流态载体处理含藻源水效能研究.docx

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流态载体处理含藻源水效能研究

分类号：

TU-99密级：

公开

档案号：

2014-12-02-085213-27-007学号：

1213022007

硕士学位论文

（全日制专业学位）

流态载体处理含藻源水效能研究

学生姓名：

蒋保建

指导教师姓名：

徐乐中/李大鹏

专业学位类别：

工程硕士

专业领域：

建筑与土木工程

研究方向：

市政工程

二〇一四年十二月

苏州科技学院硕士学位论文

（全日制专业学位）

流态载体处理含藻源水效能研究

学生姓名：

蒋保建

指导教师姓名：

徐乐中/李大鹏

专业领域：

建筑与土木工程

研究方向：

市政工程

苏州科技学院环境科学与工程学院

二○一四年十二月

MasterDissertationofSuzhouUniversityofScienceandTechnology

StudyofTheEfficacyonAlgaeRemovalUsingFluidizedCarriers

MasterCandidate:

JiangBaojian

Supervisor:

Prof.XuLezhong/LiDapeng

Major:

ArchitecturalandCivilEngineering

ResearchArea:

MunicipalEngineering

SuzhouUniversityofScienceandTechnology

SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering

December,2014

苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书

独创性声明

本人郑重声明：

所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本声明的法律结果由本人承担。

论文作者签名：

日期：

年月日

学位论文使用授权书

苏州科技学院、国家图书馆等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。

本人完全了解苏州科技学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：

按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文；同意学校用不同方式在不同媒体上公布论文的部分或全部内容。

（保密论文在解密后遵守此规定）

论文作者签名：

日期：

年月日

指导教师签名：

日期：

年月日

摘要

目前，各种除藻方法均存在一些不足之处，若单独使用，很难达到理想的除藻效果。

本研究拟采用流态载体搅拌预处理工艺去除太湖流域某河流水中的藻类。

研究内容主要包括：

（1）流态载体比选研究；

（2）实验参数的确定研究；（3）改性方法的比选研究；（4）高温改性钢渣颗粒除藻实验研究；（5）高温改性钢渣颗粒预处理与混凝工艺联用除藻实验研究。

机械搅拌作用下4种流态载体（滤沙、沸石、石灰石和钢渣颗粒）对水中的藻类均有一定的去除效果，其总体除藻效果，石灰石最佳，沸石和钢渣颗粒次之，滤沙最差。

钢渣颗粒由于质地坚硬，对水中的浊度影响不大，且除藻效果良好，经过一定预处理后可考虑应用于净水厂预处理除藻中。

改性钢渣颗粒除藻的影响因素由大到小依次是改性方法、钢渣颗粒粒径、搅拌时间和搅拌强度。

经高温活化改性后的钢渣颗粒除藻效果最佳，同时，叶绿素a的去除率随着钢渣颗粒粒径的增大而减小，搅拌强度和搅拌时间的增大而增大。

经过壳聚糖包覆改性和高温活化改性两种改性方法处理后的钢渣颗粒对水中藻细胞、蓝藻、绿藻和硅藻均有很好的去除效果，同时又能有效地降低藻的光合作用活性，从而抑制藻的生长。

低机械搅拌强度（100r/min）下，钢渣颗粒对水体中混合藻具有一定的去除效果，其作用机理主要以钢渣的吸附为主；高机械搅拌强度（400r/min）下，高温改性钢渣颗粒对水体中蓝藻、绿藻和硅藻均有很好的去除效果，对混合藻的去除率由28.00%提高到73.00%以上，其去除率的增加主要是由于搅拌过程钢渣颗粒对藻细胞的损伤致死引起的。

高温活化改性钢渣颗粒预处理与混凝工艺联用对混合藻有很好的去除效果，其叶绿素a的平均去除率高达91.40%，远高于单纯的高温活化改性钢渣颗粒预处理和混凝工艺。

高温改性钢渣颗粒预处理与混凝工艺对藻类的去除具有一定的协同作用。

关键词：

流态载体，钢渣颗粒，水源水，叶绿素a，光合作用活性

Abstract

Currently,variousalgaeremovalmethodshavesomeshortcomings,ifusedalone,itisdifficulttoachievethedesiredeffectofalgaeremoval.Inthisstudy,theprocessofstirringfluidizedcarrierspretreatmentwasusedtoremovealgaeinTaihuLakeBasinwaterinariver.Themaincontentsincluded:

（1）theselectionoffluidizedcarriers,

（2）determiningtheexperimentalparameters,（3）theselectionofmodifiedmethods,（4）theexperimentsofalgaeremovalusingpowderedmodifiedgranularsteelslag,（5）theexperimentsofhightemperaturemodificationsteelslagpretreatmentassociatedwithcoagulationprocessestoremovealgae.Fourkindsoffluidizedcarriers（filtersand,zeolite,limestoneandgranularsteelslag）undermechanicalstirringhaveaneffecttoremovealgaeinsourcewater.Limestonehasthebestoveralleffectofalgaeremoval,zeoliteandgranularsteelslagfollowedbyandfiltrationhastheworst.Granularsteelslagduetohard,littleeffectonwaterturbidityandgoodeffectofalgaeremoval,maybeconsideredtoapplytoremovealgaeinthewaterpurificationplantafterpretreatment.Thefactorsofalgaeremovalusingmodificationsteelslagindescendingorderwasmodifiedmethod,granularsteelslagsize,stirringtimeandstirringintensity.Granularsteelslagafterhightemperaturemodificationhadthebesteffectofalgaeremoval.Theremovalefficiencyofchlorophyllaincreasedwiththedecreasingofgranularsteelslagsizeandincreasedwiththeincreasingofstirringintensityandstirringtime.Granularsteelslagafteroneofthetwomodifiedmethodofhightemperaturemodificationandchitosan-coatedmodificationhadagoodeffectofremovingalgalcells,cyanobacteria,greenalgaeanddiatomsinwaterandcouldeffectivelyreducealgaephotosyntheticactivitytoinhibitthegrowthofalgae.Modifiedgranularsteelslagunderlowmechanicalstirringintensity（100r/min）hadaneffectontheremovalofmixedalgaeinwater,itsmechanismbasedmainlyadsorption.Hightemperaturemodificationofgranularsteelslagunderhighmechanicalstirringintensity（400r/min）hadagoodeffectontheremovalofcyanobacteria,greenalgaeanddiatomsinwater.Theremovalofmixedalgaeincreasedfrom28.00%tomorethan73.00%,theincreasewasmainlyduetothegranularsteelslagundermechanicalstirringdamagingthealgaecell.Thehightemperaturemodificationgranularsteelslagpretreatmentassociatedwithcoagulationprocesseshadagoodeffectonmixedalgaeremovalandtheaveragechlorophyllaremovalratewasover91.4%,muchhigherthanthatofthehightemperaturemodificationgranularsteelslagpretreatmentandcoagulationprocess.Thetwoprocesseshadsynergisticeffectonremovingalgae.

Keywords:

fluidizedcarriers,granularsteelslag,sourcewater,chlorophylla,photosyntheticactivity

目录

摘要1

AbstractII

第一章绪论1

1.1研究背景1

1.2藻类的监测技术2

1.2.1显微镜监测技术2

1.2.2荧光分析技术2

1.2.3藻类监测方法比较说明3

1.3藻类的去除技术3

1.3.1物理法3

1.3.2化学法5

1.3.3生物法8

1.4除藻技术比较及展望9

1.5课题研究的内容、目的和技术路线9

1.5.1实验目的9

1.5.2实验内容9

1.5.3技术路线11

第二章流态载体比选实验12

2.1实验材料与方法12

2.1.1实验材料12

2.1.2实验方法13

2.1.3分析方法13

2.2实验结果与讨论14

2.2.1未改性矿物的除藻效果14

2.2.2改性矿物的除藻效果15

2.2.3藻光合作用活性研究16

2.2.4改性矿物与混凝沉淀工艺联用对水质指标的变化情况17

2.3本章小结18

第三章钢渣颗粒除藻实验20

3.1最佳实验参数的确定及分析20

3.1.1实验材料20

3.1.2仪器设备20

3.1.3实验方法20

3.1.4结果讨论与分析21

3.2两种改性方法比选25

3.2.1仪器设备25

3.2.2实验方法25

3.2.3结果与讨论26

3.3高温改性钢渣颗粒除藻实验及除藻机理初探28

3.3.1实验材料28

3.3.2分析方法28

3.3.3实验方法29

3.3.4结果与讨论30

3.4钢渣颗粒预处理与混凝工艺联用除藻实验34

3.4.1实验方法34

3.4.2结果与讨论35

3.5本章小结36

第四章结论与展望38

4.1结论38

4.2展望39

参考文献40

致谢44

个人简历45

第一章绪论

1.1研究背景

近年来，由于人类经济活动日益加重，大量生活污水、农渔牧水和工业废水排入江河湖海，使水体因氮、磷等营养物质超标而变得富营养化，造成“水华”频繁发生。

据调查，我国四百多个城市中有90%以上的饮用水源受到不同程度污染，出现水体的富营养化，直接或间接造成经济损失高达三百多亿元。

进入90年代，全国淡水水体富营养状态日益严重[1]。

尤其2004年太湖蓝藻大规模爆发，水体出现异常腥臭，整个无锡市的供水受到严重影响，出现连续几天的断水情况，严重威胁了人们的正常生活，直接或间接造成的损失无可估计[2]。

当水体中的氮磷等营养物质含量超过一定浓度时，水体中的藻类等浮游生物的过度繁殖，富营养化发生，水源水遭受严重污染，给供水工程也带来很大影响，主要表现在：

（1）对水厂运行管理的不利影响。

藻类在其生长过程中常分泌有些有机物质如酸性多糖，其在藻细胞外形成有机胶质层，从而使藻细胞表面带电负[3,4]，这些藻细胞具有较强的稳定性，在水体中不易凝聚。

为了解决以上问题，实际过程中往往通过投加更多的混凝剂，以便达到好的混凝效果，这样所带来的问题是水厂用药成本有所增加；同时，藻细胞在滤床中大量生长，造成滤床堵塞，堵塞的滤床若需要正常运行，就需要经常反冲洗，且反冲时用水量也增大，实际用水产量就会降低[5]。

（2）对产水水质的不利影响。

部分死亡的藻类失去自由活动的能力且密度大于水，就会自然沉到水底，在缺氧或厌氧的条件下就会形成腐殖质，释放藻毒素，同时由于反应产生有色物质，增加水的色度。

另外，若采用氯等氧化消毒方式，藻类及其部分活动代谢产物作为其副产物的重要前体物，当水中藻类含量增加，消毒所用的消毒剂也增加，产生的消毒副产物量也相应增加[6]。

此外，藻类所分泌的嗅味物质导致饮用水出现令人厌恶的臭和味，水处理过程中氧化剂可能还会与这些嗅味物质发生一系列反应生成新的嗅味物质。

实际应用中应合理控制氧化剂投加量，若投加少量的氧化剂时，无法彻底消除嗅味的影响[5]；若投加量过多，又会增加处理成本。

（3）对管网的不利影响。

滤池能够拦截绝大多数藻细胞，而对于那些较小尺寸的藻细胞很难拦截，就会使其进入市政供水管网，那些进入管网的藻细胞分解产物可作为管网微生物生长、繁殖的基质，这些基质可作为管网里细菌的食料，促进其生长繁殖，细菌的大量存在必然引起管网水质的恶化，同时，由于细菌在管网表面生长，影响管网配水系统，从而缩短管网服务年限[2]。

以上所述种种不利影响必然引起人们的广泛关注，同时除藻难度也有所增强。

因此，研究开发经济可行的水源水除藻技术，成为一个热门课题。

1.2藻类的监测技术

目前，藻类的监测技术通常有显微镜监测技术和荧光分析技术两类方法[7]。

1.2.1显微镜监测技术

显微镜监测技术是取一定体积的含藻水样置于显微镜物境下，利用透镜对观测物体的放大成像原理进行观察，观察前对水样先进行固化，后观察计数换算[8]。

实验中常取一定体积的含藻水样置于浮游生物计数框中，然后借助显微镜直接进行定量观察。

传统的显微镜监测技术一方面可以粗略获取水样中藻类的数目多少，另一方面通过物种比对可以确定水体中藻类的种属组成。

但监测时物种的生命力强弱、体态的大小、形态特征等对分析结果均有很大的影响；另外监测过程中，很难保证取样中藻类数量等均匀，准确代表整体水样，因此加剧了常规分析结果的误差。

针对常规显微镜放大倍数的有限，难以观察微微藻，人们将目光转移到高倍扫描电子显微镜的使用上，但样品尤其是水样等非固态的样品预处理较复杂，预处理中所用的药品如锇酸等有剧毒且较昂贵，检测成本较高，单个样品检测时间长，且处理后的样品重现性远不如处理前的样品，此外，由于仪器等较昂贵，需要专业人员进行维护操作，以上因素限制了高倍扫描电子显微镜的使用，无法应用于大规模生态调查中。

尽管存在上述一些问题，目前人们仍将显微镜监测技术作为藻类观察最基本的方法，以它为参考，确定其他分析方法的准确性。

1.2.2荧光分析技术

植物体中均含有叶绿素，而叶绿素在一定条件下能产生荧光，基于此，人们发现并发展了荧光分析技术。

19世纪30年代初，外国学者发现叶绿素荧光诱导现象并进行了深入研究，研究过程中将其与植物光合作用联系起来，并对其理论进行了广泛而深入的研究，逐步形成了一套理论体系即光合作用的荧光诱导理论。

随着理论研究的日益完善，人们尝试并成功发明了一系列具有快速、高效灵敏等优点的脉冲振幅调制（Pulse-Amplitude-Modulation，PAM）叶绿素荧光仪，并将其广泛应用于植物生理学、生态学和环境科学等领域。

1.2.3藻类监测方法比较说明

上述显微镜监测技术和荧光分析技术两种监测方法各有利弊，各有各的适用条件，在藻类种类和数量测定过程中均有一定的意义。

显微镜观察计数法和叶绿素a荧光分析法都是较为常用的藻类监测方法，两种监测方法在藻类去除的结果表达上存在着一定差异。

在水源水除藻研究中，应针对不同处理工艺选用不同的监测方法。

若采用化学氧化剂除藻时，应优先使用叶绿素a荧光分析法；若采用生物法处理时，使用显微镜观察计数法更为合理；而藻类物化处理对两种监测方法的选用要求相对不严，可视情况而定[7]。

1.3藻类的去除技术

目前，常用的除藻方法有物理法除藻、化学法除藻和生物法除藻。

其中物理法和化学法是除藻技术最直接有效的手段，而生物法则是通过对藻类的生长环境等因素进行控制来达到除藻控藻的目的。

1.3.1物理法

目前，物理除藻法主要包括微滤机除藻、机械法除藻、过滤法除藻、气浮除藻、遮光技术法除藻、紫外光照射除藻、粘土除藻和超声波除藻法等方法。

物理除藻法去除水体中藻类的同时不会对水体造成二次污染，但是物理除藻运行费用昂贵，只能用于小规模水体领域。

（1）微滤机除藻。

微滤机除藻是较早用来除藻的一种机械方法，主要用于处理低浊度高浓度藻的水体。

微滤机除藻的原理是一种简单的过滤去除藻类的方法。

实验研究表明，微滤机滤网对藻类的去除率为50%～70%，同时，藻类的大小等因素对其藻类的去除效果影响也较大。

若水体中小尺寸的藻类含量较高，由于滤网尺寸大小的因素，越难去除比滤网小的藻类，此时藻类的去除率就会很低，去除这种藻类时所消耗的混凝剂量也很大[9]。

微滤机对藻类的去除率高于混凝沉淀工艺，但其对浊度、色度、高锰酸盐指数去除率较低[10]。

因此，微滤机除藻适用于低浊度、低色度、大尺寸藻类的水体。

（2）机械法除藻。

当蓝藻“水华”发生时，在水域的下风向设置固定或水上移动的带有橡胶或不透水尼龙制成的漂浮式围栏的机械设备，利用自然风力或其他方式使水体中的大部分藻类进入机械设备，从而对藻类进行富集，再用泵将富集的藻水抽起来集中处理[11]。

通过机械法除藻，对控制藻类污染起到严重作用，尤其若在水华暴发前期加大机械除藻工作量,则对控制后期水华暴发起到更明显的作用[12]。

（3）过滤法除藻。

过滤法除藻是利用滤池中滤料对水体中大的物质有截留的作用直接对水体中的藻类进行过滤去除。

在湖泊水浊度比较低、藻类及悬浮物含量较低时，可以用直接过滤法除藻。

实验表明，直接过滤对藻的去除率可从15%到75%不等。

但是过滤法对浊度的去除能力较低，因此过滤法适用于低浊度的含藻水[11]。

（4）气浮除藻。

气浮除藻的原理是通过一定的方法如向水体中曝气等在水中形成微小的气泡，利用气泡上升的浮力将水中的藻类带出水中，在利用机械设备对水面富集的藻类进行收集处理。

赵志伟等[13]气浮工艺强化除藻中试实验研究表明，当溶气回流比为10%时，藻类的去除率可以达到60%以上。

宫磊等[14]采用小型涡凹型气浮（CAF）设备处理滇池含藻水，对藻的去除取得了良好的效果。

气浮法除藻比较适于高色度、低浊度、低硬度，特别是高藻水的处理，但对于高浊度（≥100NTU）、高硬度的含藻水去除效果不佳[5]。

气浮法虽然对藻的去除率很高，但实际应用中存在藻渣难以处理、臭味重、操作环境差等缺点[15]。

（5）遮光技术法除藻。

主要是利用遮光板等遮光材料对湖面进行覆盖，减少藻类光合作用，改变藻细胞生长的光环境因子，从而抑制藻类的生长繁殖[12]。

但此方法持续时间长，见效慢。

（6）紫外光照射除藻。

利用特定波长的紫外光照射改变藻类的生长环境，对藻细胞的生长进行胁迫甚至杀死，从而达到控藻的目的。

樊杰等[16]采用不同的光强和照射时间组合进行紫外光除藻研究表明，光强和时间对藻的抑制存在交互作用，其除藻率高达87.6%。

李国才等[17]紫外线辐射蓝藻研究表明，紫外线对蓝藻光合色素具有破坏作用，对藻细胞具有一定的致死作用。

但紫外光照射除藻适用于低浊度高浓度的含藻水。

（7）粘土除藻。

粘土是由多种矿物及杂质组成，目前应用较为广泛的一种除藻物质[11]。

粘土具有较高的效能、来源充足、廉价、无毒无污染和使用方便等优点。

粘土除藻技术源于絮凝原理。

通过向原水中投加泥土，改变原水体的特征，使藻类絮体密度增加，单位时间内藻类的沉淀速度也必然增大。

此方法要求过滤情况良好，但实际应用过程中，若单独投加粘土时，溶胶性质不明显，且凝聚速度较快、藻细胞的沉淀能力低，从而需要投加大量的粘土。

相关报道表明，粘土除藻率达到90%以上时，其投加量多在1g/L以上。

实际应用时，随着粘土投加量的增大，出水的排泥量也会相应增加。

此外，粘土的除藻效果也受水体中有机质含量与含盐量有关[18]。

邹华等[19]研究发现当水体中离子强度（盐度）增加时，高盐量的存在，能够压缩双电层，使颗粒的有效碰撞几率增大，颗粒间更易聚集成大的絮体从而沉降，达到除藻的目的。

这也是粘土除藻技术多用于治理海洋赤潮，却很少甚至没用于治理淡水水华的主要原因之一。

针对以上问题中外许多研究者尝试并提出了许多改性措施，但其改性实质是相同的，即通过某种物化手段如酸浸泡、包覆某些基团等从而改变粘土颗粒的表面状况，提高其吸附性能，进而达到较好的除藻效果。

研究者发现壳聚糖作为一种天然生物高分子聚电解质，在水中电解呈现阳性，对藻类具有很好的去除效果，目前也广泛应用于各种除藻技术中，其中研究技术最多之一就是对粘土进行壳聚糖包覆改性，改性后的粘土的除藻效果