顏合洪,言 勇,劉本坤,龍艷飛

(1湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,長沙 410128;2長沙縣天順環(huán)保材料廠,湖南長沙 410100)

光觸媒(photocatalyst)也稱光催化劑,它能在紫外光照射或無光條件下,產(chǎn)生特殊的電場及電子空穴,引發(fā)出材料自身沒有的新功能以及超強(qiáng)的氧化特性,同時還能穿透病菌、原核生物(如藍(lán)藻)的細(xì)胞和病毒噬菌體蛋白,從而發(fā)揮殺菌、潔凈的作用。該材料是鈦離子攜帶鍺、鎵等半導(dǎo)體材料的粒子雜化復(fù)合新材料,它可以是納米固體,也可以是納米膠體,無毒、無害和無二次污染,對人類和環(huán)境具有親和性,現(xiàn)在國內(nèi)外已應(yīng)用于室內(nèi)空氣凈化、汽車、建材、玻璃、醫(yī)療器械等方面的環(huán)保材料加工領(lǐng)域,但在污水治理方面的應(yīng)用研究,國內(nèi)外尚少報(bào)道[1～4]。

藍(lán)藻是原核生物,又叫藍(lán)綠藻或藍(lán)細(xì)菌,含有較多葉綠素a和藻藍(lán)素的藻體,大多呈藍(lán)綠色;含有較多藻紅素的藻體多呈紅色。在一些富營養(yǎng)化的水體中,藍(lán)藻常于夏、秋兩季大量繁殖,并在水面形成一層藍(lán)綠色而有腥臭味的浮沫,稱為“水華”。大規(guī)模的藍(lán)藻爆發(fā),被稱為綠潮,會引起水質(zhì)惡化,耗盡水中氧氣而造成魚類的死亡。更加可怕的是藍(lán)藻中的某些種類(如薇囊藻)還會產(chǎn)生毒素(MC),MC除了直接為害魚類、人畜外,也是肝癌的重要誘因。隨著城市化和工業(yè)化的發(fā)展,富營養(yǎng)化的水體量日益增加,藍(lán)藻的滋生場地越來越廣,因此,治理藍(lán)藻對水體的污染問題日趨突出,但目前尚無比較理想的方法。本研究擬率先用自己發(fā)明的復(fù)合光觸媒(國家發(fā)明專利申請?zhí)?200910042829· 7)對藍(lán)藻進(jìn)行防治效果試驗(yàn),企求為藍(lán)藻治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

復(fù)合光觸媒是長沙縣天順環(huán)保材料廠和湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)共同研發(fā)的專利產(chǎn)品,并由長沙縣天順環(huán)保材料廠生產(chǎn)提供。于2009年7月15日在野外污水溝采集藍(lán)藻,放于塑料大盆(直徑 64 cm,高 24 cm)中在室外培養(yǎng),培養(yǎng)液含有 0.5%三元復(fù)合肥(15∶15∶15),藍(lán)藻大量繁殖后作為供試樣品。在每次取樣后,再反復(fù)加入營養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 復(fù)合光觸媒噴施濃度試驗(yàn)

設(shè) 0.5%,1%,2%,3%復(fù)合光觸媒 4種噴施濃度,以清水作對照,代號依次為 A1,A2,A3,A4,A0,重復(fù)3次。用40 cm×30 cm×20 cm的塑料盤作為容器,在每個盤中分別加入 15 cm深供試樣品,每盤加入的容量為1 800 cm3。充分?jǐn)噭?使藍(lán)藻在營養(yǎng)液中分布均勻,水體呈藍(lán)綠色。再將不同濃度的復(fù)合光觸媒噴施于盤中,用量 180 mL。因在室外進(jìn)行試驗(yàn),盤中蒸發(fā)量大,為保證盤中15 cm深的液層,在試驗(yàn)過程中定期加入另配的 0.5%三元復(fù)合肥液。

1.2.2 復(fù)合光觸媒水面用量試驗(yàn)

設(shè)每平方米水面用量100,200,300,400 mL4種處理,以清水作對照,噴施濃度取2%復(fù)合光觸媒液,代號依次為B1,B2,B3,B4,B0,3次重復(fù)。其他同上一試驗(yàn)。

1.2.3 復(fù)合光觸媒施用水層深度和次數(shù)試驗(yàn)

設(shè)水層深度為 5,15,30,45 cm4種處理,每平方米水面用 2%復(fù)合光觸媒液 300 m L攪勻水體中。 3次重復(fù),代號依次為C1～ C4。容器為直徑45 cm,高50cm的塑料桶。在30 cm和45 cm水層深度處理中于第一次施用7 d后加施 1次 2%復(fù)合光觸媒,用量為200 mL/m2。

1.2.4 藍(lán)藻處理死亡后的復(fù)活培養(yǎng)

分別取 A3,B3,C3處理中已被殺死的藍(lán)藻進(jìn)行復(fù)活培養(yǎng),即將每個盤中的水液倒干,再加 0.5%三元復(fù)合肥營養(yǎng)液于盤中,充分?jǐn)噭虺恋姿劳龅乃{(lán)藻培養(yǎng) 7 d,觀察藍(lán)藻的復(fù)活程度;用未處理的藍(lán)藻作對照(CK)。

1.3 觀察記載標(biāo)準(zhǔn)與方法

以藍(lán)藻全部沉于盤底或桶底,藍(lán)藻由藍(lán)綠色變?yōu)榛夷嗌?培養(yǎng)液無色(水體清潔)作為藍(lán)藻死亡標(biāo)準(zhǔn)。用游標(biāo)卡尺測量藍(lán)藻變色和沉底面積,折算成百分率表示。每天 8:00進(jìn)行觀察記載,連續(xù)記載 7～12 d。

2 結(jié)果分析

2.1 不同濃度復(fù)合光觸媒對藍(lán)藻的防治效果

從表1可知,全部處理和對照在第1天均無明顯變化,到第 2天才開始有變化,隨著時間的推移,各處理間的變化差異加大。 A4處理對藍(lán)藻殺傷的作用最大,至處理后第 5天,藍(lán)藻已基本變?yōu)辄S白色,并有 80%的藍(lán)藻沉底,變成灰泥色死亡;至第 6天全部沉底死亡,水體清潔。 A3處理中的藍(lán)藻顏色變化和死亡速度稍后1天,至處理后第7天才全部沉底,變成灰泥色死亡,水體清潔。A2處理至處理后的第7天有80%的藍(lán)藻變色,40%的藍(lán)藻沉底死亡,但未死亡的藍(lán)藻已有少量增殖。A1處理的藍(lán)藻至處理后的第5天已有60%變成黃白色,但未變色的藍(lán)藻已開始大量繁殖。 A0處理的藍(lán)藻從第 2天起就有少量繁殖,至第 5天已“水華”滿盤。由此可知,A3,A4都可殺死藍(lán)藻,治理污水,但 A3處理更為經(jīng)濟(jì)有效。

表1 不同濃度復(fù)合光觸媒處理對藍(lán)藻的防治效果

2.2 復(fù)合光觸媒用量對藍(lán)藻的防治效果

從表2可以看出,B3處理在噴液后第6天,藍(lán)藻已100%沉底變灰泥色死亡,水體清潔;B4處理在噴液后第 5天就已達(dá)到了殺死藍(lán)藻的效果;而 B2處理可使90%的藍(lán)藻變黃白色,但只有 50%藍(lán)藻沉底變灰泥色死亡,同時沒有殺死的藍(lán)藻在處理后第 6天已開始增殖,至處理后第 7天大量增殖;B1處理僅可使 20%藍(lán)藻變黃白色,沒有沉底死亡現(xiàn)象,同時在處理后第3天就已開始增殖,至處理后第 7天已情同對照(B0)“水華”滿盤。以上試驗(yàn)結(jié)果表明,B3,B4處理能有效地殺死藍(lán)藻,使水體變清潔,達(dá)到治理污水的作用。綜合治理效果和成本,B3處理更加恰當(dāng)。

表2 復(fù)合光觸媒不同用量對藍(lán)藻的防治效果

2.3 復(fù)合光觸媒施用水層深度和次數(shù)的效果

從表3可以看出,隨著水層深度的加深,復(fù)合光觸媒殺死藍(lán)藻的作用速度變慢。在 C1處理中,至施用后第 6天藍(lán)藻已被全部殺死;C2處理至第 7天藍(lán)藻全部被殺死;而 C3處理至施用后的第7天殺死藍(lán)藻的作用速度已基本停滯,直至加施第 2次復(fù)合光觸媒的第 4天,藍(lán)藻才被全部殺死;C4處理更為緩慢,第 1次施用后的第 7天僅有 50%藍(lán)藻變黃白色,30%沉底變灰泥色死亡,直至第2次施用后的第6天才全部沉底變灰泥色死亡,水體變清。從以上結(jié)果說明,水層深度對復(fù)合光觸媒的應(yīng)用效果影響很大。

2.4 藍(lán)藻死亡后的復(fù)活培養(yǎng)結(jié)果

表4的資料顯示,在施用濃度、施用量和施用水層深度及次數(shù)的 3個試驗(yàn)中,被殺死的藍(lán)藻經(jīng)營養(yǎng)液培養(yǎng)后,均無復(fù)活現(xiàn)象,這說明復(fù)合光觸媒能有效地殺死藍(lán)藻,治理因藍(lán)藻而引起的污染問題。

表3 施用水層濃度和次數(shù)對藍(lán)藻的防治效果

表4 藍(lán)藻死亡后的復(fù)活培養(yǎng)結(jié)果

3 小結(jié)與討論

綜合以上研究結(jié)果,復(fù)合光觸媒應(yīng)用于藍(lán)藻治理中,以每平方米水面用2%復(fù)合光觸媒液300 mL,在藍(lán)藻浮于水面(“水華”滿盤)時噴施最好,能100%的殺死藍(lán)藻,且被殺死的藍(lán)藻不能復(fù)活,達(dá)到治理因藍(lán)藻引起的污染問題。

試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),復(fù)合光觸媒施用24 h后才能發(fā)揮作用,這說明復(fù)合光觸媒是一種內(nèi)吸劑,只有讓藍(lán)藻充分吸收后,復(fù)合光觸媒才能穿透原核生物的細(xì)胞,起到殺滅作用。同時,在不同施用水層深度中發(fā)現(xiàn),水層深度是影響復(fù)合光觸媒防治藍(lán)藻效果的一個重要因素,隨著水層深度加深,其防治效果降低。要在實(shí)際應(yīng)用中解決這一問題,可根據(jù)藍(lán)藻的生活習(xí)性來考慮,因藍(lán)藻在爆發(fā)期,會“水華”滿池,絕大部分浮于水面,此時噴施復(fù)合光觸媒能達(dá)到令人滿意的防治效果。

[1]顏合洪,劉本坤,嚴(yán) 勇,等.復(fù)合光觸媒防治煙草花葉病效果的初探 [J].作物研究,2009,23(4):269-271.

[2]李鳳生,楊 毅.納米 TiO2/SiO2復(fù)合抗菌材料 [J].中國粉體技術(shù),2001,(5):23-26.

[3]徐 順,楊鵬飛,杜寶石,等.摻雜 TiO2的光催化性能研究進(jìn)展 [J].化學(xué)研究與應(yīng)用,2003,15(2):146-150.

[4]施利毅,李春忠.SnO/-TiO2復(fù)合顆粒形態(tài)結(jié)構(gòu)及光催化活性 [J].化學(xué)物理學(xué)報(bào),2000,13(3):336-342.