CN113816496B

CN113816496B - 一种除藻固碳体系及其方法

Info

Publication number: CN113816496B
Application number: CN202111216098.0A
Authority: CN
Inventors: 李跃辉; 孙丽伟; 范岩; 孙玉霞; 李莹
Original assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Current assignee: Lanzhou Institute of Chemical Physics LICP of CAS
Priority date: 2021-10-19
Filing date: 2021-10-19
Publication date: 2022-06-28
Anticipated expiration: 2041-10-19
Also published as: CN113816496A

Abstract

本发明涉及一种除藻固碳体系，该体系是由通过透明粗鱼线连接在一起的数个双层透明空心球构成的球状浮体。同时，本发明还公开了该除藻固碳体系的除藻固碳方法。本发明利用了蓝藻喜欢氮磷环境、可以进行光合自养的特性及富含蛋白质的优点，不但减少了人工的投入，避免了净水絮凝剂的使用，而且获得的蓝藻可作为动物的饲料和农作物的肥料；同时易于再生，可实现多次循环利用，节约投资成本。该体系可以根据水体的特点，施放上百万、上千万个球体，缓解了现有技术中水体污染、蓝藻分离困难、毒素分解释放的问题，特别适用于处理池塘、湖泊、海洋中蓝藻泛滥现象。

Description

一种除藻固碳体系及其方法

技术领域

本发明涉及环境工程专业领域，尤其涉及一种除藻固碳体系及其方法。

背景技术

蓝藻，又名蓝绿藻（blue-green algae）、蓝细菌（cyanobacteria），是一种进化历史悠久、可以进行产氧性光合作用的大型单细胞原核生物。蓝藻分布范围广泛，遍及世界各地，但大多数生活在淡水中，在海水甚至是污水中也有少量分布；其种类繁多，目前已知蓝藻约2000种，中国已有记录的约900种，主要包括微囊藻（Microcystins）、色球藻（Chroococcus）、颤藻（Oscillatoria）、胞藻（Cylindrospermopsis）、念珠藻（Nostoc）、束毛藻（Trichodesmium）等。

受气候条件、水体污染等的影响，水中蓝藻极易大规模爆发，当蓝藻聚集性漂浮于水面上，可引发浮游植物或细菌的快速增值，大量消耗水体中的溶氧，导致海水“赤潮”、湖水“水华”和水中高级生物的死亡，给渔业、养殖业等带来严重危害。此外，部分蓝藻如微囊藻属会产生诱发人类肝癌的毒素。另一方面，蓝藻本身富含蛋白质和氮磷元素，具有一定经济价值，可作为动物的饲料和农作物的肥料。因此，治理蓝藻不仅可以缓解水体的富营养化保护我们的生存环境，还能够制备高价值的物质促进经济社会的发展。

目前，主要采用物理打捞、生物调控、药物防治等方式来治理蓝藻。在物理打捞上，主要采用网兜打捞漂浮的蓝藻尸体后按常规淤泥处理。在生物调控上，一是通过微生物制剂降低水体中的氮、磷含量，二是向水系中套放适当密度的鲢鳙鱼以摄食藻类，从而减少和控制蓝藻的发生。在药物防治上，多采用硫酸铜泼烧的方法进行蓝藻的灭活。但是上述治理方法均存在工作量大、效果不明显、重金属中毒和污染等问题，且实用性和可靠度低。因此，亟需寻找出一种工艺流程简单、操作方便可控、材料安全无毒、投资运行成本低廉、绿色环保的措施，以实现温室效应的缓解和蓝藻的高效利用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种低成本、易于再生的除藻固碳体系及其方法。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供该除藻固碳体系的除藻固碳方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种除藻固碳体系，其特征在于：该体系是由通过透明粗鱼线连接在一起的数个双层透明空心球构成的球状浮体。

所述双层透明空心球包括连接在一起的外部空心大球和嵌入所述外部空心大球内且与其顶部相切的空心小球；所述外部空心大球与所述空心小球之间填充有水及蓝藻幼苗。

所述外部空心大球的上半部分设有直径为7~8mm的大孔，下半部分四周设置多排的直径小于3.5mm的进水孔且内表面涂覆一层固氮固磷的水凝胶。

所述空心小球的下半部分设有一圈直径为4~5mm的中孔。

所述空心小球的上侧填充除藻缓释材料。

所述固氮固磷的水凝胶由固定氮磷的多孔材料和交联剂制成；所述多孔材料由经离子交换和高温改性的粘土、膨润土、沸石粉、活性炭、石墨烯、氮化碳、共价有机骨架材料中一种或几种组成；所述交联剂是指明胶、聚乙烯醇、丙烯酸、海藻酸钠中的任意一种。

所述除藻缓释材料由微生物菌剂和生物可降解高分子材料制成；所述微生物制剂由芽孢杆菌、乳酸菌、溶藻菌、纤维素降解菌中的一种或几种组成；所述生物可降解高分子材料是指黄原胶、聚乳酸、环糊精及其衍生物中的一种或几种。

如上所述的一种除藻固碳体系的除藻固碳方法，包括以下步骤：

⑴将数组除藻固碳体系投入水体中，使其漂浮于水面并置于两侧岸边；

⑵固氮固磷的水凝胶固定氮磷；

⑶所述除藻固碳体系中蓝藻生长；

⑷空气中CO₂的固定；

⑸所述除藻固碳体系的移出和蓝藻的收集：

当蓝藻经生长、繁殖、衰老后，将饱和生成的所述除藻固碳体系从水中移出并收集成熟的蓝藻；

⑹再生所述除藻固碳体系：

将移除大量成熟蓝藻的所述除藻固碳体系进行重新组装后再次投入水体中，重复步骤⑴~⑸进行循环利用。

所述步骤⑴中数组除藻固碳体系起始入水深度保持在4~5厘米。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明中双层透明空心球包括连接在一起的外部空心大球和嵌入所述外部空心大球内且与其顶部相切的空心小球；其中外部空心大球能够允许空气的进入，从而使蓝藻可以利用氮磷物质并进行光合作用，实现空气中CO₂的固定。同时，双层透明空心球营造的温暖环境，使得冬天该体系仍可起到除藻固碳的作用。

2、本发明除藻固碳体系利用了蓝藻喜欢氮磷环境、可以进行光合自养的特性及富含蛋白质的优点，不但减少了人工的投入，避免了净水絮凝剂的使用，而且获得的蓝藻可作为动物的饲料和农作物的肥料；同时易于再生，可实现多次循环利用，节约投资成本。

3、本发明除藻固碳体系可以根据水体的特点，施放上百万、上千万个球体，缓解了现有技术中水体污染、蓝藻分离困难、毒素分解释放的问题。

4、本发明中制备的富集氮磷水凝胶来源广泛、绿色环保、稳定性好。

5、本发明工艺流程简单、操作方便可控、材料安全无毒、投资运行成本低廉，绿色环保，适合温室效应的缓解和蓝藻的高效利用，特别适用于处理池塘、湖泊、海洋中蓝藻泛滥现象。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明除藻固碳体系的结构示意图。

图2为本发明中双层透明空心球的结构示意图。

图中：100—外部空心大球，101—大孔，102—进水孔，103—固氮固磷的水凝胶，200—内部空心小球，201—中孔，202—除藻缓释材料，300—透明的粗鱼线。

具体实施方式

如图1所示，一种除藻固碳体系，该体系是由通过透明粗鱼线300连接在一起的数个双层透明空心球构成的球状浮体。目的是便于在水中保持漂浮状态，且构建“阳光房”可实现蓝藻的生长和CO₂的固定。

其中：双层透明空心球包括连接在一起的外部空心大球100和嵌入外部空心大球100内且与其顶部相切的空心小球200；外部空心大球100与空心小球200之间填充有水及蓝藻幼苗。如图2所示。

外部空心大球100的上半部分设有直径为7~8mm的大孔101以允许阳光的进入，下半部分四周设置多排的直径小于3.5mm的进水孔102且内表面涂覆一层固氮固磷的水凝胶103，以实现水分的缓慢进入和氮磷元素固定，并允许蓝藻的进入。下侧实心结构增加浮力且通过腔内水分可以调节入水深度。

固氮固磷的水凝胶103由固定氮磷的多孔材料和交联剂制成，固氮固磷的水凝胶103可实现氮磷物质的快速通过和水分的缓慢渗透。常用方法是将5~10g交联剂溶于50~90mL去离子水中，并在室温至90℃下搅拌1~3h，随后将0.5~2g多孔材料加入到上述体系并继续搅拌0.5~3h，静置2~12h后可得到水凝胶。多孔材料由经离子交换和高温改性的粘土、膨润土、沸石粉、活性炭、石墨烯、氮化碳、共价有机骨架材料中一种或几种组成；交联剂是指明胶、聚乙烯醇、丙烯酸、海藻酸钠中的任意一种。

空心小球200的下半部分设有一圈直径为4~5mm的中孔201，可实现水和蓝藻的进入且降低体系的浮力。

另外，空心小球200的上侧还可以填充除藻缓释材料202。

除藻缓释材料202由微生物菌剂和生物可降解高分子材料制成。通用流程是在搅拌条件下，将1~5g生物可降解高分子材料缓慢添加到5~20mL去离子水中直至完全分散，然后加入1~5g微生物制剂并在室温下搅拌1~8 h，经干燥后可得到缓释材料。微生物制剂由芽孢杆菌、乳酸菌、溶藻菌、纤维素降解菌中的一种或几种组成；生物可降解高分子材料是指黄原胶、聚乳酸、环糊精及其衍生物中的一种或几种。

一种除藻固碳体系的除藻固碳方法，包括以下步骤：

⑴将数组除藻固碳体系投入水体中，使其漂浮于水面并置于两侧岸边；同时保证起始入水深度保持在4~5厘米。

⑵固氮固磷的水凝胶103固定氮磷：通过固氮固磷的水凝胶103富集外部水中的氮磷元素，可吸引蓝藻并为蓝藻生长提供营养物质。

⑶除藻固碳体系中蓝藻生长：

富集氮磷元素、温度介于28~35℃、pH为弱碱性的环境可实现蓝藻的生长和繁殖；温度、pH值、光照条件可借助除藻固碳体系、固氮固磷的水凝胶103和外部光照进行构建与调控。

⑷空气中CO₂的固定：

在阳光充足的条件下，蓝藻可利用自身结构进行光合作用实现空气中CO₂的捕集；温度、pH值、光照条件可借助除藻固碳体系、水凝胶和外部光照进行构建与调控。

⑸除藻固碳体系的移出和蓝藻的收集：

当蓝藻经生长、繁殖、衰老后，借助重力将饱和生成的除藻固碳体系从水中移出并收集成熟的蓝藻。

⑹再生除藻固碳体系：

将移除大量成熟蓝藻的除藻固碳体系进行重新组装后再次投入水体中，重复步骤⑴~⑸进行循环利用。

蓝藻可以为任一蓝藻属，具体可以是微囊藻、色球藻、胞藻、颤藻、念珠藻、丝囊藻、束毛藻和发菜等。

实施例1 一种除藻固碳体系：

使用直径180mm的外部空心大球100，内嵌直径136mm的空心小球200，两者顶部相连制成双层透明空心球。其中外部空心大球100上半部分设有四排直径7mm的孔，下半部分四周设置四排直径小于3mm的进水孔且内表面涂覆一层膨润土聚乙烯醇水凝胶；空心小球200离底端1/3处设有一圈直径4.5mm的孔，两球体间加入少量的水和微囊藻幼苗。

将10个双层透明空心球通过透明粗鱼线300连接成圆，构成群组。

实施例2 一种除藻固碳体系：

使用直径200mm的外部空心大球100，内嵌直径160mm的空心小球200，两者顶部相连制成双层透明空心球。其中外部空心大球100上半部分设有四排直径8mm的孔，下半部分四周设置四排直径小于3.5mm的进水孔且内表面涂覆一层石墨烯海藻酸钠水凝胶；空心小球200离底端1/2处设有一圈直径5mm的孔，孔上侧至距小球顶端1/3处可添加芽孢杆菌环糊精缓释材料，两球体间加入少量的水和束毛藻幼苗。

将15个双层透明空心球通过透明粗鱼线300连接成圆，构成群组。

需要说明的是，外部空心大球100的下半部分实心结构增加浮力且通过腔内水分来调节入水深度。

实施例3 一种除藻固碳体系

使用直径200mm的外部空心大球100，内嵌直径150mm的空心小球200，两者顶部相连制成双层透明空心球。其中外部空心大球100上半部分设有四排直径8mm的孔，下半部分四周设置四排直径小于3mm的进水孔且内表面涂覆一层氮化碳聚乙烯醇水凝胶；空心小球200离底端1/2处设有一圈直径4.8mm的孔，孔上侧至距小球顶端1/2处可添加溶藻菌聚乳酸缓释材料，两球体间加入少量的水和胞藻幼苗。

将20个双层透明空心球通过透明粗鱼线300连接成圆，构成群组。

实施例4 一种除藻固碳体系的除藻固碳方法，包括以下步骤：

⑴将实施例1中的除藻固碳体系投入水体中，使其漂浮于水面并置于湖泊的两侧岸边。

⑵固氮固磷的水凝胶103固定氮磷：

通过膨润土聚乙烯醇水凝胶富集外部湖水中的氮磷元素并吸引蓝藻。

⑶除藻固碳体系中微囊藻生长：

通过富集氮磷元素、温度为30℃、pH=8为的环境实现微囊藻的生长和繁殖。

⑷空气中CO₂的固定：

在阳光充足的条件下，微囊藻可利用自身结构进行光合作用实现空气中CO₂的捕集。

⑸除藻固碳体系的移出和微囊藻的收集：

微囊藻经18天的生长、繁殖和衰老后，借助重力将饱和生成的除藻固碳体系从湖水中移出，每个双层透明空心球可收集880 cm³的藻水，经藻水分离、蓝藻脱水处理后得到210 g左右成熟的微囊藻。

⑹再生除藻固碳体系：

将移除大量成熟微囊藻的除藻固碳体系进行重新组装后再次投入水体中，重复步骤⑴~⑸进行循环利用。

实施例5 一种除藻固碳体系的除藻固碳方法，包括以下步骤：

⑴将实施例2中的除藻固碳体系投入水体中，使其漂浮于水面并置于近海口。

⑵固氮固磷的水凝胶103固定氮磷：

通过石墨烯海藻酸钠水凝胶富集外部海水中的氮磷元素并吸引蓝藻。

⑶除藻固碳体系中束毛藻生长：

通过富集氮磷元素、温度为28℃、pH=7.8为的环境实现束毛藻的生长和繁殖。

⑷空气中CO₂的固定：

在阳光充足的条件下，束毛藻可利用自身结构进行光合作用实现空气中CO₂的捕集。

⑸除藻固碳体系的移出和束毛藻的收集：

束毛藻经15天的生长、繁殖和衰老后，借助重力将饱和生成的除藻固碳体系从海水中移出，每个双层透明空心球可收集1000 cm³的藻水，经藻水分离、蓝藻脱水处理后得到250 g左右成熟的束毛藻。

⑹再生除藻固碳体系：

将移除大量成熟束毛藻的除藻固碳体系进行重新组装后再次投入水体中，重复步骤⑴~⑸进行循环利用。

实施例6 一种除藻固碳体系的除藻固碳方法，包括以下步骤：

⑴将实施例3中的除藻固碳体系投入水体中，使其漂浮于水面并置于水域的两侧岸边。

⑵固氮固磷的水凝胶103固定氮磷：通过氮化碳聚乙烯醇水凝胶富集外部水域中的氮磷元素并吸引蓝藻。

⑶除藻固碳体系中胞藻生长：

通过富集氮磷元素、温度为25℃、pH=8.5为的环境实现胞藻的生长和繁殖。

⑷空气中CO₂的固定：

在阳光充足的条件下，胞藻可利用自身结构进行光合作用实现空气中CO₂的捕集。

⑸除藻固碳体系的移出和胞藻的收集：

胞藻经20天的生长、繁殖和衰老后，借助重力将饱和生成的除藻固碳体系从水域中移出，每个双层透明空心球可收集1200 cm³的藻水，经藻水分离、蓝藻脱水处理后得到290 g左右成熟的胞藻。

⑹再生除藻固碳体系：

将移除大量成熟胞藻的除藻固碳体系进行重新组装后再次投入水体中，重复步骤⑴~⑸进行循环利用。

需要说明的是，束毛藻为海水生的蓝藻，其余的微囊藻、色球藻、颤藻、胞藻、念珠藻、丝囊藻、束毛藻和发菜等为淡水生蓝藻。

双层透明空心球的移除周期与蓝藻属的生长周期相关，收集得到的蓝藻属可作为动物的饲料和农作物的肥料。

应该理解，这里讨论的实施例和实施方案只是为了说明，对熟悉该领域的人可以提出各种改进和变化，这些改进和变化将包括在本申请的精神实质和范围以及所附的权利要求范围内。

Claims

1.一种除藻固碳装置，其特征在于：该装置是由通过透明粗鱼线（300）连接在一起的数个双层透明空心球构成的浮体，双层透明空心球通过透明粗鱼线（300）连接成圆；所述双层透明空心球包括连接在一起的外部空心大球（100）和嵌入所述外部空心大球（100）内且与其顶部相切的空心小球（200）；所述外部空心大球（100）与所述空心小球（200）之间填充有水及蓝藻幼苗；所述外部空心大球（100）的上半部分设有直径为7~8mm的大孔（101），下半部分四周设置多排的直径小于3.5mm的进水孔（102）且内表面涂覆一层固氮固磷的水凝胶（103）；所述空心小球（200）的下半部分设有一圈直径为4~5mm的中孔（201）；所述空心小球（200）的上侧填充除藻缓释材料（202）。

2.如权利要求1所述的一种除藻固碳装置，其特征在于：所述固氮固磷的水凝胶（103）由固定氮磷的多孔材料和交联剂制成；所述多孔材料由经离子交换和高温改性的膨润土、沸石粉、活性炭、石墨烯、氮化碳、共价有机骨架材料中一种或几种组成；所述交联剂是指明胶、聚乙烯醇、丙烯酸、海藻酸钠中的任意一种。

3.如权利要求1所述的一种除藻固碳装置，其特征在于：所述除藻缓释材料（202）由微生物菌剂和生物可降解高分子材料制成；所述微生物菌剂由芽孢杆菌、乳酸菌、溶藻菌、纤维素降解菌中的一种或几种组成；所述生物可降解高分子材料是指黄原胶、聚乳酸、环糊精及其衍生物中的一种或几种。

4.如权利要求1所述的一种除藻固碳装置的除藻固碳方法，包括以下步骤：

⑴将数组除藻固碳装置投入水体中，使其漂浮于水面并置于两侧岸边；

⑵固氮固磷的水凝胶（103）固定氮磷；

⑶所述除藻固碳装置中蓝藻生长；

⑷空气中CO₂的固定；

⑸所述除藻固碳装置的移出和蓝藻的收集：

当蓝藻经生长、繁殖、衰老后，将饱和生成的所述除藻固碳装置从水中移出并收集成熟的蓝藻；

⑹再生所述除藻固碳装置：

将移除大量成熟蓝藻的所述除藻固碳装置进行重新组装后再次投入水体中，重复步骤⑴~⑸进行循环利用。

5.如权利要求4所述的一种除藻固碳装置的除藻固碳方法，其特征在于：所述步骤⑴中数组除藻固碳装置起始入水深度保持在4~5厘米。