喬俊蓮，董 磊，徐 冉，胡穎慧

（同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092）

藍(lán)藻水華已給我國國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展造成了巨大危害［1］.由于藍(lán)藻水華爆發(fā)的突發(fā)性和大規(guī)模性等特點(diǎn)，混凝沉淀除藻法依然是處理這一環(huán)境污染問題的最主要的方法之一［2］.因此，如何優(yōu)化混凝條件提高除藻效果并減少藥劑投加量是近年來研究的熱點(diǎn)［3］.

文獻(xiàn)表明藻形態(tài)、表面電荷、活性、細(xì)胞密度及胞外分泌物（EOM）等都是影響混凝效果的因素［4］.其中EOM的組成和濃度是影響混凝劑絕對(duì)需求和除藻效果的主要因素［5］.目前分析認(rèn)為胞外分泌物其主要成分是多糖、特定的酶和蛋白［6］.這些物質(zhì)在混凝過程中均表現(xiàn)為陰離子特性，它們與混凝劑或形成絡(luò)合物，或形成水合離子［7］，因此對(duì)陽離子絮凝劑具有強(qiáng)烈干擾作用，特別是分泌物中一種金屬酶，其對(duì)金屬離子有強(qiáng)吸附作用，所以當(dāng)水體中胞外分泌物含量很高時(shí)，混凝劑的作用即被大大削弱［8］.Tomoko Takaaraa等［9］通過將胞外分泌物（EOM）與胞內(nèi)分泌物（IOM）分別離心提純后，獨(dú)立研究兩者對(duì)混凝的不同影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)EOM與IOM均對(duì)混凝有干擾作用.然而，目前對(duì)EOM如何影響藻混凝機(jī)理的研究未有報(bào)道.

本文采用不同類型的混凝劑，包括無機(jī)低分子混凝劑（硫酸鋁、氯化鐵）、無機(jī)高分子混凝劑（聚鋁、聚鐵）、天然高分子混凝劑（粉煤灰改性殼聚糖）等進(jìn)行銅綠微囊藻混凝實(shí)驗(yàn)，分析了EOM對(duì)藻類混凝過程的影響，并通過可溶性有機(jī)碳（DOC）、Zeta電位和UV254的變化，探究了EOM對(duì)藻類混凝去除的影響機(jī)理，以期進(jìn)一步完善人們對(duì)EOM影響藻類混凝的認(rèn)識(shí).

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

總 碳 分 析 儀（TOCV-CPN，島 津），Zetasizer Nano Z 型Zeta電位分析儀（英國馬爾文），葉綠素?zé)晒鈨x（德國WALZ），UV-1800 紫外可見分光光度計(jì)，MY3000-6 智能型混凝試驗(yàn)攪拌儀，XSP-8C 三目生物顯微鏡，101a-1 型電熱干燥箱，TGL-16C 臺(tái)式離心機(jī)

1.2 藥劑與材料

聚氯化鋁（PAC）（市售，Al2O3，29%～32%，鹽基度，50%～85%）；硫酸鋁（分析純，上海美興化工有限公司）；聚硫酸鐵（全鐵含量22%，鹽基度，12.6%，淄博天水化工有限公司）；三氯化鐵（分析純，上海精化科技研究所）；殼聚糖（脫乙酰度＞90%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）；聚丙烯酰胺（陽離子Kingfloc 635，非離子Kingfloc 4150，陰離子Kingfloc 6180，上海美奈清工貿(mào)有限公司）；粉煤灰（鄭州某火力發(fā)電廠）；0.45μm 微孔濾膜.

藻種（銅綠微囊藻（Microcystisaeruginosa））購于中國科學(xué)院水生生物研究所國家淡水藻種庫（FACHB），編號(hào)為FACHB-469.接種好的水樣置于玻璃瓶中，在光照生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為25℃，光照強(qiáng)度為1 000lx，光暗比（L∶D）=12∶12.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 粉煤灰改性殼聚糖的制備

將定量粉煤灰與20.0mL 的濃鹽酸混合攪拌，在一定溫度下反應(yīng)2h.過濾得到活化后的粉煤灰濾液并定容至500 mL，在濾液中加入定量殼聚糖，使殼聚糖濃度為0.25g·L-1，混合1h后即得改性殼聚糖.

1.3.2 藻液預(yù)處理

（1）以培養(yǎng)箱中處于對(duì)數(shù)期原藻液用0.5%NaCl溶液稀釋到藻細(xì)胞數(shù)為3.48×106cells·mL-1進(jìn)行不同混凝劑的混凝實(shí)驗(yàn)，此濃度接近水華發(fā)生時(shí)藻濃度，吸光值OD680nm=0.150.

（2）分離除去EOM：原藻液12 000 r·min-1下離心5 min，棄去上清液，并用0.5%的NaCl溶液將離心管中富集的藻配置成與（1）中濃度一致的藻懸液，然后進(jìn)行不同混凝劑的混凝實(shí)驗(yàn).

對(duì)比（1），（2）分析EOM對(duì)混凝的影響.每次進(jìn)行混凝實(shí)驗(yàn)時(shí)藻懸液現(xiàn)用現(xiàn)配，避免放置時(shí)間過長藻細(xì)胞活性受到影響.

1.3.3 DOC的測定

將藻原液和絮凝后上清液分別經(jīng)過0.45μm 的濾膜過濾后，用總碳分析儀（TOCV-CPN，日本島津）直接測定水中DOC，以表征胞外分泌有機(jī)物（EOM）.

1.3.4 Zeta電位的測定

用Zeta電位分析儀（Zetasizer Nano Z，英國馬爾文）測定藻細(xì)胞表面的Zeta電位，比較隨條件變化藻細(xì)胞Zeta電位的變化情況.

1.3.5 絮凝效果的測定

600mL 燒杯中加入500mL 藻懸液，投加指定量的藥劑.250r· min-1快速攪拌2 min，30r·min-1慢速攪拌5 min.靜沉1h后，于液面下2cm處取上清液計(jì)藻數(shù)目.

2 結(jié)果與討論

2.1 EOM對(duì)無機(jī)混凝劑除藻的影響

分別使用PAC、硫酸鋁、聚鐵、氯化鐵4種無機(jī)混凝劑對(duì)原藻液（未移除EOM）和EOM移除后同樣濃度的藻懸液進(jìn)行混凝實(shí)驗(yàn).藻去除率及EOM變化結(jié)果如圖1a，1b所示.圖中實(shí)線代表藻的 “去除率”；虛線代表藻液“DOC”，即EOM的變化.藻液Zeta電位和UV254的變化如圖2a，2b所示，圖中實(shí)線代表 “Zeta電位”；虛線代表藻 “UV254”.

由圖1a可知，對(duì)于未移除EOM的藻液，4種混凝劑在投加量上都存在一個(gè)閾值.以PAC 為例，當(dāng)PAC投加20mg·L-1時(shí)，藻的去除率只有26%，但DOC已從開始的14.24 mg·L-1急劇下降至7.45 mg·L-1.增加投加量至40 mg·L-1時(shí)，DOC 緩慢下降至4.61 mg·L-1，藻去除率大幅上升到92%.

由圖1b可知，當(dāng)大部分EOM移除后，PAC投加10 mg·L-1時(shí)，去除率就可達(dá)到83.3%，繼續(xù)增加投加量，去除率增加不大，維持在90%左右.從絮體來看，移除EOM后藻液形成絮體速度快，但絮體松散細(xì)小，其形態(tài)和處于衰亡期藻混凝形成的絮體類似，靜沉速度也明顯比未移除EOM的藻液緩慢.

圖1 EOM對(duì)無機(jī)混凝劑除藻效果的影響Fig.1 Effect of EOMon algae removal by inorganic flocculant

因此EOM對(duì)絮凝除藻影響很大，在混凝初期EOM優(yōu)先與PAC 結(jié)合，消耗混凝劑減小有效投加量，當(dāng)EOM下降到一定濃度后，PAC 才吸附到藻表面發(fā)揮絮凝除藻的作用，同時(shí)前期與PAC 結(jié)合的EOM有利于絮凝后續(xù)過程中的網(wǎng)捕卷掃，使得藻絮體大而密實(shí)，短時(shí)間內(nèi)藻去除率也上升到90%以上.這與H Bernhardt等［10］的研究類似，即在條件合適時(shí)EOM起促凝作用.

硫酸鋁、聚鐵、氯化鐵的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似，對(duì)于未移除EOM的藻液，投加量的閾值分別出現(xiàn)在60，40，60 mg·L-1，進(jìn)一步加大混凝劑投加量后原藻液的去除率都可達(dá)到99%甚至100%，而EOM移除后的藻液中硫酸鋁、聚鐵、氯化鐵投加量只需10 mg·L-1，藻去除率就分別可以達(dá)到60%，94.3%，92%.但最高去除率均低于95%，其中硫酸鋁除藻效率最高僅75.3%.

從藻的表面電位及UV254變化來看，仍以PAC為例，由圖2a可知，對(duì)于原藻液混凝劑投加到閾值40 mg·L-1時(shí)，藻液zeta 電位才恰好由初始的-40.2 mV降到-12.7 mV，去除率達(dá)到92%.其他3種混凝劑的結(jié)果相似，即藻液的Zeta電位降到-12 mV左右時(shí)，去除率可達(dá)90%以上.同時(shí)發(fā)現(xiàn)無機(jī)高分子混凝劑PAC和聚鐵電中和的能力明顯優(yōu)于低分子藥劑硫酸鋁和氯化鐵.

由圖2b可知，移除EOM后藻液電位初始值在-15～-17 mV，相比原藻液急劇下降，PAC投加10 mg·L-1，藻電位就可以降到-10～-12 mV，進(jìn)一步印證了混凝劑優(yōu)先和EOM結(jié)合，之后再通過電性吸附等作用結(jié)合到藻細(xì)胞的表面，降低藻表面電位［11］，減弱了藻細(xì)胞間靜電排斥作用［12］，破壞了藻液的穩(wěn)定性，進(jìn)而發(fā)揮網(wǎng)捕架橋作用絮凝去除藻細(xì)胞.

圖2 EOM對(duì)無機(jī)混凝劑除藻Zeta電位及UV254的影響Fig.2 Effect of EOMfor Zeta and UV254on algae removal by inorganic flocculant

UV254的變化趨勢(shì)和DOC 一致，原藻液中PAC、硫酸鋁、聚鐵、氯化鐵投加量到閾值時(shí)UV254的去除分別為64.37%，51.35%，54.17%，60.26%，即當(dāng)UV254下降到50%以上時(shí)，混凝劑除藻的效果才得以顯現(xiàn).而EOM移除后的藻液中UV254去除率達(dá)99%左右，進(jìn)一步證明了離心去除EOM的有效性.

2.2 EOM對(duì)粉煤灰改性殼聚糖除藻的影響

本實(shí)驗(yàn)中所用殼聚糖經(jīng)粉煤灰改性后有效地利用了殼聚糖的架橋作用和粉煤灰濾液中的Al，F(xiàn)e成分.混凝劑集電中和、吸附架橋、網(wǎng)捕卷掃等多種作用于一身，與其他混凝劑相比優(yōu)勢(shì)明顯，投加量小，絮凝除藻效率高.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3，圖4所示.圖中實(shí)線代表藻的“去除率”；虛線代表藻液“DOC”，即EOM的變化.

圖3 EOM對(duì)改性殼聚糖除藻效果的影響Fig.3 Effect of EOMon algae removal by modified chitosan

圖4 EOM對(duì)改性殼聚糖除藻Zeta電位的影響Fig.4 Effect of EOMfor Zeta on algae removal by modified chitosan

由圖3 可知，隨著改性殼聚糖投加量的增加，DOC值急劇下降，當(dāng)改性殼聚糖投加0.2mg·L-1時(shí)，DOC已由初始的13.3mg·L-1下降至5.1mg·L-1，但藻的去除率卻不到20%，繼續(xù)增加殼聚糖投加量，藻的去除率才開始大幅上升，到90%左右之后趨于平緩，DOC則基本穩(wěn)定不變，而EOM移除后的藻液，只需投加0.05 mg·L-1的改性殼聚糖除藻率就可以達(dá)到76.7%，投加0.1 mg·L-1時(shí)即達(dá)到除藻上限在85%左右.

從藻的表面電位變化看，如圖4，原藻液中當(dāng)殼聚糖投加量大于0.2 mg·L-1時(shí)藻表面電位才開始由-40.6 mV下降到-14.7 mV，此時(shí)對(duì)應(yīng)的藻去除率也開始上升到90%以上，而EOM移除后的藻液中藻細(xì)胞Zeta電位下降至-16.3 mV，進(jìn)一步證實(shí)了EOM是陰離子聚電解質(zhì)，使藻細(xì)胞成電負(fù)性，影響了藻體的絮凝.

2.3 不同濃度EOM對(duì)藻類混凝的影響

配置OD680=0.05，0.15，0.25，0.35 四種濃度的藻液進(jìn)行各混凝劑的混凝實(shí)驗(yàn)，考察在藻、EOM濃度梯度下實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5.

圖5 不同濃度EOM對(duì)藻類混凝的影響Fig.5 Influence of EOMconcentration on coagulation

PAC、硫酸鋁、聚鐵、氯化鐵、改性殼聚糖都采用OD680=0.15時(shí)的最佳投加量，即分別投加40，80，60，70，40，0.3mg·L-1，由圖5可知，不同混凝劑的絮凝結(jié)果呈現(xiàn)相近的趨勢(shì)：低濃度藻液混凝效果明顯好于高濃度藻液，高藻水的處理需要更高的藥劑投加量.這與周榮等［13］的研究結(jié)果一致.

3 結(jié)論

分別使用無機(jī)混凝劑、合成高分子混凝劑，改性天然高分子混凝劑進(jìn)行混凝實(shí)驗(yàn)，考察藻類胞外分泌物（EOM）對(duì)不同類型混凝劑除藻的影響，得到以下結(jié)論：

（1）EOM影響混凝具有利弊雙重作用，具體表現(xiàn)在混凝前期優(yōu)先結(jié)合混凝劑減小了有效投加量并阻礙了電中和作用，當(dāng)適宜質(zhì)量濃度的EOM（3～5 mg·L-1）下，前期與混凝劑結(jié)合的EOM有利于絮凝過程中的網(wǎng)捕卷掃作用，起到了很好的助凝效果，所以合理利用EOM將成為提高混凝效果，節(jié)省資金的關(guān)鍵.

（2）不同特性混凝劑的除藻效果存在差別，混凝除藻要達(dá)到很好的效果最好結(jié)合混凝劑的電中和、吸附架橋、網(wǎng)捕卷掃等多種作用，無機(jī)高分子混凝劑PAC 和聚鐵電中和的能力明顯優(yōu)于低分子藥劑硫酸鋁和氯化鐵.改性殼聚糖相比其他藥劑，投加量少，有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，是混凝除藻比較理想的藥劑.

（3）低濃度EOM宏觀上對(duì)混凝有促進(jìn)作用，高濃度干擾混凝.因此在實(shí)際運(yùn)用中，低的藥劑投加量不適合高濃藻的處理，增加藥劑投加量有助于緩解EOM對(duì)混凝的干擾，使高濃藻水質(zhì)改善.

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