颜合洪,言 勇,刘本坤,龙艳飞

(1湖南农业大学农学院,长沙 410128;2长沙县天顺环保材料厂,湖南长沙 410100)

光触媒(photocatalyst)也称光催化剂,它能在紫外光照射或无光条件下,产生特殊的电场及电子空穴,引发出材料自身没有的新功能以及超强的氧化特性,同时还能穿透病菌、原核生物(如蓝藻)的细胞和病毒噬菌体蛋白,从而发挥杀菌、洁净的作用。该材料是钛离子携带锗、镓等半导体材料的粒子杂化复合新材料,它可以是纳米固体,也可以是纳米胶体,无毒、无害和无二次污染,对人类和环境具有亲和性,现在国内外已应用于室内空气净化、汽车、建材、玻璃、医疗器械等方面的环保材料加工领域,但在污水治理方面的应用研究,国内外尚少报道[1～4]。

蓝藻是原核生物,又叫蓝绿藻或蓝细菌,含有较多叶绿素a和藻蓝素的藻体,大多呈蓝绿色;含有较多藻红素的藻体多呈红色。在一些富营养化的水体中,蓝藻常于夏、秋两季大量繁殖,并在水面形成一层蓝绿色而有腥臭味的浮沫,称为“水华”。大规模的蓝藻爆发,被称为绿潮,会引起水质恶化,耗尽水中氧气而造成鱼类的死亡。更加可怕的是蓝藻中的某些种类(如薇囊藻)还会产生毒素(MC),MC除了直接为害鱼类、人畜外,也是肝癌的重要诱因。随着城市化和工业化的发展,富营养化的水体量日益增加,蓝藻的滋生场地越来越广,因此,治理蓝藻对水体的污染问题日趋突出,但目前尚无比较理想的方法。本研究拟率先用自己发明的复合光触媒(国家发明专利申请号 200910042829· 7)对蓝藻进行防治效果试验,企求为蓝藻治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

复合光触媒是长沙县天顺环保材料厂和湖南农业大学共同研发的专利产品,并由长沙县天顺环保材料厂生产提供。于2009年7月15日在野外污水沟采集蓝藻,放于塑料大盆(直径 64 cm,高 24 cm)中在室外培养,培养液含有 0.5%三元复合肥(15∶15∶15),蓝藻大量繁殖后作为供试样品。在每次取样后,再反复加入营养液进行培养。

1.2 试验设计

1.2.1 复合光触媒喷施浓度试验

设 0.5%,1%,2%,3%复合光触媒 4种喷施浓度,以清水作对照,代号依次为 A1,A2,A3,A4,A0,重复3次。用40 cm×30 cm×20 cm的塑料盘作为容器,在每个盘中分别加入 15 cm深供试样品,每盘加入的容量为1 800 cm3。充分搅匀,使蓝藻在营养液中分布均匀,水体呈蓝绿色。再将不同浓度的复合光触媒喷施于盘中,用量 180 mL。因在室外进行试验,盘中蒸发量大,为保证盘中15 cm深的液层,在试验过程中定期加入另配的 0.5%三元复合肥液。

1.2.2 复合光触媒水面用量试验

设每平方米水面用量100,200,300,400 mL4种处理,以清水作对照,喷施浓度取2%复合光触媒液,代号依次为B1,B2,B3,B4,B0,3次重复。其他同上一试验。

1.2.3 复合光触媒施用水层深度和次数试验

设水层深度为 5,15,30,45 cm4种处理,每平方米水面用 2%复合光触媒液 300 m L搅匀水体中。 3次重复,代号依次为C1～ C4。容器为直径45 cm,高50cm的塑料桶。在30 cm和45 cm水层深度处理中于第一次施用7 d后加施 1次 2%复合光触媒,用量为200 mL/m2。

1.2.4 蓝藻处理死亡后的复活培养

分别取 A3,B3,C3处理中已被杀死的蓝藻进行复活培养,即将每个盘中的水液倒干,再加 0.5%三元复合肥营养液于盘中,充分搅匀沉底死亡的蓝藻培养 7 d,观察蓝藻的复活程度;用未处理的蓝藻作对照(CK)。

1.3 观察记载标准与方法

以蓝藻全部沉于盘底或桶底,蓝藻由蓝绿色变为灰泥色,培养液无色(水体清洁)作为蓝藻死亡标准。用游标卡尺测量蓝藻变色和沉底面积,折算成百分率表示。每天 8:00进行观察记载,连续记载 7～12 d。

2 结果分析

2.1 不同浓度复合光触媒对蓝藻的防治效果

从表1可知,全部处理和对照在第1天均无明显变化,到第 2天才开始有变化,随着时间的推移,各处理间的变化差异加大。 A4处理对蓝藻杀伤的作用最大,至处理后第 5天,蓝藻已基本变为黄白色,并有 80%的蓝藻沉底,变成灰泥色死亡;至第 6天全部沉底死亡,水体清洁。 A3处理中的蓝藻颜色变化和死亡速度稍后1天,至处理后第7天才全部沉底,变成灰泥色死亡,水体清洁。A2处理至处理后的第7天有80%的蓝藻变色,40%的蓝藻沉底死亡,但未死亡的蓝藻已有少量增殖。A1处理的蓝藻至处理后的第5天已有60%变成黄白色,但未变色的蓝藻已开始大量繁殖。 A0处理的蓝藻从第 2天起就有少量繁殖,至第 5天已“水华”满盘。由此可知,A3,A4都可杀死蓝藻,治理污水,但 A3处理更为经济有效。

表1 不同浓度复合光触媒处理对蓝藻的防治效果

2.2 复合光触媒用量对蓝藻的防治效果

从表2可以看出,B3处理在喷液后第6天,蓝藻已100%沉底变灰泥色死亡,水体清洁;B4处理在喷液后第 5天就已达到了杀死蓝藻的效果;而 B2处理可使90%的蓝藻变黄白色,但只有 50%蓝藻沉底变灰泥色死亡,同时没有杀死的蓝藻在处理后第 6天已开始增殖,至处理后第 7天大量增殖;B1处理仅可使 20%蓝藻变黄白色,没有沉底死亡现象,同时在处理后第3天就已开始增殖,至处理后第 7天已情同对照(B0)“水华”满盘。以上试验结果表明,B3,B4处理能有效地杀死蓝藻,使水体变清洁,达到治理污水的作用。综合治理效果和成本,B3处理更加恰当。

表2 复合光触媒不同用量对蓝藻的防治效果

2.3 复合光触媒施用水层深度和次数的效果

从表3可以看出,随着水层深度的加深,复合光触媒杀死蓝藻的作用速度变慢。在 C1处理中,至施用后第 6天蓝藻已被全部杀死;C2处理至第 7天蓝藻全部被杀死;而 C3处理至施用后的第7天杀死蓝藻的作用速度已基本停滞,直至加施第 2次复合光触媒的第 4天,蓝藻才被全部杀死;C4处理更为缓慢,第 1次施用后的第 7天仅有 50%蓝藻变黄白色,30%沉底变灰泥色死亡,直至第2次施用后的第6天才全部沉底变灰泥色死亡,水体变清。从以上结果说明,水层深度对复合光触媒的应用效果影响很大。

2.4 蓝藻死亡后的复活培养结果

表4的资料显示,在施用浓度、施用量和施用水层深度及次数的 3个试验中,被杀死的蓝藻经营养液培养后,均无复活现象,这说明复合光触媒能有效地杀死蓝藻,治理因蓝藻而引起的污染问题。

表3 施用水层浓度和次数对蓝藻的防治效果

表4 蓝藻死亡后的复活培养结果

3 小结与讨论

综合以上研究结果,复合光触媒应用于蓝藻治理中,以每平方米水面用2%复合光触媒液300 mL,在蓝藻浮于水面(“水华”满盘)时喷施最好,能100%的杀死蓝藻,且被杀死的蓝藻不能复活,达到治理因蓝藻引起的污染问题。

试验中发现,复合光触媒施用24 h后才能发挥作用,这说明复合光触媒是一种内吸剂,只有让蓝藻充分吸收后,复合光触媒才能穿透原核生物的细胞,起到杀灭作用。同时,在不同施用水层深度中发现,水层深度是影响复合光触媒防治蓝藻效果的一个重要因素,随着水层深度加深,其防治效果降低。要在实际应用中解决这一问题,可根据蓝藻的生活习性来考虑,因蓝藻在爆发期,会“水华”满池,绝大部分浮于水面,此时喷施复合光触媒能达到令人满意的防治效果。

[1]颜合洪,刘本坤,严 勇,等.复合光触媒防治烟草花叶病效果的初探 [J].作物研究,2009,23(4):269-271.

[2]李凤生,杨 毅.纳米 TiO2/SiO2复合抗菌材料 [J].中国粉体技术,2001,(5):23-26.

[3]徐 顺,杨鹏飞,杜宝石,等.掺杂 TiO2的光催化性能研究进展 [J].化学研究与应用,2003,15(2):146-150.

[4]施利毅,李春忠.SnO/-TiO2复合颗粒形态结构及光催化活性 [J].化学物理学报,2000,13(3):336-342.