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碳化磁性稻壳对污染水中蓝藻的捕捉和打捞的研究

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  摘 要:近年因为蓝藻引发的污染严重影响各大景观的水体环境,为此,笔者着力寻找一种方便快捷的蓝藻治理方法,以稻壳为材料制作磁性活性炭来进行吸附蓝藻,产生的絮凝物利用电磁铁进行吸附打捞,打捞后的蓝藻絮凝物混合少量生活污泥土自然晾干作为城乡园林绿化土,将蓝藻富集的磷氮循环资源化形成一个完整的生态闭环。减少治理成本,创造美丽干净的景观环境。
  关键词:碳化磁性稻壳;蓝藻捕捉剂;蓝藻污染
  1 研究背景
  蓝藻,种类多,生长快,活力强,在营养化的水体中容易爆发,又称“水华”,给生产带来严重危害。
  通过资料查询们得知,水华的治理分为蓝藻消除和毒素清理,其大体分为三类:物理打捞法、化学反应法、生物清理法。物理方法中,打捞、微滤、气浮在“水华”期可以在一定程度上降低蓝藻生存,但是效率低下,大规模使用不现实;化学控藻方便、有效,可以在初期及时杀死蓝藻,抑制水华产生,但蓝藻死亡时释放大量藻毒素,不易清理,反而造成水体长时间毒素污染;生物法操作简单,除藻效果也比较好,但见效周期长,鱼的排泄物再次返回水中,并没有从本质上清除蓝藻。因此,笔者试着寻求一种更加简便高效的蓝藻治理方法。
  2 研究的可行性
  碳化稻壳(活性炭)能清除水中的氨氮,并且活性炭清除氨氮过程中,清除量随时间总是先增大后减少,并且在第5天效果最佳。絮凝法除藻是一种只需投加少量絮凝剂,便能够对藻类进行高效去除的方法,阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)是具有澄清、絮凝等多种功能的絮凝剂。并且CPAM的稳定性比铝和铁稳定,可以持续一到两天时间,可以将CPAM分散到整个污染水域,有很强实际操作可行性。
  但是,被阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)粘附后的藻类残渣难以处理,成為它治理大面积水域存在局限性。基于此,如若能让产生的絮状蓝藻磁化,利用磁性来进行打捞,就能克服这一缺点。
  3 研究的创新性
  (1)以稻壳为材料制作磁性活性炭来进行吸附蓝藻降低活性炭成本。将稻壳通过氯化亚铁和氨水将亚铁离子固化到稻壳上,将稻壳炭化生成四氧化三铁和碳复合物,稻壳就有了磁性,不仅可以利用这个磁性活性炭进行吸附,并且磁性稻壳生产时的粉尘也便于收集,且生产稻壳过程中的氯化氨和残留废水,也便于处理和再次进行利用,降低了生产成本。
  (2)将阳离子聚丙烯酰胺与碳化磁性稻壳进行混合用于吸附蓝藻,产生的絮凝物利用电磁铁进行吸附打捞,改变以往蓝藻絮凝物不方便打捞的劣势。阳离子聚丙烯酰胺投入到蓝藻水中能吸附蓝藻,但其絮凝物将漂浮在水中,不便于打捞。如果将磁性稻壳与阳离子聚丙烯酰胺一起投入到水体后,絮凝物就会沉淀到底部,再利用电磁铁,将其吸附打捞,就能改变以往蓝藻絮凝物不方便打捞的劣势。
  (3)打捞后的蓝藻絮凝物混合少量生活污泥土(约5%比例)自然晾干作为城乡园林绿化土,将蓝藻富集的磷氮循环资源化形成一个完整的生态闭环。
  4 研究的技术路线
  文献查询—>思路拟定—>磁性碳化稻壳制作:浸泡-沉淀-压榨-碳化—>吸附剂制作—>蓝藻捕捉剂制作—>试验。
  研究的科学性
  4.1 磁性碳化稻壳的制备
  浸泡:将稻壳用FeCl2溶液(工业废料——钢铁洗水)充分浸泡1-2小时;
  沉淀:利用氨水进行碱化,将亚铁离子固化在稻壳上,形成Fe(OH)2;
  压榨:利用压榨机对沉淀后的稻壳进行压榨;
  碳化:对压榨后的稻壳放入马弗炉进行加热,根据Fe(OH)2的化学特点可知,Fe(OH)2在低温70℃左右会转化为Fe3O4,此时稻壳上固化有Fe3O4磁性材料。再通过Fe3O4的催化,促进稻壳纤维素的,持续加热到450摄氏度将稻壳全部碳化;
  性碳化稻壳进行过筛。
  利用强铷硼磁铁检验磁化:100g的稻壳来添加FeCl2和氨水(25%,约13.33mol/L):二者以5:1进行投放加入足够水浸泡,利用马弗炉进行磁化,利用强铷硼磁铁检验磁化效果。多次实验得出,100克稻壳加入20克的FeCl2,最为合适。
  4.2 吸附剂制作
  将阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)先用溶解水量的0.3%的助溶剂乙醇润湿一段时间后,再用水温为40℃的水进行溶解搅拌,搅拌速度约为200~300(r/min)。配置成浓度为5%的溶液备用。
  4.3 蓝藻捕捉剂制作
  在200mL蓝藻水中投放磁性碳化稻壳和阳离子聚丙烯酰胺(CPAM),配制完成蓝藻捕捉剂。
  4.4 蓝藻捕捉剂试验结果分析
  采用磁性碳化稻壳与阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)作为絮凝剂,研究其对铜绿微囊藻等蓝藻的去除效果。通过控制变量,研究水体的自身因素对最佳投入捕捉剂时的捕捉率的影响。
  (1)蓝藻捕捉剂添加量对去除率的影响实验。根据实验结果可以发现,絮凝效果先是随蓝藻捕捉剂的含量增加而增强,而后又成下降趋势。当水中蓝藻固体浓度为1.6g/L、水体pH=6,磁性碳化稻壳投量为1.8g/L,水体CPAM浓度0.2%的蓝藻捕捉剂的蓝藻去除率最高上升到96%。同时实验过程中发现CPAM浓度为0.3%以上时,虽然澄清液吸光度较低(去除率较高),但絮凝物体积较大,并且比较松散,效果并不好。综上,当稻壳投量为1.8g/L,酰胺浓度为0.2%的捕捉剂效果最好。
  (2)絮凝时间对去除率的影响实验。蓝藻水pH值为6时,取200mL藻液,滴入同量的磁性碳化稻壳为1.8g/L,CPAM为0.2%蓝藻捕捉剂,用搅拌仪搅拌1 min后,分别经过1、2、3、4、5 min时用胶头滴管抽取液面下2 cm处的水样检测吸光度,实验每个相同样品均重复 3次,取平均后得出去除率。   (3)藻液pH对去除率的影响实验。蓝藻水pH值为6时,取200mL藻液,利用1 mol/L盐酸和烧碱溶液,调节水体pH分别为6、7、8、9,滴入同量的磁性碳化稻壳为1.8g/L,CPAM为0.2%蓝藻捕捉剂,用搅拌仪搅拌1 min后,分别经过5min时用胶头滴管抽取液面下2 cm处的水样检测吸光度,实验每个相同样品均重复 3次,取平均后得出去除率。测定在不同pH下其对藻液的去除效果。
  (4)藻液盐度、硬度、可溶性物质化学需氧量、铵浓度、磷浓度、溶解氧、温度对去除率的影响实验。当藻液浓度为1.6g/L、藻液pH值7时,磁性碳化稻壳为1.8g/L,CPAM为0.2%的蓝藻捕捉剂的蓝藻去除率这个最佳去除率为背景,在藻液中,进行盐度、硬度、可溶性物质化学需氧量3个单一变量实验。实验结果表明,CPAM受到盐度影响,不适合在高盐度下处理污水。适当的硬度有助于CPAM的吸收,究其原因是藻类多糖容易与Ca、Mg的结合,Zeta电位下降而团聚成较大颗粒,因而更容易被活性炭捕捉。当可溶性物质化学需氧量(可溶性COD)提高时,会降低蓝藻去除率。原因是CPAM有部分消耗在对多糖的捕捉上。另外,CPAM不受铵浓度、磷浓度、溶解氧、温度因素影响。
  4.5 碳化磁性稻壳对污染水中蓝藻的打捞
  打捞电磁滤网孔径、打捞电磁功率、电镜设备、稻壳本身尺寸这些是常见的影响蓝藻打捞的因素。利用碳化稻壳制作的活性炭将蓝藻等团化,固化,起到净化水质作用。可以投入适量粘土,降低处理后水体中CPAM的浓度,减轻CPAM对水中微生物的影响。磁化稻壳可以利用磁性材料方便打捞收集后,把打捞物用金属离子浸泡,利用吸水性树脂将蓝藻进行碳化。利用发酵(45%固含量,55%水含量发酵效果最好)转化为盆栽土。
  5 研究结论
  当藻液浓度为1.6g/L、藻液pH值7时,磁性碳化稻壳为18g/L,CPAM為0.2%的蓝藻捕捉剂的蓝藻去除率这个最佳去除率,同时这种捕捉基本上不受到水体的其他条件(除硬度以及盐度外)影响。同样,天然水体中,不同区域的元素很难完全相同。项目与福建智睿环保科技发展有限公司(地址:源和堂1916创意产业园11号楼)合作,来处理在西北洋滞洪区排洪渠C段黑臭水体生物治理工程中运用了这个技术,排洪渠C段是泉州市中央环保督查的重点标段。处理效果显著,有效的对污水中蓝藻进行捕捉和打捞,进一步改善水质,深受西北洋滞洪排涝工程管理处的好评。
  参考文献:
  [1]金相灿,李兆春,郑朔方,等.铜绿微囊藻生长特性研究[J].环境科学研究,2004,17(z1):52-54.
  [2]郭文锦,白俊波.碳化稻壳对氨氮的净化效果分析[J].科学与财富,2016(8).
  [3]水利部水资源管理司、中国水利学会.地表水标准规范与法律法规汇编.
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