CN111547935B

CN111547935B - 池塘养殖海水微塑料净化方法

Info

Publication number: CN111547935B
Application number: CN202010294918.7A
Authority: CN
Inventors: 谭朋; 徐冬冬; 陈睿毅; 王立改
Original assignee: Zhejiang Marine Fisheries Research Institute
Current assignee: Zhejiang Marine Fisheries Research Institute
Priority date: 2020-04-15
Filing date: 2020-04-15
Publication date: 2021-07-13
Anticipated expiration: 2040-04-15
Also published as: CN111547935A

Abstract

本发明提供池塘养殖海水微塑料净化方法，属于环境污染研究技术领域，包括200‑300r/min快速搅拌养殖水体5‑6min，向水中投加铝盐混凝剂和对4‑羟基‑3‑甲氧基苄醇，100‑120r/min缓慢搅拌3‑5min，向水中投加微生物絮凝剂，继续缓慢搅拌6‑8min，静置20‑30min，固液分离，所用铝盐混凝剂为PAC。本发明提供的池塘养殖海水微塑料净化方法能够增加PAC与胶体颗粒的碰撞机率，提高电中和的效果，能够促进微生物絮凝剂分子链的舒展，加快絮体生长，增大絮体粒径，使得絮体结构更加密实，增强絮体强度，从而提高微塑料的净化效果。

Description

池塘养殖海水微塑料净化方法

技术领域

本发明属于环境污染研究技术领域，具体涉及池塘养殖海水微塑料净化方法。

背景技术

当前，人类社会已进入了“塑料时代”。大量塑料制品的生产与使用导致塑料垃圾大量进入环境，扩散于陆地、湖泊、海岸线、大洋表面、海底乃至深渊。塑料难以降解，可能会成为地球人类纪元中的重要标记物之一。在海洋环境中，塑料因其密度小、浮力大和持久性强的特点，已在全球广泛分布，约80％的海洋固体废物是塑料垃圾。目前，全球每年约有1亿多吨塑料垃圾埋进填埋场，另有约1.5亿吨进入陆地和海洋环境中。据报道，中国、印度尼西亚、菲律宾、越南和斯里兰卡等是全球塑料污染最为严重的地区，被认为是海洋塑料垃圾的重要来源地。到2050年，估计将有120亿吨塑料垃圾进入环境。

海洋中的微塑料除本身可被海洋生物直接摄食而造成的物理伤害如阻塞消化道等之外，塑料在制造时添加的诸如塑化剂、阻燃剂等物质，其内含双酚A、多溴联苯醚等内分泌干扰素、有机污染物，随着微塑料的风化过程缓慢释放，这些具有致癌性和内分泌干扰性的物质会对海洋生物的生存造成极大困扰与威胁。另外，微塑料相对表面积大，在本身释放毒性的同时又可以额外承载、吸附其他各类有害物质，其污染物的含量要明显高于环境水体的平均含量。大量研究表明，微塑料暴露能够直接对海洋生物产生危害作用。此外，微塑料还能够通过食物链传递作用对生物体造成伤害。吸附其他有毒污染物的塑料微粒可能对海洋生物的危害更大，这对海洋环境也造成了巨大的压力和挑战。微塑料体积小，可轻易被各级海洋生物主动、被动摄入体内，进而在食物链间广泛传播，造成难以估计的生态危害。因此，人类消费的海洋动物中的微塑料和大量海产品的存在引起了人们对于微塑料对人类健康的影响的担忧。

发明内容

本发明的目的在于提供池塘养殖海水微塑料净化方法，该方法能够增加PAC与胶体颗粒的碰撞机率，提高电中和的效果，能够促进微生物絮凝剂分子链的舒展，加快絮体生长，增大絮体粒径，使得絮体结构更加密实，增强絮体强度，从而提高微塑料的净化效果。

本发明为实现上述目的所采取的技术方案为：

提供一种养殖水体中微塑料的净化方法，具体包括以下步骤：

S1、200-300r/min快速搅拌养殖水体5-6min；

S2、向水中投加铝盐混凝剂和对4-羟基-3-甲氧基苄醇，100-120r/min缓慢搅拌3-5min；

S3、向水中投加微生物絮凝剂，继续缓慢搅拌6-8min，静置20-30min，固液分离；

上述步骤S2中铝盐混凝剂为PAC。投加铝盐混凝剂是通过铝盐混凝剂或者其水解产物在废水中产生压缩双电层、卷带网捕、电性中和以及吸附桥连对絮凝沉淀产生作用。微生物絮凝剂能使微塑料及水中其他悬浮物通过架桥吸附絮凝，通过机械、物理、化学的作用，对微塑料起黏合作用，微塑料不受水、无机盐、碱及多种酸的影响，化学稳定性好，通过搅拌过程黏连在絮凝体上，在絮凝体增到一定程度因重力作用沉淀下来，从而去除水中的大量微塑料。加入一定比例的4-羟基-3-甲氧基苄醇能够增加PAC与胶体颗粒的碰撞机率，提高电中和的效果，能够促进微生物絮凝剂的吸附架桥，促进体积较大且密实的絮体的形成，促进微塑料粘合和絮体沉降，进而提高絮凝率，提高对微塑料的净化效果。

优选地，上述PAC、4-羟基-3-甲氧基苄醇的投加质量之比为8-9:1。

优选地，上述微生物絮凝剂产自地衣芽孢杆菌。

优选地，上述微生物絮凝剂投加时还加入莱菔素。更为优选地，上述微生物絮凝剂与莱菔素的投加质量之比为6-7:1。微生物絮凝剂指由微生物自身产生的，具有高效絮凝需作用的天然高分子物质dhs-40粉末状絮凝活性产物含有大量的糖类、蛋白质和RNA。一定比例的莱菔素能够抑制微生物絮凝剂分子链的相互缠绕，有利于在已经脱稳的颗粒物之间形成架桥，加快絮体生长，增大絮体粒径，形成较大的絮体，使得絮体结构更加密实，增强絮体强度，促进微塑料粘合和絮体沉降，进而提高絮凝率，提高对微塑料的净化效果。

优选地，上述PAC与微生物絮凝剂的的投加质量之比为5-6:1-2。

优选地，上述微生物絮凝剂的制备方法包含：将地衣芽孢杆菌接种至液体培养基中扩大培养，离心收集菌体，菌体用10mM Tris.HCl(pH为8.0)溶液反复清洗后重新溶解，形成细胞悬液，超声破碎菌体后，离心去除沉淀，得细胞破碎产物；在0-2℃条件下，向细胞破碎产物中加入硫酸铵形成饱和溶液；静置2.5-3.5h后，离心收集沉淀，将沉淀溶于10mMTris.HCl(pH为8.0)缓冲液中，所得溶液即为絮凝活性产物；使用AKTAprimeplus系统配合hitrap desalting5ml×2脱盐柱对絮凝活性产物进行脱盐；将脱盐后的絮凝活性产物进行冷冻真空干燥，得微生物絮凝剂。

一种养殖水体中微塑料的去除方法在净化池塘养殖海水微塑料中的用途。

4-羟基-3-甲氧基苄醇在提高PAC的电中和作用中的用途。

本发明的有益效果为：

1)本发明通过将PAC与4-羟基-3-甲氧基苄醇按一定比例投加，能够增加PAC与胶体颗粒的碰撞机率，提高电中和的效果，能够促进微生物絮凝剂的吸附架桥，促进体积较大且密实的絮体的形成，促进微塑料粘合和絮体沉降，进而提高絮凝率，提高对微塑料的净化效果，同时能减少铝盐混凝剂的使用，绿色环保；

2)本发明通过将微生物絮凝剂与莱菔素按一定比例投加，能够抑制微生物絮凝剂分子链的相互缠绕，有利于在已经脱稳的颗粒物之间形成架桥，加快絮体生长，增大絮体粒径，形成较大的絮体，使得絮体结构更加密实，增强絮体强度，促进微塑料粘合和絮体沉降，进而提高絮凝率，提高对微塑料的净化效果。

附图说明

图1为本发明试验例1中zeta电位的测定结果；

图2为本发明试验例2中絮体生长速度的测定结果；

图3为本发明试验例2中絮体粒径大小的测定结果；

图4为本发明试验例2中絮体强度因数的测定结果；

图5为本发明试验例2中絮体分形维数的测定结果；

图6为本发明试验例3中絮凝率的测定结果；

图7为本发明试验例3中微塑料去除率的测定结果。

具体实施方式

除非另外说明，本文所提及的所有出版物、专利申请、专利和其他参考文献都以整体援引的方式并入本文中，如同将其全文进行阐述。

除非另外定义，本文所使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域普通技术人员通常所理解的相同含义。在相抵触的情况下，则以本说明书中的定义为准。

当以范围、优选范围或一系列上限优选值和下限优选值给出数量、浓度或其他数值或参数时，应理解其具体公开了由任何较大的范围限制或优选值和任何较小的范围限制或优选值的任何一对数值所形成的所有范围，而无论这些范围是否分别被公开。例如，当描述“1至5”的范围时，所描述的范围应解释为包括“1至4”、“1至3”、“1至2”、“1至2和4至5”、“1至3和5”等范围。除非另有说明，在本文描述数值范围之处，所述的范围意图包括范围端值和范围内的所有整数和分数。

另外，在本发明的要素或组分之前的词语“一”和“一种”意图表示对于该要素或组分的出现(即发生)次数没有限制性。因此，“一”或“一种”应理解为包括一种或至少一种，除非明确表示数量为单数，否则单数形式的所述要素或组分也包括复数的情况。

本发明的实施方式，包括在发明内容部分中所述本发明的实施方式以及本文下述的任何其他的实施方式，均可任意地进行组合。

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述：

实施例1：

1.一种微生物絮凝剂的制备方法，包括以下步骤：

所用菌株为海洋地衣芽孢杆菌DHS-40，所用培养基包括：

LB固体培养基：蛋白胨10.0g，酵母粉5.0g，NaCl 10.0g，琼脂粉1.5-2.0％，蒸馏水1000mL，pH值7.0，121℃高温蒸汽灭菌20min。

扩大培养基：大豆油0.49％，豆粕水解液5.0g/L，磷酸二氢钾0.2g/L，氯化钙溶液(7.5g/L)26μL/L，硫酸锰溶液(2.0g/L)260μL/L，硫酸亚铁溶液(2.0g/L)100μL/L。

将地衣芽孢杆菌接种至液体培养基中扩大培养，离心收集菌体，菌体用10mMTris.HCl(pH为8.0)溶液反复清洗后重新溶解，形成细胞悬液，超声破碎菌体后，离心去除沉淀，得细胞破碎产物；在0-2℃条件下，向细胞破碎产物中加入硫酸铵固体粉末，形成60％硫酸铵饱和溶液；静置2.5-3.5h后，离心收集沉淀，将沉淀溶于10mM Tris.HCl(pH为8.0)缓冲液中，所得溶液即为絮凝活性产物；使用AKTA primeplus系统配合hitrap desalting5ml×2脱盐柱对絮凝活性产物进行脱盐；将脱盐后的絮凝活性产物进行冷冻真空干燥，得微生物絮凝剂。

将DHS-40菌株接种至LB固体培养基上活化，35℃传代活化两次，挑取单菌落接种至LB液体培养基中35℃180r/min振荡培养72h，将培养物继续接种至1L扩大培养基中，35℃180r/min振荡培养48h，4℃10000r/min离心15min，收集菌体；菌体用10mM Tris.HCl(pH为8.0)溶液清洗3次后重新溶解，形成细胞悬液，然后在功率500W、每10s维持30min超声破碎菌体后，再4℃10000r/min离心15min，去除沉淀，得细胞破碎产物；在0℃下，向发酵上清液与细胞破碎产物中加入硫酸铵固体粉末，形成60％硫酸铵饱和溶液；静置3.5h后，4℃10000r/min离心15min，收集沉淀，将沉淀溶于10mM Tris.HCl(pH值为8.0)缓冲液中，所得溶液即为絮凝活性产物；使用AKTA primeplus系统配合hitrap desalting 5ml×2脱盐柱对絮凝活性产物进行脱盐，所用缓冲液为20mM Tris.HCl(pH值为8.0)，缓冲液流速为5mL/min。将脱盐后的絮凝活性产物进行冷冻真空干燥，得微生物絮凝剂。

2.一种养殖水体中微塑料的净化方法，具体包括以下步骤：

所用聚合氯化铝，化学纯，购置于天津市光复精细化工研究所；

2.1模拟微塑料污染的池塘养殖海水：取未受微塑料污染的养殖海水，加入将相同质量不同尺寸(尺寸范围包括0.10-0.25mm、0.25-0.50mm、0.5-5.0mm)的聚酰胺(PA)、聚丙烯(PP)、聚酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)的微塑料，所得溶液为微塑料浓度为0.18mg/L、浊度为116.4NTU、pH7.6、COD1000.7mg/L、氨氮844.7mg/L的模拟微塑料污染的池塘养殖海水。

2.2采用TA6-2型程控混凝试验搅拌机进行烧杯絮凝试验，向烧杯中加入1L配制好的模拟水样，分别用HCl和NaOH溶液调节水样pH为5.5、6、7、8、9，200r/min水力搅拌5min后，加入3mg PAC和对0.35mg 4-羟基-3-甲氧基苄醇，然后以120r/min搅拌3min，投加上述制备的1mg微生物絮凝剂，0.15mg莱菔素，继续以120r/min搅拌6min，静沉30min，固液分离。

实施例2：

进行絮凝时未加入莱菔素，其余部分和实施例1完全一致。

实施例3：

进行絮凝时未加入4-羟基-3-甲氧基苄醇，其余部分和实施例1完全一致。

实施例4：

进行絮凝时未加入4-羟基-3-甲氧基苄醇和莱菔素，其余部分和实施例1完全一致。

实施例5：

4-羟基-3-甲氧基苄醇的投加量为0.38mg，其余部分和实施例2完全一致。

实施例6：

4-羟基-3-甲氧基苄醇的投加量为0.3mg，其余部分和实施例2完全一致。

实施例7：

莱菔素的投加量为0.18mg，其余部分和实施例3完全一致。

实施例8：

莱菔素的投加量为0.13mg，其余部分和实施例3完全一致。

试验例1：

絮体zeta电位的测定：絮体的表面电荷采用Zetasizer 3000HSA型zeta电位测定仪进行测定。测定开始前，用去离子水清洗测试仪器至测试槽中无杂质，并用标准样品测试仪器的准确度，测试时，每次注入约10mL样品，每个样品自动测定5次，其平均值为最终zeta电位。Zeta电位的测定结果见图1。

由图1可以看出，实施例1、实施例2得到的絮体的zeta电位在不同pH条件下均明显大于实施例3、实施例4、实施例5、实施例6，且实施例5、实施例6得到的絮体的zeta电位与实施例3、实施例4相比无明显差别，这说明，PAC与4-羟基-3-甲氧基苄醇的投入质量比为8-9:1时，4-羟基-3-甲氧基苄醇能够增加PAC与胶体颗粒的碰撞机率，提高电中和的效果，4-羟基-3-甲氧基苄醇的投入质量大于或小于这个比例时均无明显作用。

试验例2：

絮凝特性研究：

通过Mastersizer 2000激光散射颗粒粒度分析仪来监测混凝处理过程中的絮凝行为(包括絮凝反应动力学、絮体尺寸、分形情况、絮体强度)。为实现在线监测，将混凝搅拌机、激光粒度仪及螺动粟用内径的桂胶软管连接起来。在蠕动泵的作用下，烧杯中混凝试验水样以1.5L/h的流速进入激光粒度仪，再经蠕动泵返回烧杯中。在计算机程序的控制下，实现激光粒度仪对该样品的连续测定(每两次测定的时间间隔为30s)，测定结果自动记录保存。

1.采用絮体生长速度及絮凝结束后的絮体粒径来描述絮体的形成过程。

絮体快速生长阶段的斜率代表了絮体的生长速度，计算公式如下：

Growth Rate＝Δsize/Δtime

絮体生长速度的测定结果见图2。絮体粒径大小的测定结果见图3。

2.絮凝结束后进行絮体强度的测定：絮凝结束后，增大转速至200r/min，搅拌1min，使絮体在强剪切力作用下破碎，这一过程中的絮体粒径变化情况由絮体粒径在线测定装置自动记录保存。

絮体强度由强度因数(S_f)来进行评价，定义如下：

S_f＝(d₁/d₂)×100

式中，d₁为絮体破碎前的粒径；d₂为絮体破碎后的粒径。在相同条件下，强度因数越大，表明絮体破损程度越小，即絮体的强度越大。

絮体强度因数的测定结果见图4。

3.采用小角激光散射法(SALLS)来测定絮凝结束后絮体的分形维数。实验原理及方法简述如下：在激光粒度仪内部，激光照射到样品中的絮体后发生光散射。光的散射角与絮体的粒径有关，散射后的光被处于不同角度的光接收器接收。对于每个光接收器，都有一个确定的散射矢量，散射矢量Q的定义式如下：

Q＝4лnsin(θ/2)/λ

式中，n为水的折射率，θ为散射角，λ为光的波长。

散射光强I是散射矢量Q的函数。二者存在如下关系：

I∝Q^-Df

式中，D_f为絮体的分形维数数值。

由散射光强I和散射矢量Q的关系式可知，以每个光接收器的散射矢量Q为横坐标，以光强为纵坐标在双对数坐标上作图，所得直线斜率的倒数即为絮体的分形维数。

絮体分形维数的测定结果见图5。

由图2、图3、图4、图5可以看出，在不同pH条件下，实施例1的絮体生长速度、絮体粒径、絮体强度因数、絮体分形维数均明显大于实施例2、实施例3、实施例4、实施例5、实施例6、实施例7、实施例8，实施例2的絮体生长速度、絮体粒径均、絮体强度因数、絮体分形维数明显大于实施例4、实施例5、实施例6，实施例4、实施例5、实施例6的絮体生长速度、絮体粒径、絮体强度因数、絮体分形维数无明显差异，这说明，PAC与4-羟基-3-甲氧基苄醇的投入质量比为8-9:1时，4-羟基-3-甲氧基苄醇能够提高电中和的效果，促进微生物絮凝剂的吸附架桥，促进体积较大且密实的絮体的形成，同时能减少铝盐混凝剂的使用，绿色环保，4-羟基-3-甲氧基苄醇的投入质量大于或小于这个比例时均无明显作用；实施例3的絮体生长速度、絮体粒径均、絮体强度因数、絮体分形维数明显大于实施例4、实施例7、实施例8，实施例4、实施例7、实施例8的絮体生长速度、絮体粒径、絮体强度因数、絮体分形维数无明显差异，这说明，微生物絮凝剂与莱菔素的投加质量比在6-7:1的范围内时，莱菔素能够抑制微生物絮凝剂分子链的相互缠绕，有利于在已经脱稳的颗粒物之间形成架桥，加快絮体生长，增大絮体粒径，形成较大的絮体，使得絮体结构更加密实，增强絮体强度，莱菔素的投入质量大于或小于这个比例时均无明显作用。

试验例3：

1.采用比浊法测定固液分离后溶液的浊度，计算絮凝率。

2.收集固液分离后的溶液，倒入按孔径大小(5、2、1、0.5、0.25、0.1mm)堆叠好的筛网中，用清水冲洗后再次倒入按孔径大小(5、2、1、0.5、0.25、0.1mm)堆叠好的筛网中，烘干后称量，计算微塑料去除率。

絮凝率的测定结果见图6。微塑料去除率的测定结果见图7。

由图6、图7可以看出，实施例1的絮凝率、微塑料的去除率均明显大于实施2、实施例3、实施例4、实施例5、实施例6、实施例7、实施例8，实施例2的絮凝率、微塑料的去除率均明显大于实施例4、实施例5、实施例6，实施例4、实施例5、实施例6的絮凝率、微塑料的去除率无明显差异，这说明，PAC与4-羟基-3-甲氧基苄醇的投入质量比为8-9:1时，4-羟基-3-甲氧基苄醇能够促进微塑料粘合和絮体沉降，进而提高絮凝率，提高对微塑料的净化效果，4-羟基-3-甲氧基苄醇的投入质量大于或小于这个比例时均无明显作用；实施例3的絮凝率、微塑料的去除率均明显大于实施例4、实施例7、实施例8，实施例4、实施例7、实施例8的絮凝率、微塑料的去除率无明显差异，这说明，微生物絮凝剂与莱菔素的投加质量比在6-7:1的范围内时，莱菔素能够促进微塑料粘合和絮体沉降，进而提高絮凝率，提高对微塑料的净化效果。

上述实施例中的常规技术为本领域技术人员所知晓的现有技术，故在此不再详细赘述。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此，所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims

1.一种养殖水体中微塑料的去除方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1、200-300r/min快速搅拌养殖水体5-6min；

所述步骤S2中所述铝盐混凝剂为PAC；所述微生物絮凝剂投加时还加入莱菔素。

2.根据权利要求1所述的去除方法，其特征在于：所述PAC、4-羟基-3-甲氧基苄醇的投加质量之比为8-9:1。

3.根据权利要求1所述的去除方法，其特征在于：所述微生物絮凝剂产自地衣芽孢杆菌。

4.根据权利要求2所述的去除方法，其特征在于：所述PAC与微生物絮凝剂的投加质量之比为5-6:1-2。

5. 根据权利要求3所述的去除方法，其特征在于：所述微生物絮凝剂的制备方法包含：将地衣芽孢杆菌接种至液体培养基中扩大培养，离心收集菌体，菌体用10mM pH为8.0的Tris.HCl溶液反复清洗后重新溶解，形成细胞悬液，超声破碎菌体后，离心去除沉淀，得细胞破碎产物；在0-2℃条件下，向细胞破碎产物中加入硫酸铵固体粉末，形成60%硫酸铵饱和浓度；静置2.5-3.5h后，离心收集沉淀，将沉淀溶于10mM pH为8.0的Tris.HCl缓冲液中，所得溶液即为絮凝活性产物；使用AKTA primeplus系统配合hitrap desalting 5ml×2脱盐柱对絮凝活性产物进行脱盐；将脱盐后的絮凝活性产物进行冷冻真空干燥，得微生物絮凝剂。

6.权利要求1-5任一项中所述的去除方法在净化池塘养殖海水微塑料中的用途。

7.4-羟基-3-甲氧基苄醇在提高PAC的电中和作用中的用途。