殼聚糖改性黏土作用下湖泛致黑懸浮物的沉降特性研究

徐　磊,逄　勇,2,黃亞文,張　鵬

(1.河海大學環境學院,江蘇 南京　210098;2.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室,江蘇 南京　210098)

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殼聚糖改性黏土作用下湖泛致黑懸浮物的沉降特性研究

徐磊1,逄勇1,2,黃亞文1,張鵬1

(1.河海大學環境學院,江蘇 南京210098;2.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室,江蘇 南京210098)

為了探討湖泛致黑物質在殼聚糖改性黏土作用下的絮凝沉降以及再懸浮的規律,利用柱狀水槽再懸浮發生模擬裝置,選取殼聚糖改性黏土(1 g/L硅藻土+0.2 g/L殼聚糖)作為絮凝劑,進行了風浪擾動作用下太湖湖泛的絮凝及再懸浮過程的室內模擬試驗。結果表明:當模擬流速產生的切應力超過0.042 N/m2時,低濁度組中的黏土絮體產生了明顯的再懸浮現象;當流速產生的切應力超過0.109 N/m2時,高濁度組發生再懸浮。對比太湖不同風速所產生的切應力,發現4 m/s以下的太湖風情產生的湖流切應力不會使黏土絮體發生再懸浮。研究旨在為太湖湖泛的應急處置提供參考。關鍵詞：太湖湖泛;殼聚糖改性黏土;模擬流速實驗;絮凝沉降;再懸浮;風浪擾動

2007年由太湖藍藻大規模暴發所引起的湖泛現象直接影響了無錫市百萬居民的飲水安全,引起了國內外的廣泛關注。陸桂華等[1]將湖泛(亦稱黑水團或污水團)定義為湖泊富營養化水體在藻類大量暴發、積聚和死亡后,在適宜的氣象、水文條件下,與底泥中的有機物在缺氧條件下產生厭氧生化反應,釋放硫化物、甲烷和二甲基三硫等硫醚類物質,形成褐黑色伴有惡臭的黑水團,從而導致水體水質迅速惡化、生態系統受到嚴重破壞的現象。太湖湖體污染負荷加重、水體藻類含量增高為湖泛形成提供了物質基礎,受污染的流泥是湖泛形成的重要因子,湖泛發生的物質基礎是湖區表層底泥營養鹽累積。在溫度較高時,由于風浪的攪動作用,底泥易于懸浮。頻繁的動力擾動會使得太湖沉積物表層的數厘米或數十厘米的底泥發生懸浮,并在微生物、營養鹽和合適的環境共同作用下形成湖泛。湖泛發生的氣象條件是一定的光照條件、氣溫(一般大于20℃)和風速(3～5 m/s)等。

目前國內外對于湖泛的研究中,黏土絮凝除藻技術因其“高效率、低投入”的特點被認為是最有前景的一種湖泛治理方法[2]。在過去的十幾年中,包括美國、日本、中國、韓國在內的多個國家,利用黏土絮凝技術對湖泛去除進行了一系列的研究。在早期的研究過程中,這項技術存在兩個主要問題,一是黏土用量大,二是離子濃度降低導致絮凝效果急劇下降。經過幾年的研究,潘綱等[3-5]利用了殼聚糖的“架橋網捕”能力,解決了以上難題,大大提升了黏土絮凝除藻的效率,而且成功地將改性當地土壤絮凝技術應用到太湖藍藻的應急治理中,收到了較好的成效。

在湖泛產生過程中,引起湖泛水體在視覺上發黑的主要物質并非再懸浮的沉積物,而是主要成分為FeS及SiO2的懸浮顆粒物質[6],因此,利用黏土絮凝技術針對湖泛懸浮顆粒物質去除的應急治理是可行的。目前國內針對湖泛水體致黑顆粒物的絮凝實驗,大部分為燒杯試驗,燒杯試驗能夠較為便捷地框定黏土投加量范圍,但也存在一些缺點,如尺度過小無法反應自然條件下的水流狀況,以及絮凝過程中的快速攪拌和慢速攪拌與野外實際狀況不符。在某些黏土絮凝除藻的試驗過程中發現,水流對于絮體的粒徑、沉降速度以及去除效率有很大的影響[7]。Hill[8]的試驗也證明,過高的切應力會影響絮體粒徑的增大和絮體的沉降速率。然而,作為一種受氣象條件影響很大的突發性事件,湖泛發生的偶然性又給實地試驗帶來了很大的困難。因此,針對以上幾個方面問題,本文利用能夠模擬野外實際流速、尺度更大的柱狀水槽,進行湖泛致黑物質的絮凝沉降及再懸浮的室內試驗。

1　試驗材料與方法

1.1采樣地點與湖泛的模擬

試驗所用的藍藻、水體及底泥采自于梅梁灣西岸(31°25′45.33″N,120°7′44.90″E)。采集底泥所用工具為實驗室自行設計的軟布封底式淺水域原狀表層沉積物采樣器,該采樣器由采樣套筒、采樣機構和采樣內膽組成,具有采樣成功率高、采樣面積大和不破壞表層高沉積物結構等優點。

采集兩種不同濁度的水樣及藻體24 h內運回實驗室,先將底泥不破壞層序地放置進100 L大桶中,接著把取回的原水緩慢加入桶中,藍藻用離心設備去除多余水分之后,迅速轉移至100 L大桶中,藍藻投加量為5 kg/m2,控制室溫在(29±1)℃左右,遮光靜止連續培養14 d。

1.2絮凝劑改性黏土的配置

目前市面上主要使用的凈水材料為聚合氯化鋁(PAC)。PAC是一種無機高分子混凝劑,有著吸附能力強、處理成本低的優點,但PAC投加量大,且生成的絮體易碎,處理后的水中仍含有較高濃度的金屬離子。相比無機絮凝劑,天然有機高分子絮凝劑原料來源豐富,價格低廉,選擇性大,投藥量小,安全無毒,無二次污染,具有生態安全、易生物降解的特性,對湖泊底泥無有害影響。以蝦、蟹殼為原料制備的殼聚糖作為一種有機高分子絮凝劑,因其天然無毒,且對水中的濁度、有機物和重金屬離子均有較好的去除作用的特性,在水處理中有很大的潛力和應用前景[9]。室內研究結果表明,殼聚糖改性土壤對湖泛水體黑物質的絮凝去除效果比PAC更佳[5],因此選取殼聚糖作為本次試驗的絮凝劑。

殼聚糖購自青島海維康生物科技有限公司,黏土選用嵊州市華力硅藻土制品有限公司的硅藻土。選取不同分量殼聚糖加入1%醋酸溶液攪拌至殼聚糖完全溶解,加水定容至1 L,配制成質量濃度分別為50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L、200 mg/L和250 mg/L的殼聚糖溶液,取配置成的殼聚糖溶液100 mL溶液置于5個相同的燒杯中,分別加入0.1 g硅藻土,開啟攪拌器,在120 r/min轉速下攪拌30 min,使黏土充分改性。攪拌結束后加入蒸餾水配置成用于試驗的改性黏土溶液。

取配置成的殼聚糖溶液對同樣濁度的湖泛水進行絮凝試驗,水體濁度隨時間變化情況見表1。由表1可知,200 mg/L的殼聚糖溶液在短時間內極大地降低了水體濁度,且3 h后水體濁度不發生反彈現象,因此選取200 mg/L作為殼聚糖的投加量。

表1　不同質量濃度殼聚糖溶液的絮凝效果對比

1.3絮凝沉降試驗擾動條件的確定

太湖藻源性湖泛是一種突發性事件,盡管湖泛的發生與發展需要一定的時間,但只有在黑臭水團聚集時才能被準確發現,也只有這個階段才有機會采用改性黏土進行應急治理。在這個階段下,要想利用改性黏土對湖泛黑物質進行有效控制,就必須了解該風速情況下的水動力擾動情況。根據相關文獻[10],黑臭水團大范圍聚集時的風速為2.07～2.39 m/s,而在這個范圍的風速下湖底流速所提供的切應力占主導地位,所以湖流大小就成為絮凝過程至關重要的控制條件。2013年7月7—8日,10月13—15日,利用ADV流速儀對湖泛易發區(圖1)沉積物界面以上2 cm的區域進行湖流的連續監測,同時對監測過程中的風速風向進行記錄。根據監測的結果,該區域風速與湖流的關系[11]可以用quadratic formula(R2=0.969)表示:

(1)

注：Ⅰ—梅梁灣；Ⅱ—蘭山灣；Ⅲ—貢湖灣；Ⅳ—西部沿岸區；Ⅴ—南部沿岸區；Ⅵ—太湖東湖區；Ⅶ—湖心區；r—入湖河流圖1　采樣點位示意圖

通過計算,此時湖底2 cm以上的流速為1.9 ～2.3 cm/s。

圖2　柱狀水槽模擬裝置示意圖(單位：mm)

因為湖泛的發生具有偶然性,無法隨時進行原位試驗,為了保證能夠在控制的流速條件下進行改性黏土的絮凝試驗,選擇本實驗室自行研制的柱狀水槽進行試驗。該水槽由水槽主體、水平流速模擬裝置、垂直流速模擬裝置及流速測量裝置組成(圖2),能夠在產生水平流速的同時,利用水泵模擬垂直流速。利用ADV流速儀測量柱狀水槽內水體的流速、流向與電機轉速的實際對應關系。

根據文獻[12],計算柱狀水槽的流速及底流切應力之間的關系,底流切應力的計算方法為

(2)

(3)

式中:k為卡曼常數(取為0.4);uz為模擬容器底部以上z高度(0.05 m)處的流速,m/s;Z0為湖底粗糙度,取0.2 mm。

根據式(2)和式(3),可以計算出柱狀水槽電機轉速與流速、底流切應力之間的關系,如圖3所示。

圖3　電機轉速與底流切應力的關系

根據2013年對太湖湖泛易發區的實際監測結果:湖底2 cm以上的流速為1.9～2.3 cm/s,通過式(1)和式(2),計算出此流速下黑臭水團大范圍聚集時底流的切應力為0.002 7～0.004 0 N/m2。此時對應柱狀水槽的電機轉速的范圍在100～120 r/min,為了便于調節,選擇電機轉速為100 r/min,作為改性黏土絮凝試驗的流速控制條件。

1.4不同濁度湖泛水的絮凝沉降與再懸浮試驗

用HACH2100Q濁度儀測量取回的兩種水樣,其初始濁度分別為299 NTU與660 NTU。將采集的20 cm底泥裝入模擬柱狀水槽的底部,然后緩慢注入低濁度湖泛水體50 L,開動電機,將轉速控制在100 r/min左右,然后用泵以1 L/min流量將配置好的5 L改性黏土溶液噴灑在模擬柱狀水槽中,噴灑結束后,保持流速不變,進行水樣采集,采樣的高度為距離底部沉積物45 cm,每10 min進行1次采樣,連續采樣70 min,水樣采集體積為20 mL,利用HACH2100Q濁度儀進行水樣濁度測量,采樣高度分別為距離底部沉積物5 cm,10 cm,25 cm,45 cm,70 cm。

絮凝沉降試驗結束后,調整電動機轉速范圍(100～900 r/min),每增加50 r/min保持10 min,在調整至下一轉速前進行水樣采集,采樣的高度、體積與模擬沉降試驗相同,采集的樣品利用濁度儀進行濁度測量。

取高濁度湖泛水50 L,試驗步驟如上文所述,進行絮凝沉降試驗與再懸浮試驗。

2　結果與討論

2.1不同濁度湖泛水模擬流速絮凝試驗

圖4為低濁度湖泛水絮凝試驗結果。從水體濁度的剖面變化來看,在播撒絮凝劑后20 min便能達到50%的濁度去除率;當試驗進行超過50 min后,水體濁度趨于平衡。在試驗過程中,還發現整個沉降過程中均有濁度分層現象出現,尤其是絮凝開始的前40 min;隨著時間的推移,水體在40 min后濁度逐漸趨于穩定,濁度去除率為90%左右。

圖4　低濁度湖泛水絮凝試驗結果

高濁度湖泛水絮凝試驗中,在播撒殼聚糖改性黏土的10 min后,剖面從上到下基本能達到50%的濁度去除率,試驗進行到50 min后,水體濁度趨于平衡(圖5)。與低濁度湖泛水絮凝試驗相同,試驗階段的前40 min水體分層現象比較明顯,隨著時間的推移,70 min時低濁度湖泛水濁度去除率能達到95%以上,水體濁度基本維持在10 NTU,而高濁度湖泛水濁度去除率穩定在90%,水體濁度穩定在50 NTU左右。

圖5　高濁度湖泛水絮凝試驗結果

圖6　低濁度湖泛水再懸浮試驗結果

2.2不同濁度湖泛水的再懸浮試驗

在低濁度湖泛水的再懸浮試驗(圖6)中,隨著電機轉速的增加,裝置中模擬流速不斷增大,當電機轉速達到300r/min后,水體各層濁度開始逐漸升高。電機轉速達到400 r/min時,水體各層濁度發生突然的升高,表層水體濁度由6 NTU上升到11 NTU,底層水體濁度由10 NTU上升到30 NTU,說明此轉速下水體流速所提供的切應力為黏土絮體再懸浮的臨界切應力。通過計算,300 r/min與400 r/min時的底流切應力分別為0.022 N/m2和0.042 N/m2。

在高濁度湖泛水的再懸浮試驗(圖7)中,隨著電機轉速的增加,當電機轉速達到500 r/min之后,水體各層的濁度開始逐漸升高,當電機轉速超過700 r/min之后水體濁度突然發生躍遷,底層從50 NTU上升至275 NTU,表層從25 NTU上升至50 NTU,說明此轉速下的流速所提供的切應力是黏土絮體再懸浮的臨界切應力。通過計算,500 r/min與700 r/min時的底流切應力分別為0.065 N/m2和0.109 N/m2。

圖7　高濁度湖泛水再懸浮試驗結果

試驗過程中黏土絮體的沉降及再懸浮呈現如下過程:投加殼聚糖改性黏土后,在極短的時間內將懸浮的致黑顆粒絮凝在一起,與此同時殼聚糖利用網捕架橋作用使絮體與絮體之間連接緊密。增大的絮體沉降至底部后,由最初懸浮松散的絮體結構形成松散的較大面積的絮體結構,當流速增大時,切應力隨之增大,較小的絮體就從大絮體上不斷剝蝕下來,剝蝕出的絮體在水流的作用下,向上懸浮,隨著切應力增大,剝蝕程度增大,濁度分層現象越明顯,當到達臨界切應力時,整個松散的大絮體會完全破碎,從而導致了絮體的完全再懸浮。

2.3模擬流速下絮體的形成過程

在模擬野外湖底流速條件下,改性黏土的投加量要大大超過代立春等[5]試驗投加量(2 mg/L殼聚糖,1 g/L硅藻土),原因在于本試驗是在模擬實際流速狀況下進行試驗的,擾動狀態與燒杯試驗存在較大差異。試驗過程中,存在快速攪拌過程和慢速攪拌過程,在快速攪拌過程中,改性黏土與黑色懸浮物能夠進行充分接觸,進而通過殼聚糖的架橋網捕作用形成較大的絮體,而較大的絮體通過慢速攪拌過程形成更大的絮體進而發生沉降,而在模擬流速下不存在這兩種過程,改性黏土與黑色懸浮物間的碰撞與結合靠的是噴灑絮凝劑時的初動能,這種方式所產生的擾動不能使改性黏土與致黑懸浮物發生充分的接觸與碰撞,那么絮體形成的速度較燒杯試驗慢,絮體的粒徑也小于燒杯試驗[13]。由于模擬流速試驗在垂向尺度方面大大超過了燒杯試驗,因而出現了燒杯試驗所沒有的濁度分層現象。由于太湖是大型的淺水湖泊,常年處在風浪擾動的狀況下,水體很少出現完全靜止的狀態,即使湖體沒有風浪,也會由于氣溫和湖底地形的差異導致水流的產生[12]。由于水平和垂直方向存在流速,絮體就無法完全沉降,小部分絮體會散落分布在水體的某個高度內,而濁度分層的現象也會隨著流速的增大而越發明顯。

2.4太湖風浪與絮體再懸浮

科學家對于美國五大湖的研究表明,湖底的切應力大小對水土界面懸浮物的濃度有很大影響[14]。太湖作為大型淺水湖泊,由風所引起的切應力對湖底沉積物的再懸浮有著直接的作用[15]。黏土絮體進入湖底后會因為切應力的緣故會產生再懸浮,而在本次試驗過程中發現,兩種不同濁度的湖泛水在電機轉速為80～300 r/min范圍內,底部切應力為0.002～0.022 N/m2(圖3),水體各層濁度均無明顯變化;當電機轉速超過400 r/min,切應力超過0.042 N/m2后,低濁度試驗組發生了非常明顯的再懸浮現象;當電機轉速超過700 r/min,即切應力超過0.109 N/m2,高濁度試驗組發生了明顯的再懸浮現象。試驗中發現,高濁度試驗組中播撒絮凝劑后生成的絮體較低濁度試驗組體積更大,且結構更為緊密,電機轉速達到400 r/min,低濁度組的絮體便開始破碎,而高濁度組中的絮體僅發生些許瓦解,水體濁度略微上升,當電機轉速達到700 r/min時提供的切應力才使高濁度組中生成的絮體發生破碎。因為室內試驗是通過電機的均勻擾動來模擬野外湖流,而太湖作為大型湖泊,其水流遠比室內試驗復雜,野外絮凝試驗時發現生成的絮體并不會聚集成大塊緊密的結構,而是以低濁度試驗組生成的小體積且松散的絮體結構為主。

在湖泊研究中,切應力主要來自波流和湖流。秦伯強等[12]研究發現,當風速較大時,波浪作用占主導,導致沉積物懸浮所需的臨界切應力約為0.03～0.04 N/m2,相當于野外風速達4 m/s以上的情況。本次低濁度湖泛再懸浮試驗也證實了這一點。所以,當湖泛大規模暴發時(風速<2.5 m/s),此時播撒殼聚糖改性黏土,則發生絮體再懸浮的幾率較小;而當湖泛剛剛生成,厭氧產物剛剛泛起的時候(風速為3～5 m/s)[10],播撒殼聚糖改性黏土,絮體發生再懸浮的幾率較大。

3　結　論

本文通過模擬野外流速,利用殼聚糖改性黏土對湖泛水體中的致黑顆粒物質進行絮凝試驗,對試驗當中的絮凝、沉降、再懸浮過程進行了研究,得出如下結論:

a. 殼聚糖改性黏土對湖泛致黑物質有較強的絮凝作用,在不同濁度試驗中,均能夠高效且快速地去除水體當中的黑色懸浮物質,1 h內都能達到90%的濁度去除率。

b. 試驗中觀察發現,模擬流速條件下,黏土絮體無法完全沉降,在水槽下部有較為明顯的濁度分層現象;在后續的再懸浮試驗中,黑色絮體的再懸浮也呈現明顯的分層現象。

c. 通過實驗室的試驗與計算可以確定,在太湖風速小于4 m/s時播撒絮凝劑,產生的風浪作用使絮體發生再懸浮的幾率較小。

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Study on deposition of algal bloom-induced black suspended matter using chitosan-modified clay

XU Lei1,PANG Yong1,2,HUANG Yawen1,ZHANG Peng1

(1.CollegeofEnvironment,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.KeyLaboratoryofIntegratedRegulationandResourcesDevelopmentofShallowLakes,MinistryofEducation,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

In order to study the regularities of flocculation, settlement, and resuspension of algal bloom-induced black suspended matter in Taihu Lake when using chitosan-modified clay, an indoor experiment was conducted to simulate the flocculation and resuspension processes under the effects of wind and wave disturbances. A cylindrical tank was used in the experiment, and chitosan-modified clay with doses of 0.2 g/L of chitosan and 1 g/L of diatomite was selected as the flocculant. The experimental results show that, when shear stress exceeded 0.042 N/m2, resuspension occurred in the low-turbidity group; when shear stress exceeded 0.109 N/m2, resuspension occurred in the high-turbidity group. Comparison of shear stresses induced by different wind velocities shows that a wind speed of below 4 m/s would not cause floc resuspension. This study aims to provide

for disposal of algal blooms in emergencies in Taihu Lake.

algal bloom in Taihu Lake; chitosan-modified clay; simulation of flow velocity; flocculation and settlement; resuspension; wind and wave disturbances

10.3880/j.issn.1004-6933.2016.05.019

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07506-006,2012ZX07101-010)

徐磊(1992—),男,碩士研究生,研究方向為水體污染治理。E-mail:xuleihhu@163.com

逄勇,教授。E-mail:pangyonghhu@163.com

X524

A

1004-6933(2016)05-0097-06

2015-11-20編輯：彭桃英)