粘土矿物及无机絮凝剂对有害赤潮的治理研究

在害赤潮作为一种全球性的海洋灾害，给海洋环境、水产养殖业和人类健康造成巨大危害，研究赤潮的发生规律，探索新的、经济有效的赤潮的防治方法具有重要的科学意义和应用前景。本文针对中国沿海常见赤潮生物种，研究了粘土矿物双赤潮生物基本生理指标的影响，进一步探讨了粘土矿物的控制赤潮机制；并针对粘土矿物去除效率不高的特点，制备出具有较高絮凝胶效率的改性粘土；此外，本文还首次将无机高分子絮凝效率的改性粘土；此外，本文还首次将无机高分子絮凝剂MMH（混合金属氢氧化物正电胶体）和PSMS（聚硅酸金属盐）用于赤潮治理研究中，并探索了上述赤潮防治剂的环境生态效应，主要成果与内容有：1、粘土矿物的筛选 采集国内外近30种粘土矿物，分别考察了它们对中国沿海常见赤潮生物种赤潮异弯藻（Heterosigma akashiwo）和塔玛亚历山大藻（Alexandrium tamarense）的去除效果。结果表明，不同粘土矿物对赤潮生物的絮凝能力有显著差别，实验筛选出去除效果较好的几种粘土，分别为来自美国的Chemically treated kaolin、WHOI土、江苏吴县高岭土及苏州特号土等。通过絮凝实验得到上述几种粘土矿物对两种赤潮生物的絮凝曲线，发现不同粘土矿物对赤潮生物的最大去除率及达到最大去除率所需的粘土浓度有较大差别，同一粘土矿物对不同赤潮生物的去除效果也不相同。塔玛亚历山大藻较赤潮异变藻更易被粘土矿物去除。2、粘土矿物对赤潮生物的生理效应 研究了高岭土对赤潮异弯藻和塔玛来历山大藻生长繁殖、叶绿素a含量、光合作用以及呼吸作用的影响。结果表明，高岭土对赤潮生物生长、叶绿素a含量及光合作用均有抑制作用，表现为随粘土浓度的增加及作用时间的延长，抑制作用增强，并认为这可能与粘土的加入导致光照效应降低及藻类生长的营养环境改变有关。实验同时发现高岭土对不同赤潮生物的抑制程度不同，塔玛亚历山大藻上述各项生理指标比赤潮异弯藻更易受粘土影响。3、无机絮凝剂的制备及絮凝作用研究 主要考察了无机高分子絮凝剂MMH及PSMS（聚硅酸金属盐），包括聚硅酸氯化铝（PSAC）和聚硅酸硫酸铝（PSAS）的合成及对赤潮生物的絮凝作用。在MMH的合成过程中，考察了镁铝摩尔比及制备温度对MMH絮凝赤潮异弯藻的影响，认为镁铝摩尔比为2的条件下制备的MMH具有较好的絮凝和沉降性能，其絮凝赤潮异弯藻的最佳用量为1.5mmolAl/L。在PSAS的合成中采用三因子三水平的正交试验设计，得到PSAS的最佳制备条件为：SiO_2浓度 = 2%， Al~(3+)/SiO_2 = 1, pH = 4。絮凝实验结果表明，PSAS对赤潮生物的絮凝效果优于传统絮凝剂AS（硫酸铝），同时PSAS对不同赤潮生物的絮凝效果也不同，认为这主要与不同赤潮生物的形态结构、运动性及胞外分泌物有关。4、粘土矿物表面改性及机理研究 为提高粘土矿物去除赤潮生物的效率，分别用插入法和表面吸附法制备改性粘土。实验得出插入法的最佳制备条件为：制备温度70 ℃，镁离子浓度2mol/L；表面吸附法中粘土和MMH（混合金属氢氧化物胶体）的适宜配比为：粘土/MMH=10。改性后粘土去除赤潮异弯藻的效率较改性前提高2-3倍。相关分析表明，改性粘土去除赤潮生物的效率与改性后表面电位呈正相关，两种情况下R~2均大于0.8，说明表面电位是影响粘土矿物去除赤潮生物的一个重要因素。5、赤潮治理的现场模拟实验及环境生态效应 在1999年夏季胶州湾中肋骨条藻（Skeletonema costatum）赤潮的发生现场进行了改性粘土及PSAS对藻类去除率、悬浮物、DO、COD、pH等指标的影响研究。结果表明，改性粘土及PSAS对现场中肋骨条藻有较高的去除率，1g/L的改性高岭土和改性蒙脱土对中肋骨条藻的去除率分别可达77%和93%，1ml/L的PSAS去除率达90%以上。DO的含量轻微下降，不致影响其他生物的生长，COD下降幅度较大，达50-80%。6、赤潮防治剂对中国对虾的毒性研究 进行了粘土、次氯酸钙、氯化铝和氯化铁对中国对虾的毒性试验，结果表明，1g/L的高岭土对虾基本无毒性；次氯酸钙在低浓度下对对虾无毒，在高浓度下对对虾有急性毒性效应，安全使用浓度为0.5ml/L游离氯；氯化铝和氯化铁在对虾体内有一定的积累，其长期的毒性效应有待于进一步的分析。上述几种试剂均可用于粘土矿物的改性处理中，是比较安全的赤潮防治剂。