成，从而形成较大的分子间距离和内部界面，有利于水分子和金属阳离子侵入板状分子间（即有利于离子交换），故蒙脱土的凝聚作用最强。
从化学结构看，壳聚糖每一个六碳糖单元含一个氨基，其理论含氮量为8.5%；聚乙烯胺则是每一个乙烯基单元含一个氨基，其理论含氮量为32.6%。因此其活泼氨基含量要远高于壳聚糖，阳电荷密度更高，因而在水溶液中其线性分子链能够因静电力排斥而更加舒展，不易聚集成团。这都预示着聚乙烯胺在除藻性能方面比壳聚糖有更高的潜力。
实验室前期研究也证实了这一点，在达到相同除藻效率（90%）的前提下，壳聚糖的投加量为0.5-1 mg/l，而聚乙烯胺仅需0.05-0.1 mg/l，用量大大减少。
图3.6显示，投加聚乙烯胺后藻液OD680nm均随时间而降低30分钟内藻迅速沉降，在120分钟后基本沉降完毕，胺化度较低的PVAm-3的除藻效果最差，其它三种聚乙烯胺的除藻效果比较好；图3.7显示当投加量比较少时，PVAm-1、PVAm-2、PVAm-4对藻去除率比较高，而在投加量比较高时对藻的去除率比较高。
1 引言 1
1.1 蓝藻的特性 1
1.2 藻华的危害 2
1.3当前除藻主要技术和方法 2
1.4黏土矿物的改性研究 4
1.5聚乙烯胺改性凹土除藻的理论依据和可行性 6
1.6实验目的和意义 8
2 实验部分 9
2.1 实验药品和仪器 9
2.2 技术路线 10
2.3实验方法 11
3实验结果与讨论 14
3.1产物与表征 14
3.2聚乙烯胺改性凹土除藻性能的研究 16
结论 22
致谢 23
参考文献 24
1 引言
近年来，随着社会经济的迅猛发展，不合理的生活、生产方式导致了水域中氮（N）、磷（P）等营养盐类大量富集，致使全球性水域富营养化日益严重。我国在20世纪80年代进行的水源水质调查结果中显示，34个被调查湖泊中有1/2以上的湖泊处于富营养化状态。进入90年代，全国淡水水体的富营养化状况更为严重，涉及范围和面积也在不断地扩大[1]，海洋、江河、水库的富营养化都有加重的趋势。我国是世界上水体富营养化污染发展比较迅速的国家之一，其中尤以营养盐输入形成的水体藻类污染表现十分突出。蓝藻是富营养化水体中形成水华的主要藻类之一，其中微囊藻水华是淡水水体中危害最严重的一类[2]。在水体中，铜绿微囊藻的生长繁殖具有生态优势[3]，往往构成富营养化水体水中的优势藻类并易形成水华，目前在水体中还没有上佳的办法控制其繁殖蔓延。加强对原水中藻类污染的净水工艺控制，提高藻类的去除效果，对保证水质、保障人群健康具有重要的现实意义。药剂混凝是净水厂去除原水中污染物质的重要工艺单元之一，一些绿藻、硅藻种类的混凝控制效 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
果已有报道[4～6]，但对蓝藻种类特别是铜绿微囊藻的混凝控制报道较少。
1.1 蓝藻的特性
蓝藻在富含氮、磷等无机营养物、水温常年介于15～30℃之间、pH值介于6～9之间的水体中常年存在。水华常常发生在夏末或初秋，常发生在富营养化水体中。最佳的光照度因藻种而异。此外，一些蓝藻（如铜绿微囊藻）能够随光照调节其浮力。这一特性使蓝藻可在不同热度梯度的水中游移，并可吸收水温较低的深层水中的营养。对于不同的水域，由于区域地理特性、自然气候条件、水生生态系统和污染特性等诸多差异，尽管会出现不同的富营养化表现症状，也即出现不同的优势藻类种群，并连带出现各种不同类型的水生生物种类的失衡，但富营养化发生所需的必备条件基本上是一样的，最主要的影响因素为[7]：TP、TN等营养盐相对比较充足、浅缓的水流流态、适宜的光照条件。当其三方面条件都比较适宜时，水体才会发生富营养化，从而出现某种优势藻类“疯”长现象。其中水流流态主要指以流速、水深为要素的水流结构。富营养化的防治过程，实质上就是通过调节诱发富营养化发生的主要控制性条件，遏止富营养化发生。
1.2 藻华的危害
藻类通常是指一群在水中以浮游方式生活能进行光合作用的自养型微生物，个体大小一般在2～200 m，其种类繁多，均含叶绿素，在显微镜下观察是带绿色的有规则的小个体或群落。现今，有害藻类在天然水体中的暴发日益严重，已经成为全球瞩目的环境灾害，其主要危害有如下几个方面：
（1）产生恶臭，水质变坏
（2）降低透明度，消耗溶解氧
（3）释放毒素，毒害生物
（4）破坏水体景观，影响旅游事业
1.3当前除藻主要技术和方法
1.3.1 化学除藻技术
通过向水体投放化学药物（如硫酸铜和硫酸亚铁、二氧化溴、一些广谱意义上的除草剂等）来控制藻类的生长繁殖。这种方法虽简便易行、省时省力，但该方法并不能从根本上改善水质，相反，随着投加量的越来越多，药剂品种的不断更换，对环境的二次污染也在不断增加，从而使水质环境形成严重的恶性循环，如溶解氧下降、鱼类死亡、生物多样性降低等，严重地影响生态系统的结构和功能，甚至可能导致整个水体生态系统的瘫痪，遗患无穷。
1.3.2 生物除藻技术
生物除藻技术是利用培育的生物或培养、接种的生物的生命活动，对水中污染物进行转化、降解及转移作用，从而使水体环境健康得到恢复的一种方法。目前很多供饮水水库大多采用生物除藻技术。用来除藻的生物主要有微生物和水生植物。微生物作为除藻剂的主要原理是利用其和藻类争夺水体中的营养，吸收、分解、转化水体中的营养物质，使水中的藻类由于得不到足够的营养而无法继续生长繁殖，以致死亡。越来越多的微生物继续降解死亡的藻类，直至消灭，使水体变清，从而达到除藻及净化水质的目的。而在富营养化水体中种植水生植物除了有上述作用外，一部分水生植物自身还可以释放化感物质，抑制某些特定藻类的生长、繁殖，从而达到改善水体生态环境，净化水质，促进鱼类生长的目的[9]。1.3.3 物理除藻技术
（1）过滤法除藻
过滤法除藻是利用滤池直接对含藻水进行处理，滤池的工作原理是应用陶粒矿石等粒状滤料对污水进行快速过滤从而达到截留水中悬浮固体和部分细菌微生物等的目的，因此滤池也可用于含藻水的处理，但是对于浊度较高的含藻水，浊度的去除率较低。
（2）紫外光照射除藻
用特定波长的紫外光对含藻水进行照射，杀死藻细胞，或抑制藻细胞的生长，从而达到控藻的目的，对于藻含量很高而浊度比较低的湖泊水效果较好。
（3）微滤机除藻
通常微滤机除藻主要用于处理低浊高藻的湖泊水，微滤的原理是一种简单的过滤方法，它采用滤网过滤掉水中直径大于滤网孔径的浮游生物和藻类。一项试验表明滤网对藻类的去除率为50%～57.5%，效果优于混凝沉淀，但对浊度色度COD Mn去除率都低，远不及混凝沉淀[10]。因此，微滤机适合处理水中个体较大的浮游动物和藻类。
（4）黏土除藻
天然矿物黏土颗粒是均由硅胶板和氧化铝 2 个原子群排列构成具有板状结构的结晶，通常具有通电性，如蒙脱土和高岭土。黏土矿物作为藻类絮凝剂的研究最早始于日本，研究者们利用黏土的沉降特性作为“增重剂”与硫酸铝土混合去除微藻，去除率从单一硫酸铝土时的 82%上升至97%(俞志明等, 1993)。此后，该结果得到推广并应用于海水条件下的藻类去除试验。日本学者研究认为：黏土矿物对藻华生物的凝聚作用与黏土结构、种类及其表面性质有关。蒙脱石系黏土由2个硅石和1个氧化铝构成，从而形成较大的分子间距离和内部界面，有利于水分子和金属阳离子侵入板状分子间（即有利于离子交换），故蒙脱土的凝聚作用最强。
从化学结构看，壳聚糖每一个六碳糖单元含一个氨基，其理论含氮量为8.5%；聚乙烯胺则是每一个乙烯基单元含一个氨基，其理论含氮量为32.6%。因此其活泼氨基含量要远高于壳聚糖，阳电荷密度更高，因而在水溶液中其线性分子链能够因静电力排斥而更加舒展，不易聚集成团。这都预示着聚乙烯胺在除藻性能方面比壳聚糖有更高的潜力。
实验室前期研究也证实了这一点，在达到相同除藻效率（90%）的前提下，壳聚糖的投加量为0.5-1 mg/l，而聚乙烯胺仅需0.05-0.1 mg/l，用量大大减少。
图3.6显示，投加聚乙烯胺后藻液OD680nm均随时间而降低30分钟内藻迅速沉降，在120分钟后基本沉降完毕，胺化度较低的PVAm-3的除藻效果最差，其它三种聚乙烯胺的除藻效果比较好；图3.7显示当投加量比较少时，PVAm-1、PVAm-2、PVAm-4对藻去除率比较高，而在投加量比较高时对藻的去除率比较高。
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