颗粒物对藻华生物的絮凝作用及其分形数值模拟研究

发布时间：2020-06-02 06:06

【摘要】：近几十年来,随着人类经济的快速发展,富营养化进一步加剧,成为全球关注的问题。富营养化引起的有害藻华,在全球范围内频繁爆发,不仅破坏海洋生态系统的平衡,造成鱼类、贝类等大范围的死亡,而且可以通过食物链传递威胁人类的健康。探讨有害藻华经济有效的防治方法,对于保护海洋环境,减轻有害藻华的危害,降低经济损失及维护人类健康,都有着重大的科学意义及应用前景。开展颗粒物对藻华生物絮凝作用,及颗粒物-有害藻华生物絮体的分形特征及数值模拟研究,对于探索有害藻华治理新方法,分析絮体分形特征及其它因素对颗粒物絮凝有害藻华速度及效率的影响,具有重要的科学意义。本文以粘土及其它颗粒物为研究对象,研究了粘土对有害藻华生物的絮凝效率与粘土理化性质之间的关系;利用数值模拟研究了各因素对粘土絮凝藻细胞速度及去除效率的影响;分析了分形维数对藻细胞絮凝效率的影响,并进行了动力学模拟曲线与实验结果的比较;研究了其它颗粒物-改性秸秆对藻华生物的絮凝作用和机制。主要结果如下: 粘土的物理化学性质影响藻细胞的去除率。粘土的表面电位为-36.1~-15.9mV,BET比表面积为0.31-60.76m2.g-1,硅铝比为1.35-3.62。当粘土用量均为0.50g.l-1时,不同粘土对中肋骨条藻的絮凝速度和去除效率有较大的不同,胶南钾长石对中肋骨条藻的絮凝速度最慢,去除率最低,为13%;潍坊化工膨润土对中肋骨条藻的絮凝速度最快,去除率最高,为82%。在粘土用量为0.50 g.L-1时,利用线性关系与灰色关联度,分析了中肋骨条藻去除率与粘土理化参数之间的关系,研究结果表明:中肋骨条藻的去除率与粘土的理化参数具有较强的线性相关,去除率与粘土的表面电位、比表面积正相关,而与粘土的硅铝比负相关;较高的表面电位和BET比表面积、较低的硅铝比有利于增加藻细胞的去除率;灰色关联度分析表明,粘土比表面积是主要影响因子,相关系数为0.907,粘土硅铝比对去除率影响较小,相关系数为0.618。粘土絮凝藻细胞的数值模拟研究。结合传统絮凝理论和分形理论,利用Fortran程序模拟絮凝过程,研究了粘土的分形维数、粘土浓度、藻细胞的分形维数、藻细胞浓度、粘土-粘土有效碰撞系数、粘土-藻细胞有效碰撞系数、水流切应速度等因素对藻细胞去除率、粘土沉降效率、絮体粒径的影响。模拟结果表明,当粘土-藻细胞碰撞效率由0.01增加到0.20时,t=6000s时,藻细胞去除率由16%增加到78%;当粘土浓度由2.0×10-4g.cm-3增加到1.0×10-3g.cm-3时,t=6000s时,藻细胞去除率由38%增加到82%;粘土分形维数由2.80降低到2.00时,t=6000s时,藻细胞去除率由56%增加到98%。粘土-藻细胞有效碰撞效率、粘土浓度的增加可以增大藻细胞去除率,粘土-粘土有效碰撞效率、粘土分形维数、藻细胞浓度的降低可以增加藻细胞去除率,适度的切应速度和藻细胞分形维数可以增加藻细胞去除率。粘土-藻细胞碰撞效率、粘土分形维数、粘度浓度对藻细胞去除率影响较大。粘土絮凝藻细胞动力学,粘土-藻细胞有效碰撞效率、粘土用量、切应速度对藻细胞絮凝效率的模拟结果,与实验结果基本一致。PACl改性粘土可以增加粘土-藻细胞有效碰撞效率,降低粘土分形维数,从而增大藻细胞去除率。TEP含量的增加可以增大粘土-藻细胞有效碰撞效率;TEP含量与藻细胞的种类、生长周期、营养条件等有关;衰亡期、营养盐限制条件下,TEP含量较高,藻细胞去除率较大。粘土絮凝藻细胞体系的分形维数对絮凝效率的影响。改性粘土可以有效提高粘土的除藻效率,改性后的粘土对三种有害藻华生物(中肋骨条藻、赤潮异弯藻、亚历山大藻)的去除率都比未改性粘土的高。而不同藻华生物去除效率之间也有明显差别,其中以中肋骨条藻去除率最高,而亚历山大藻去除率最低。利用图像法和图像-颗粒计数法求得了粘土絮凝藻细胞体系的分形维数,研究了分形维数对絮凝效率的影响。结果表明,改性粘土沉降形成絮体的二维分形维数(D2)和三维分形维数(D3)分别为1.84和2.50,小于未改性粘土絮体的分形维数D2和D3,为1.92和2.81。PACl降低粘土颗粒之间的排斥力,降低了改性粘土的分形维数。改性粘土较低的分形维数和较高的粘土-藻细胞有效碰撞效率,可以增加粘土对藻细胞的絮凝效率。粘土或改性粘土与藻细胞形成絮体的分形维数结果表明,与亚历山大藻细胞形成絮体的分形维数最大,D2和D3分别为2.59、2.32;而与中肋骨条藻形成絮体的分形维数最小,D2和D3分别为2.27、1.97。粘土或改性粘土用量相同时,不同的藻细胞体系具有不同的去除效率,絮体的分形维数不同,这与藻细胞的本身形态结构有关。亚历山大藻的椭圆形结构,较大的表面积/体积比,增加了絮体的分形维数。在粘土用量为0.50g.L-1时,利用实验所得分形维数,模拟研究了粘土、改性粘土絮凝赤潮异弯藻的动力学,结果表明动力学模拟曲线曲线与实验结果基本一致。以改性秸秆作为其它颗粒物,研究了改性秸秆对赤潮异弯藻的去除作用。结果发现,在与未改性秸秆用量均为0.10g.l-1时,t=120min时,改性秸秆对赤潮异弯藻的去除率可以从10%左右提高到80%以上,同时水体内核苷酸物质浓度增大,说明在此作用过程中,藻细胞膜结构遭到破坏,核苷酸物质由胞内释放。当改性秸秆用量为0.15 g.l-1时,释放核苷酸在260nm时吸光度与正常细胞的吸光度比值为1.17,此时改性秸秆对赤潮异弯藻造成的损害是不可逆的。实验发现,改性秸秆对赤潮异弯藻同时具有吸附作用和灭杀作用。当浓度较低时,改性秸秆通过吸附细胞体,或者与细胞膜结合,从而导致部分藻细胞的絮凝;而当浓度进一步增加时,改性秸秆可以破坏细胞膜的结构,导致大量膜内物质的释放,进而导致藻细胞的死亡。本论文的初步研究结果表明,颗粒物的物理化学性质、分形维数及藻细胞的形态结构影响颗粒物对藻细胞的絮凝效率,在选用颗粒物治理有害藻华时,需考虑絮体分形特征及其它因素对颗粒物絮凝有害藻华速度及效率的影响。
【图文】：

改性粘土,玄武湖,蓝藻,藻华

结果发现粘土对文蛤稚贝成活率无影响，文蛤生长速度。Pierce 等（2004）研究磷酸盐粘土（phosphatic clavis 时发现，粘土可以絮凝 70%的细胞外神经毒素；加入 0%的细胞外神经毒素；周期为 14 天的实验，发现粘土可以iang 等（2008）同样认为粘土絮凝不会造成胞内化合物，会通过电中和，共沉淀、沉降等过程，去除藻类物质和藻胞治方法在有害藻华治理中的现场应用矿物去除藻华生物，，在日本、韩国、中国等都有过现场应8O 年代初，日本在鹿儿岛海面上进行过具有一定规模撒播国曾用 6×104T 粘土制剂治理 100 km2的鱼类养殖中发m 藻华海域藻华，有效地避免了藻华所造成的经济损失（ki09；缪锦来等，2002）。

模型图,絮凝体,分形,基本构思

图 3 分形成长絮凝体模型（Tambo,1993）Figure 3 Stepwise growth model of flocsTambo 等（1993）根据 Sutherland 集团凝聚模型的基本构思，即絮凝体的成
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（海洋研究所）
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：X55

【引证文献】