抑制藻類過度生長(zhǎng)固磷凈水劑的研究

研究目的

水資源短缺和水質(zhì)污染構(gòu)成人類生存和社會(huì)發(fā)展的瓶頸，提高水處理能力和效率成為解決水資源短缺、凈化水質(zhì)的重要途徑。水體富營(yíng)養(yǎng)化、藻類過度生長(zhǎng)的危害日益受到人們的關(guān)注。藻類普遍存在于天然水體中，是水體富營(yíng)養(yǎng)化及其危害的重要參與者，對(duì)水處理過程和水質(zhì)影響深遠(yuǎn)。

本項(xiàng)目研究以提高水體透明度、降低其中生物有效磷、控制底泥磷釋放為主要控制環(huán)節(jié)，并以混凝強(qiáng)化除磷、除藻、澄清工藝、底泥固磷等為主要內(nèi)容的控制富營(yíng)養(yǎng)化的方法。其要點(diǎn)在于：

本項(xiàng)目研究一種由礦渣廢料合成的凈水劑，在高效去除水中生物可利用磷（AAP）的同時(shí)，能有效降低水體濁度，提高水體透明度和光照利用率，改善水底光照環(huán)境。

該凈水劑同時(shí)能對(duì)形成絮體及底泥中磷的再釋放實(shí)現(xiàn)有效控制。

研究一種水體除磷、水底環(huán)境改善、底泥磷高效控制的凈水劑及其用于水質(zhì)富營(yíng)養(yǎng)化控制的方法。

本項(xiàng)目研究目的是，為了更好地控制富營(yíng)養(yǎng)化和藻類過度生長(zhǎng)帶來的危害，克服現(xiàn)有治理方法的不足，尋求一種通過除磷、除藻并改善水體底層環(huán)境控制水體富營(yíng)養(yǎng)化和藻類過度生長(zhǎng)的實(shí)用的新方法。

研究?jī)?nèi)容與方法

研究?jī)?nèi)容

研究?jī)?nèi)容包括：鐵礦渣、粉煤灰、煤矸石礦渣有效成分的檢測(cè)和分析，礦渣有效成分的提取，凈水劑的合成；凈水劑的合成，主要考慮鈣對(duì)磷的固定效果；凈水效果驗(yàn)證和調(diào)整，除磷效果、除濁效果、固磷效果等的驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)材料與方法

鐵礦渣來源于太原鋼鐵集團(tuán)公司煉鐵廢渣；煤矸石來自古交煤矸石發(fā)電廠；粉煤灰來自太鋼電廠。對(duì)鐵礦渣、粉煤灰、煤矸石等進(jìn)行成分分析，結(jié)果表明其中均含有一定量的鐵、鋁、鈣、鎂等成分。

礦渣中有效成分的測(cè)定方法為原子吸收分光光度法和分光光度法。

金屬離子測(cè)定委托太原市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心測(cè)試。

混凝實(shí)驗(yàn)方法：取1L實(shí)驗(yàn)用水，加入不同劑量的混凝劑，先以250r/min快速攪拌2min，再以60r/min慢速攪拌15min，靜置30min后測(cè)定上清液中總磷及溶解態(tài)磷濃度，上清液總磷減去溶解態(tài)磷即為顆粒態(tài)磷。并用虹吸管將上清液吸走，將剩余沉積物與水離心獲得沉積物，用H₂SO₄ HClO₄法測(cè)定沉積物中磷的含量。總磷和溶解態(tài)磷采用《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》中過硫酸鉀消解分光光度法；底泥生物可利用磷AAP主要采用0.1mol/L的NaOH提取后用磷鉬藍(lán)比色法測(cè)定（委托環(huán)境監(jiān)測(cè)中心測(cè)定）。

本實(shí)驗(yàn)采用過硫酸鉀氧化—鉬銻抗鉬藍(lán)光度法測(cè)定總磷。

顯色后的樣品溶液在分光光度計(jì)上進(jìn)行比色測(cè)定，讀取吸光度。同時(shí)做空白試驗(yàn)。從標(biāo)準(zhǔn)曲線上查得顯色液的含磷量。

COD的測(cè)定方法參照采用《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》。

研究過程

礦渣有效成分的提取

鐵礦渣中鐵、鋁、鈣、硅的含量較高，元素含量由高至低依次分別為鈣、硅、鋁、鎂、鐵；粉煤灰中元素含量由高至低依次分別為硅、鋁、鈣、鐵；煤矸石中元素含量由高至低依次分別為硅、鋁、鐵、鈣。分別取100g破碎（60～80目）后的礦渣，對(duì)鐵礦渣采用鹽酸（3M、400mL）加熱80V溶解提取，用硫酸（2M、400mL）對(duì)煤矸石燒渣、粉煤灰加熱煮沸溶解進(jìn)行提取。

凈水劑的合成

凈水劑的設(shè)計(jì)。研究指出：堿化度不同的混凝劑除磷效果呈現(xiàn)較大差異，堿化度越低除磷效果越好，主要與其混凝劑的形態(tài)分布有關(guān)。磷的混凝去除中最有效的成分是Ala，且去除溶解態(tài)磷以化學(xué)沉淀為主，應(yīng)該是依據(jù)下式進(jìn)行：Al³⁺+PO₄³→AlPO₄。

我們研究的凈水劑力圖在除磷方面有效控制溶解態(tài)生物可利用磷（AAP）；可以有效地形成對(duì)顆粒磷、溶解態(tài)磷的去除并且固定，減少底泥磷的釋放；同時(shí)有效降低水中的藻類，強(qiáng)化除磷、固磷效果。這樣凈水劑已不僅限于混凝劑的范疇，在發(fā)揮混凝作用的同時(shí)，兼具生態(tài)、化學(xué)固磷劑的作用。

凈水劑的合成。將上述提取液以適當(dāng)?shù)谋壤诩訜釛l件下混合，并緩慢滴加NaOH，形成堿化度為0.5～1.0的復(fù)合凈水劑。主要成分及性質(zhì)如下：

凈水效果驗(yàn)證

凈水劑凈化能力檢測(cè)主要檢測(cè)了市售PACl、AlCl₃、Fe₂（SO₄）₃、和本項(xiàng)目研制的凈水劑1與凈水劑2等對(duì)于處理同種水樣時(shí)的除濁效果、除藻效果和除磷效果。

采用某湖水作原水，水質(zhì)指標(biāo)為濁度6.79NTU、COD_cr69.4mg/L、藻類4.73×10⁴個(gè)/mL、pH6.93。混凝條件：250rpm（轉(zhuǎn)/分鐘，相當(dāng)于G值145/s）1min，40rpm（相當(dāng)于G值15/s）20min，靜置沉淀20min。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不同的凈水劑對(duì)水樣處理效果存在顯著差異。其中本項(xiàng)目合成的凈水劑對(duì)濁度、藻類和溶解性磷都有較好的處理效果。本項(xiàng)目合成的2種合成凈水劑除藻率達(dá)到90%時(shí)的最小投量?jī)H為3mg/L，明顯低于市售PACl和Fe₂（SO₄）₃。

上述研究表明，本項(xiàng)目合成的凈水劑對(duì)濁度、藻類和溶解性磷都有良好的控制效果。

利用商品PACl（堿化度60%）、Fe₂（SO₄）₃、凈水劑1、凈水劑2處理水樣后，測(cè)定水中總磷含量，對(duì)比各種凈水劑對(duì)總磷的控制效果。

各種凈水劑在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出不同的效果。僅對(duì)總磷的控制而言，處理效果強(qiáng)弱按照凈水劑1、凈水劑2、PACl和Fe₂（SO₄）₃的順序依次減弱。表明了本項(xiàng)目合成的凈水劑有較強(qiáng)對(duì)總磷的控制能力。

上述研究表明，無論對(duì)地表水還是含磷量不同的廢水，凈水劑1都體現(xiàn)出比較好的處理效果。在此基礎(chǔ)上，研究了凈水劑1對(duì)水中不同形態(tài)磷的處理效果。以某湖水作為實(shí)驗(yàn)原水，經(jīng)燒杯實(shí)驗(yàn)可以得出，當(dāng)各種凈水劑量為10mg/L時(shí)，水體濁度去除率最高，對(duì)各形態(tài)磷的去除效果也較好，因此凈水劑以10mg/L為最佳投量，研究不同凈水劑對(duì)水體磷形態(tài)分布的影響。結(jié)果顯示，凈水劑1對(duì)水中磷去除效果最好，總磷去除率達(dá)到81.2%，沉后水中溶解態(tài)磷和顆粒態(tài)磷分別降至11.83μ g/L和14.02μg/L；市售PACl去除效果最差，沉后水中仍然有較高濃度的溶解態(tài)磷及顆粒態(tài)磷，分別為20.33μg/L和35.31μg/L。

主要結(jié)論

本項(xiàng)目研究以提高透明度、降低生物有效磷、控制底泥磷釋放為主要控制環(huán)節(jié)，并以混凝強(qiáng)化除磷、除藻、底泥固磷、澄清工藝等為主要內(nèi)容的控制富營(yíng)養(yǎng)化的方法。

本項(xiàng)目由礦渣廢料合成了凈水劑1、凈水劑2，與市售PACl、Fe₂（SO₄）₃相比，在能夠高效去除水中生物可利用磷（AAP）的同時(shí)，能有效降低水體濁度，提高水體透明度和光照利用率，改善水底光照環(huán)境。

凈水劑1同時(shí)能對(duì)形成絮體及底泥中的磷的再釋放實(shí)現(xiàn)有效控制，控制效果和凈水劑的投量有關(guān)，當(dāng)投量大到10mg/L能抑制沉積物中磷的釋放，對(duì)長(zhǎng)效控磷有重要意義。

通過對(duì)提高透明度、除磷、固磷效果研究證實(shí)，項(xiàng)目研究的水體除磷、水底環(huán)境改善、底泥磷高效控制的凈水劑及控制方法對(duì)控制富營(yíng)養(yǎng)化和藻類過度生長(zhǎng)所造成的危害有一定的應(yīng)用價(jià)值。

該項(xiàng)目獲得第26屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競(jìng)賽項(xiàng)目中學(xué)組環(huán)境科學(xué)一等獎(jiǎng)。