IOCAS-IR  > 海洋生态与环境科学重点实验室
改性粘土絮凝藻华生物过程的关键影响因子研究
姜文彬
Subtype博士
Thesis Advisor俞志明 研究员
2021-11-25
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral中国科学院海洋研究所
Degree Name工学博士
Keyword改性粘土 自絮凝过程 有机质影响 絮凝效率 微微型藻华生物
Abstract

近年来,有害藻华在全球沿海国家频繁发生,不但威胁沿海国家的近海生态环境安全,而且影响沿海地区工业、水产养殖业和旅游业的发展,是一种全球性的海洋生态灾害。 改性粘土治理有害藻华技术在我国近海应用已有十多年的历史,是目前我国近海应用最为广泛的藻华治理方法。但是,随着人类活动和气候变化双重压力的加重,有害藻华的原因生物种在增加、影响水域环境在蔓延扩展,而且人们对治理技术的生态安全性与效率要求在不断提升,从而对改性粘土治理有害藻华技术的不断发展提出了新要求。其中,新的藻华原因种和水域环境中较高含量的有机质直接影响改性粘土的絮凝效率和沉降速率,为了确保改性粘土治理技术的有效性,需要探明不同因素对改性粘土絮凝过程的影响及其机制。为此,本研究针对改性粘土治理有害藻华过程中的自絮凝、水域环境中高含量有机质以及高密度小型化藻华生物等问题,开展了相关研究,探讨了相关因素对改性粘土絮凝过程的影响,提出了降低这些影响,进而提高改性粘土絮凝效率的方法。本研究结果进一步丰富了改性粘土治理有害藻华的絮凝作用理论,为改性粘土技术应用提供了方法参考。主要结果如下:

1、不同因素对改性粘土自絮凝作用的影响。基于粒子图像测速技术,研究了pH、盐度、水体扰动、改性粘土浓度和改性剂用量等因素对改性粘土自絮凝效率的影响规律。研究发现,在高盐(S≥30)、碱性(pH=7-10)、低有机质含量(TOC<5 mg/L)和适宜的水动力强度(2000<雷诺数<4000)的环境中,改性粘土的自絮凝效率较高,导致絮体粒径较大、絮体强度和分形维数较高;一定范围内,提高改性剂的添加比例和改性粘土用量会增强改性粘土的自絮凝作用;探索了改性粘土自絮凝作用和除藻作用的关系,在综合考虑自絮凝和除藻双重作用的前提下,提出了改性粘土用量优化的参考方法。

2、溶解有机质对改性粘土沉降速率的影响及其应对方法。研究了有机质浓度对改性粘土絮凝效率的影响,并基于改性粘土絮凝除藻理论,提出了一种提高改性粘土絮凝藻华生物过程的关键影响因子研究 II 改性粘土在高有机质水体中沉降速率的方法。研究发现,有机质会吸附在改性粘土颗粒表面,降低其表面电位,增大颗粒间静电斥力,降低其碰撞效率,最终降低改性粘土的絮凝效率和沉降速率,在高有机质含量的溶液(TOC=20 mg/L)中,改性粘土电位降低10 mV左右,沉降速率可降低至正常水平的40%左右。基于“离子氛压缩”理论,提出了通过调节改性粘土储备液的离子强度改善其在高有机质介质中絮凝沉降效率的方法:采用提高改性粘土颗粒周围环境盐度的方法,达到压缩改性粘土颗粒离子氛、减小颗粒间静电斥力的目的,最终提高了改性粘土在高有机质水体中沉降速率,可将改性粘土沉降速率提升200%以上。

3、改性粘土对高密度微微藻(2-4 μm)的去除作用研究。以养殖水域常见的微绿球藻为微微藻模式生物,研究了无机改性、有机改性、复合改性和超声处理对改性粘土除藻效率的影响,筛选出了能高效去除微微型藻华生物的改性粘土配方,并根据除藻效率的变化规律,推导出了改性粘土除藻效率的经验公式。研究发现,发现复合改性和超声处理可以提高改性粘土对微微型藻华生物的去除效率,有机复合改性粘土和氧化复合改性粘土对微微型藻华生物的去除效果最好,0.05 g/L的用量下,二者对微微型藻华生物的去除效率可达70%以上,超声处理可将无机改性粘土的除藻效率由20%提升至50%;改性粘土浓度和藻细胞密度对改性粘土除藻效率存在规律性的影响,据此推导出了计算除藻效率经验公式,该公式模拟分析得到的除藻效率理论值与实测值间的差值可以控制在10%以内。

本研究在粘土表面改性理论和传统絮凝理论的基础上,研究了改性粘土自絮凝效率的关键影响因素,提出了提高改性粘土在高有机质水体中沉降速率的方法。并针对高密度的小型化藻华生物,研制了针对微微型藻华生物的改性粘土配方,初步探索了改性粘土除藻效率的计算方法,将颗粒碰撞模型应用到改性粘土絮凝机制研究中,进一步丰富了改性粘土絮凝除藻理论,为改性粘土技术的进一步推广应用提供了重要参考。 

MOST Discipline Catalogue工学::环境科学与工程(可授工学、理学、农学学位)
Funding ProjectMarine S&T Fund of Shandong Province for Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao)[2018SDKJ0504-2] ; Marine S&T Fund of Shandong Province for Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao)[2018SDKJ0504-2]
Language中文
Table of Contents

 

第一章 绪论.... 1

1.1有害藻华概述... 1

1.1.1有害藻华的成因... 1

1.1.2有害藻华的危害... 2

1.1.3 有害藻华的防治方法... 3

1.2 改性粘土治理藻华方法概述... 6

1.2.1改性粘土治理有害藻华理论模型... 6

1.2.2 影响改性粘土絮凝除藻效率的主要因素... 10

1.2.3改性粘土主要类型及其间接除藻作用... 14

1.3主要存在问题... 17

1.4研究目标及内容... 18

1.4.1 研究目标... 18

1.4.2 研究内容... 18

第二章 不同因素对改性粘土自絮凝作用的影响.... 21

2.1前言... 21

2.2实验材料和方法... 22

2.2.1 实验材料... 22

2.2.2实验方法... 22

2.3结果与讨论... 26

2.3.1 改性粘土浓度对改性粘土自絮凝过程的影响... 27

2.3.2 改性剂用量对改性粘土自絮凝过程的影响... 30

2.3.3 水体扰动对改性粘土自絮凝过程的影响... 33

2.3.4 盐度对改性粘土自絮凝过程的影响... 36

2.3.5 pH对改性粘土自絮凝过程的影响... 39

2.3.6 有机质浓度对改性粘土自絮凝过程的影响... 42

2.3.7 改性粘土自絮凝作用与除藻絮凝作用的关系... 44

2.4小结... 50

第三章 溶解有机质对改性粘土沉降速率的影响及其应对方法. 51

3.1 前言... 51

3.2 实验材料与方法... 52

3.2.1 实验材料... 52

3.2.2 实验方法... 52

3.3 结果与讨论... 54

3.3.1溶解有机质对改性粘土沉降速率的影响... 54

3.3.2提高改性粘土在高有机质水体中沉降速率的方法... 63

3.4 小结... 72

第四章 改性粘土对微微藻的去除作用研究.... 75

4.1 前言... 75

4.2 实验材料和方法... 75

4.2.1 实验材料... 75

4.2.2实验方法... 77

4.3结果与讨论... 78

4.3.1 不同改性粘土对微微藻的去除效率... 78

4.3.2除藻效率与改性粘土用量间的关系研究... 89

4.4 小结... 104

第五章 结论与展望.... 105

5.1结论... 105

5.2创新点... 106

5.3 不足与展望... 106

参考文献.... 109

附录.... 123

致谢.... 127

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果.... 129

作者简历... 129

已发表的学术论文... 129

申请或已获得的专利... 130

参加的研究项目... 130

Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.qdio.ac.cn/handle/337002/177037
Collection海洋生态与环境科学重点实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
姜文彬. 改性粘土絮凝藻华生物过程的关键影响因子研究[D]. 中国科学院海洋研究所. 中国科学院大学,2021.
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