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改性层状硅酸盐矿物/微生物复合新型絮凝材料研究

作　者: 晏全香
导　师: 袁继祖；张一敏
学　校: 武汉理工大学
专　业: 矿物加工工程
关键词: 层状硅酸盐矿物 复合新型絮凝材料 铜绿微囊藻 富营养水体
分类号: X524
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


我国湖泊和水库的富营养化程度已经相当严重,蓝藻水华暴发的面积、频度和强度及藻毒素的产生都呈现迅猛的增加趋势。铜绿微囊藻是我国富营养化水体中的主要水华蓝藻藻种,在富营养化水体中容易导致水华的暴发。絮凝去除藻类和富营养物质是处理水华的有效方法,但目前常用的传统絮凝剂聚合三氯化铝（PAC）和聚丙烯酰胺（PAM）等在水处理中均易产生二次污染,PAC水解后产生的铝离子通过饮用水进入人体会导致贫血、脱发和大脑痴呆等多种疾病,PAM水解后产生的丙烯酸和有机胺等有机污染物同样危害人体健康。因此,如何研制一种二次污染小、絮凝效果好的新型环保型水处理絮凝剂是当前水处理领域急待解决的重要课题。本文以资源丰富的层状硅酸盐粘土矿物及各种改性剂为主要原料,制备改性粘土絮凝材料,研究改性粘土对水华优势藻种铜绿微囊藻及富营养水体污染物质的絮凝去除效果,并进行了改性层状硅酸盐矿物/微生物复合新型絮凝材料试验,以及水环境中藻类及富营养物质的吸附絮凝行为与机理研究。本试验取得了较传统絮凝剂更加环保、价廉、高效的应用效果,主要研究内容和成果包括:1、采用新的制备工艺,将天然粘土制备成改性粘土絮凝材料,进行铜绿微囊藻絮凝效果对比试验。各种改性粘土投加量为50mg/L时,对于吸光度A68nm=0.100的藻悬液,絮凝沉降4h后铜绿微囊藻的去除率比较:经过各种改性后,除藻能力提高,基本都可以除藻80%以上。改性剂聚硅酸铁改性粘土絮凝铜绿微囊藻效果优于聚硅酸铝、壳聚糖和聚丙烯酰胺改性粘土,其混凝能力强、絮体紧密、颗粒沉降速度快,除藻率都达90%以上,其中改性粘土矿物中累托石、海泡石、凹凸棒石除藻能力较强。因聚硅酸铁改性累托石絮体沉降体积较小,沉降时间短,沉降速度快。实验选择改性粘土累托石,改性材料聚硅酸铁,改性剂与粘土用量配比1:10,聚硅酸铁改性累托石投加量为50 mg/L左右,240min后,藻去除率达到95%以上,浊度由55.0NTU降到3.1 NTU,去除率达94.4%,絮凝效果显著。2、通过研究制备改性粘土的影响因素:矿浆浓度、改性剂与粘土配比、酸化pH值、聚硅酸熟化时间、Si/Fe摩尔比、老化时间、投药量等对铜绿微囊藻絮凝效果的影响,本试验确定试验条件为累托石矿浆浓度10%,pH为2,改性剂与累托石质量配比为1:10,聚硅酸熟化45min,硅铁摩尔比约为Si/Fe≈0.4,反应老化90min。充分反应后离心脱水形成改性泥备用,投加量在10mg/L左右,即可达到除藻率89.0%,浊度去除率90.4%。3、微生物制剂除藻试验,分别从除藻时间、微生物用量及对藻毒素的去除上进行研究,对比改性粘土,微生物处理所需时间较长、沉降效果较差,投加量5mg/L以上,10天后除藻率可达90%。微生物处理几乎不产生底泥,可分解藻类,将其与改性累托石复配使用,可减少底泥,去除水华危害。复合絮凝材料投加,先加微生物活化液,再添加改性粘土,即方案2效果较好,除藻率89.3%,除浊率90.8%。改性粘土和枯草芽孢杆菌活化液都对微囊藻毒素MC—LR有明显的去除作用。4、改性粘土复合微生物在富营养水体中应用研究,随着各种絮凝剂投加量的增加,处理汉江水、南湖水、生活污水的COD、TN、TP的去除率都随之增加,微生物与改性累托石复合絮凝剂效果明显较好,改性累托石处理汉江水效果也较传统絮凝剂PAC要好。处理后水体达到水质标准要求。经三种絮凝剂处理后,改性累托石和复合絮凝材料对自来水中铁离子有一定去除作用,PAC对于水样中的铁含量基本没有去除作用。投加量20mg/L时,改性累托石处理残余铁效果较好;投加量35mg/L时复合絮凝剂处理效果较好;投加量继续增加后,铁含量变化不大。由此可以看出,聚硅酸铁改性累托石及其复合材料在水溶液中溶出铁离子现象不明显,并且有一定继续吸附铁离子的能力,不会造成水体二次污染。5、重复利用研究中,煅烧除去吸附的挥发有机质后,二次使用改性累托石材料,除藻率、除浊率有所下降,投加量在50mg/L时,仍有除藻率89.2%、除浊率74.2%。三次使用改性累托石材料,除藻率80.1%、除浊率65.1%。因此,微生物降解后,改性累托石材料对水华优势藻种铜绿微囊藻,还是具有较好的去除效果,可以进行重复使用。处理效果相同的情况下,改性累托石复合微生物絮凝材料,处理水样单位成本较低,具有明显优势。6、复合絮凝材料处理水华主要是两个方面作用协同的效果,改性粘土迅速絮凝沉降水华藻类及其它悬浮物,微生物去除富营养物质和藻毒素。改性粘土絮凝剂在絮凝过程中主要是通过双电层压缩、吸附电中和、吸附架桥和沉淀物网捕等四种絮凝机理来对水中微粒或胶粒进行凝聚、聚沉;枯草芽孢杆菌主要通过微生物营养竞争、反硝化作用和聚磷作用进行脱氮降磷,快速分解水体中的有机质,分泌生物酶,降解藻毒素。因此,改性粘土矿物与微生物协同作用,粘土吸附架桥作用、聚硅铁电中和作用,聚合大分子与粘土共同网捕作用,最终脱稳沉降,不仅可使藻细胞和其它悬浮颗粒发生聚团絮凝沉降,另外微生物去除水体中富营养物质N、P、COD、以及藻毒素Microcystin等,较好的解决水体富营养问题。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第1章 绪论  13-42
  1.1 絮凝材料概述  13-20
    1.1.1 絮凝剂及种类  13-14
    1.1.2 无机絮凝剂  14-16
    1.1.3 有机高分子絮凝剂  16-17
    1.1.4 微生物絮凝剂  17-19
    1.1.5 复合絮凝剂  19-20
  1.2 层状硅酸盐矿物  20-29
    1.2.1 蒙脱石  21-23
    1.2.2 高岭石  23-24
    1.2.3 累托石  24-25
    1.2.4 凹凸棒石  25-26
    1.2.5 海泡石  26-27
    1.2.6 云母  27-28
    1.2.7 滑石  28-29
  1.3 水华治理研究概述  29-38
    1.3.1 富营养化及水华的产生  29-31
    1.3.2 蓝藻水华的危害  31-33
    1.3.3 蓝藻水华的控制对策  33-38
  1.4 目前絮凝剂研究方向及其主要问题  38-39
  1.5 本课题研究的目的意义及主要内容  39-42
第2章 层状硅酸盐粘土矿物及提纯制备  42-48
  2.1 试样  42
  2.2 试验主要试剂及仪器  42-43
    2.2.1 试验药剂  42
    2.2.2 试验仪器  42-43
  2.3 试验工艺流程  43-44
  2.4 试验结果与讨论  44-47
    2.4.1 蒙脱石  44
    2.4.2 高岭土  44-45
    2.4.3 累托石  45
    2.4.4 凹凸棒石  45-46
    2.4.5 海泡石  46
    2.4.6 云母  46-47
    2.4.7 滑石  47
  2.5 本章小结  47-48
第3章 改性层状硅酸盐矿物制备及其絮凝研究  48-60
  3.1 试验材料  48-50
    3.1.1 粘土  48
    3.1.2 试验药剂  48-49
    3.1.3 试验藻种  49
    3.1.4 试验仪器设备  49-50
  3.2 试验方法研究  50-52
    3.2.1 改性粘土矿物材料制备  50
    3.2.2 絮凝试验测定方法  50-52
  3.3 试验结果与讨论  52-59
    3.3.1 不同粘土改性后藻絮凝去除性能  52-55
    3.3.2 聚硅酸铁和壳聚糖复合改性粘土  55-56
    3.3.3 絮凝时间对除藻率和浊度影响  56-57
    3.3.4 投加量对除藻率和浊度影响  57-59
  3.4 本章小结  59-60
第4章 改性累托石复合微生物除藻研究  60-74
  4.1 试验材料  60-61
    4.1.1 累托石  60
    4.1.2 试验药剂  60
    4.1.3 试验藻种  60
    4.1.4 微生物制剂  60-61
    4.1.5 试验仪器设备  61
  4.2 试验方法研究  61-63
    4.2.1 聚硅酸铁改性累托石制备工艺试验  61-62
    4.2.2 微生物制剂试验  62
    4.2.3 藻毒素测定  62-63
  4.3 试验结果与讨论  63-73
    4.3.1 聚硅酸铁改性粘土制备影响因素  63-69
    4.3.2 微生物除藻试验效果  69-73
  4.4 本章小结  73-74
第5章 复合絮凝材料处理富营化应用研究  74-97
  5.1 试验材料  74-75
    5.1.1 絮凝材料  74-75
    5.1.2 试验药剂  75
    5.1.3 处理水样  75
  5.2 试验方法与测试  75-82
    5.2.1 絮凝试验  76
    5.2.2 分析测试方法  76-82
  5.3 复合絮凝材料对不同废水的处理效果  82-90
    5.3.1 汉江水  82-84
    5.3.2 南湖水  84-86
    5.3.3 生活污水  86-88
    5.3.4 自来水  88-90
  5.4 复合絮凝剂处理水华蓝藻应用试验  90-94
  5.5 新型复合絮凝材料回收利用及经济预算  94-96
    5.5.1 新型复合絮凝材料回收利用  94-95
    5.5.2 主要经济预算  95-96
  5.6 本章小结  96-97
第6章 新型复合絮凝剂絮凝机理探讨  97-128
  6.1 絮凝基本理论  97-103
    6.1.1 絮凝的四种机理  97-99
    6.1.2 絮凝效果的主要影响因素  99-103
  6.2 改性粘土矿物絮凝机理研究  103-119
    6.2.1 层状硅酸盐矿物  103-108
    6.2.2 改性粘土矿物  108-111
    6.2.3 改性粘土絮凝剂结构表征  111-117
    6.2.4 不同粘土投加方式的絮凝作用  117-119
  6.3 微生物絮凝机理研究  119-125
    6.3.1 微生物竞争  119-121
    6.3.2 微生物脱氮除磷作用  121-123
    6.3.3 生物酶降解  123-125
  6.4 新型复合絮凝材料的絮凝机理  125-126
  6.5 本章小节  126-128
第7章 结论与展望  128-130
  7.1 结论  128-129
  7.2 展望  129-130
参考文献  130-136
致谢  136-137
附录  137

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 环境污染及其防治 > 水体污染及其防治 > 湖泊、水库
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