利用復合光觸媒防治藍藻效果初探

顏合洪,言 勇,劉本坤,龍艷飛

(1湖南農業大學農學院,長沙 410128;2長沙縣天順環保材料廠,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,產生特殊的電場及電子空穴,引發出材料自身沒有的新功能以及超強的氧化特性,同時還能穿透病菌、原核生物(如藍藻)的細胞和病毒噬菌體蛋白,從而發揮殺菌、潔凈的作用。該材料是鈦離子攜帶鍺、鎵等半導體材料的粒子雜化復合新材料,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,對人類和環境具有親和性,現在國內外已應用于室內空氣凈化、汽車、建材、玻璃、醫療器械等方面的環保材料加工領域,但在污水治理方面的應用研究,國內外尚少報道[1～4]。

藍藻是原核生物,又叫藍綠藻或藍細菌,含有較多葉綠素a和藻藍素的藻體,大多呈藍綠色;含有較多藻紅素的藻體多呈紅色。在一些富營養化的水體中,藍藻常于夏、秋兩季大量繁殖,并在水面形成一層藍綠色而有腥臭味的浮沫,稱為“水華”。大規模的藍藻爆發,被稱為綠潮,會引起水質惡化,耗盡水中氧氣而造成魚類的死亡。更加可怕的是藍藻中的某些種類(如薇囊藻)還會產生毒素(MC),MC除了直接為害魚類、人畜外,也是肝癌的重要誘因。隨著城市化和工業化的發展,富營養化的水體量日益增加,藍藻的滋生場地越來越廣,因此,治理藍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明的復合光觸媒(國家發明專利申請號 200910042829· 7)對藍藻進行防治效果試驗,企求為藍藻治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

復合光觸媒是長沙縣天順環保材料廠和湖南農業大學共同研發的專利產品,并由長沙縣天順環保材料廠生產提供。于2009年7月15日在野外污水溝采集藍藻,放于塑料大盆(直徑 64 cm,高 24 cm)中在室外培養,培養液含有 0.5%三元復合肥(15∶15∶15),藍藻大量繁殖后作為供試樣品。在每次取樣后,再反復加入營養液進行培養。

1.2 試驗設計

1.2.1 復合光觸媒噴施濃度試驗

設 0.5%,1%,2%,3%復合光觸媒 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。充分攪勻,使藍藻在營養液中分布均勻,水體呈藍綠色。再將不同濃度的復合光觸媒噴施于盤中,用量 180 mL。因在室外進行試驗,盤中蒸發量大,為保證盤中15 cm深的液層,在試驗過程中定期加入另配的 0.5%三元復合肥液。

1.2.2 復合光觸媒水面用量試驗

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

1.2.3 復合光觸媒施用水層深度和次數試驗

設水層深度為 5,15,30,45 cm4種處理,每平方米水面用 2%復合光觸媒液 300 m L攪勻水體中。 3次重復,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%復合光觸媒,用量為200 mL/m2。

1.2.4 藍藻處理死亡后的復活培養

分別取 A3,B3,C3處理中已被殺死的藍藻進行復活培養,即將每個盤中的水液倒干,再加 0.5%三元復合肥營養液于盤中,充分攪勻沉底死亡的藍藻培養 7 d,觀察藍藻的復活程度;用未處理的藍藻作對照(CK)。

1.3 觀察記載標準與方法

以藍藻全部沉于盤底或桶底,藍藻由藍綠色變為灰泥色,培養液無色(水體清潔)作為藍藻死亡標準。用游標卡尺測量藍藻變色和沉底面積,折算成百分率表示。每天 8:00進行觀察記載,連續記載 7～12 d。

2 結果分析

2.1 不同濃度復合光觸媒對藍藻的防治效果

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處理對藍藻殺傷的作用最大,至處理后第 5天,藍藻已基本變為黃白色,并有 80%的藍藻沉底,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%的藍藻變色,40%的藍藻沉底死亡,但未死亡的藍藻已有少量增殖。A1處理的藍藻至處理后的第5天已有60%變成黃白色,但未變色的藍藻已開始大量繁殖。 A0處理的藍藻從第 2天起就有少量繁殖,至第 5天已“水華”滿盤。由此可知,A3,A4都可殺死藍藻,治理污水,但 A3處理更為經濟有效。

表1 不同濃度復合光觸媒處理對藍藻的防治效果

2.2 復合光觸媒用量對藍藻的防治效果

從表2可以看出,B3處理在噴液后第6天,藍藻已100%沉底變灰泥色死亡,水體清潔;B4處理在噴液后第 5天就已達到了殺死藍藻的效果;而 B2處理可使90%的藍藻變黃白色,但只有 50%藍藻沉底變灰泥色死亡,同時沒有殺死的藍藻在處理后第 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%藍藻變黃白色,沒有沉底死亡現象,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。以上試驗結果表明,B3,B4處理能有效地殺死藍藻,使水體變清潔,達到治理污水的作用。綜合治理效果和成本,B3處理更加恰當。

表2 復合光觸媒不同用量對藍藻的防治效果

2.3 復合光觸媒施用水層深度和次數的效果

從表3可以看出,隨著水層深度的加深,復合光觸媒殺死藍藻的作用速度變慢。在 C1處理中,至施用后第 6天藍藻已被全部殺死;C2處理至第 7天藍藻全部被殺死;而 C3處理至施用后的第7天殺死藍藻的作用速度已基本停滯,直至加施第 2次復合光觸媒的第 4天,藍藻才被全部殺死;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。從以上結果說明,水層深度對復合光觸媒的應用效果影響很大。

2.4 藍藻死亡后的復活培養結果

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的 3個試驗中,被殺死的藍藻經營養液培養后,均無復活現象,這說明復合光觸媒能有效地殺死藍藻,治理因藍藻而引起的污染問題。

表3 施用水層濃度和次數對藍藻的防治效果

表4 藍藻死亡后的復活培養結果

3 小結與討論

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

試驗中發現,復合光觸媒施用24 h后才能發揮作用,這說明復合光觸媒是一種內吸劑,只有讓藍藻充分吸收后,復合光觸媒才能穿透原核生物的細胞,起到殺滅作用。同時,在不同施用水層深度中發現,水層深度是影響復合光觸媒防治藍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。要在實際應用中解決這一問題,可根據藍藻的生活習性來考慮,因藍藻在爆發期,會“水華”滿池,絕大部分浮于水面,此時噴施復合光觸媒能達到令人滿意的防治效果。

[1]顏合洪,劉本坤,嚴 勇,等.復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復合抗菌材料 [J].中國粉體技術,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展 [J].化學研究與應用,2003,15(2):146-150.

[4]施利毅,李春忠.SnO/-TiO2復合顆粒形態結構及光催化活性 [J].化學物理學報,2000,13(3):336-342.