王若兮
摘 要:以湖泊富營養(yǎng)化典型微生物種銅綠微囊藻為研究對象,選擇生態(tài)安全環(huán)保絮凝材料,通過絮凝實(shí)驗(yàn)探索黏土除藻機(jī)制,研究在淡水湖泊中提高黏土除藻效率方法。比較單一材料及其不同組合除藻效率與最佳配比,揭示并分析絮凝除藻材料之間內(nèi)在協(xié)同作用。研究表明殼聚糖與聚合氯化鋁均可提高黏土除藻效率,但不能達(dá)到理想除藻效果,研究發(fā)現(xiàn)通過殼聚糖和聚合氯化鋁復(fù)合改性黏土除藻,除藻效率大幅度提高,且有效降低殼聚糖和聚合氯化鋁用量。
關(guān)鍵詞:殼聚糖;聚合氯化鋁;改性黏土;除藻效率
中圖分類號:X173 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1671-2064(2020)06-0007-02
0引言
在全球范圍內(nèi)水體富營養(yǎng)化是一種普遍存在的環(huán)境問題。水體富營養(yǎng)化引起的藻華在近海海水和淡水湖泊中頻繁發(fā)生,對水質(zhì)安全、人類健康、生態(tài)平衡、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會穩(wěn)定造成很大負(fù)面影響,以致成為世界性公害(靳曉光,2018)[1]。
由于天然黏土絮凝除藻具有原材料來源豐富、無毒無污染、成本低且投加方便等優(yōu)點(diǎn),近年來,國內(nèi)外研究人員對黏土治理藻華從實(shí)驗(yàn)室到養(yǎng)殖場等天然海域均做了大量實(shí)驗(yàn)研究。但黏土種類、成分差異大,導(dǎo)致黏土除藻性能差異也大。目前,黏土除藻技術(shù)主要局限在海水體系研究和局部應(yīng)急處理(孫永軍,2017)[2]。淡水資源與人們?nèi)粘I钕⑾⑾嚓P(guān)。黏土除藻技術(shù)應(yīng)用于淡水湖泊清除藻華時,其不足之處有:黏土投加量大,黏土原土除藻性能差,除藻機(jī)理還有待探索。為了提高黏土絮凝除藻效率及減少黏土用量,相關(guān)研究采用改性劑對黏土進(jìn)行改性。
殼聚糖(CTS)是一種有機(jī)高分子絮凝材料,天然無毒,對人體無任何損害,且來源豐富,短時間內(nèi)可降解,不會造成環(huán)境污染,相關(guān)研究采用殼聚糖對各種不同種類特定黏土進(jìn)行改性(谷娜,2015)[3]。但殼聚糖溶解度小,影響了殼聚糖改性黏土絮凝除藻性能。聚合氯化鋁(PAC)是一種無機(jī)高分子絮凝材料,廣泛應(yīng)用于水處理,但大量使用會導(dǎo)致水中殘余鋁增加。聚合氯化鋁與殼聚糖在制藥、煉油、重金屬、印染、糖漿廢水及城市生活污水處理等方面已有相關(guān)報道(張文藝,2012)[4]。但將聚合氯化鋁與殼聚糖復(fù)合改性黏土治理有害藻華未見報道。
本研究選擇生態(tài)安全環(huán)保絮凝材料殼聚糖、聚合氯化鋁和黏土,以湖泊富營養(yǎng)化典型微生物種銅綠微囊藻為研究對象,在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,研究絮凝除藻效率及影響因素,并深入探索快速除藻機(jī)制。
1實(shí)驗(yàn)部分
1.1儀器與試劑
實(shí)驗(yàn)儀器:AXIOSKOP 2 MOT PIUS生物顯微鏡,德國卡爾蔡司公司;ZR4-6六聯(lián)混凝實(shí)驗(yàn)攪拌機(jī),深圳市中潤水工業(yè)技術(shù)發(fā)展有限公司;LRH-250-G生物光照培養(yǎng)箱,廣東醫(yī)療器械有限公司;DZFDZFDZF-6020真空干燥箱,上海一恒科學(xué)儀器有限公司;ACO-318增氧氣泵,中國海利公司。
實(shí)驗(yàn)試劑:銅綠微囊藻購于中國科學(xué)院淡水藻庫,編號為FACHB-469。黏土顆粒取自江蘇無錫市太湖北岸邊土(<90μm)。殼聚糖(CTS)購自青島云宙生物工程有限公司。聚合氯化鋁(PAC)購自于天津大崗有限公司。其他試劑有BG-11培養(yǎng)基、冰醋酸、氫氧化鈉、鹽酸、去離子水等。
1.2實(shí)驗(yàn)方法
1.2.1銅綠微囊藻培養(yǎng)
銅綠微囊藻的培養(yǎng)用BG-11培養(yǎng)基?;旌吓囵B(yǎng)液在121℃下滅菌20min,冷卻至室溫,用0.5mol·L-1 NaOH和0.5mol·L-1 HCL調(diào)節(jié)pH為8.0-8.5。將銅綠微囊藻接種于2L培養(yǎng)液中,置于生物光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。光照強(qiáng)度設(shè)置為2000-3000lx,溫度設(shè)定為(25±1)℃,光暗比(L∶D)為12h∶12h。在培養(yǎng)期間使用氣泵進(jìn)行曝氣。
1.2.2配置儲備液
取10g黏土溶于1L去離子水,將黏土顆粒配制成10g·L-1懸濁液,經(jīng)磁力攪拌下混勻。取1g殼聚糖溶于0.5%的醋酸溶液中,加去離子水到1L,配置成1g·L-1的溶液備用。取1g聚合氯化鋁溶于1L去離子水,配置成1g·L-1的溶液備用。取銅綠微囊藻溶液,配置成一定濃度的藻溶液,使接近于藻華爆發(fā)時水體中的藻濃度。
1.2.3絮凝實(shí)驗(yàn)方法
在六聯(lián)攪拌器上進(jìn)行絮凝攪拌。加入定量改性黏土溶液以后,開啟攪拌程序。所有的絮凝實(shí)驗(yàn)黏土的用量固定在100mg·L-1(靳曉光,2018)[1]。攪拌程序設(shè)置為快速攪拌(300r·min-1)1min,中速攪拌(120r·min-1)2min,慢速攪拌(40r·min-1)10min。絮凝試驗(yàn)在室溫下(25℃)進(jìn)行,所有藻溶液pH調(diào)節(jié)為8.6±0.2。絮凝試驗(yàn)結(jié)束以后保持燒杯靜置,于液面2cm下小心吸取溶液進(jìn)行藻濃度檢測。藻濃度檢測方法采用血球板計數(shù)法,具體操作如下:取水樣根據(jù)濃度適度稀釋,取稀釋后藻液在電動顯微鏡下計數(shù),每個樣品計數(shù)3次,取平均值。所有的絮凝實(shí)驗(yàn)平行進(jìn)行三次。藻去除率的計算公式如下:
藻去除率=(初始藻細(xì)胞濃度-絮凝后藻細(xì)胞濃度)÷初始藻細(xì)胞濃度×100%
1.3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
1.3.1單一材料除藻試驗(yàn)
試驗(yàn)CTS、PAC、黏土的除藻效果。向4個燒杯中各加入100mL藻液,分別加入10mL CTS、PAC、黏土溶液進(jìn)行絮凝試驗(yàn),還有一個燒杯加入去離子水作對照。然后把這4個燒杯放進(jìn)混凝實(shí)驗(yàn)攪拌機(jī)攪拌進(jìn)行絮凝實(shí)驗(yàn)。通過血球板計數(shù)法測定藻細(xì)胞的濃度,并以去除率來衡量去除效果。
1.3.2兩種材料混合除藻試驗(yàn)
試驗(yàn)CTS、黏土混合除藻效果。向4個燒杯中各加入100mL藻液,向其中3個燒杯中分別加入10mL(100mg·L-1)黏土溶液,按(CTS∶黏土)1∶20、1∶10、1∶5的配比分別加入0.5mL、1mL、2mL CTS溶液進(jìn)行絮凝試驗(yàn)(固定黏土,改變CTS)。還有一個燒杯加去離子水作對照。
試驗(yàn)PAC、黏土混合除藻效果。向4個燒杯中各加入100mL藻液,向其中一個燒杯加入去離子水作對照,向其他3個燒杯分別加入10mL黏土溶液,然后再按(PAC∶黏土)為1∶2、4∶5、1∶1的配比分別加入5mL、8mL、10mL的PAC溶液進(jìn)行絮凝試驗(yàn)。
1.3.3三種材料混合除藻實(shí)驗(yàn)
用100mL藻液為研究對象,試驗(yàn)CTS、PAC、黏土的混合除藻效果并確定三者之間最佳配比。向5個燒杯中各加入100mL藻液,向其中一個燒杯加入去離子水作對照,向其他4個燒杯中分別加入10mL黏土溶液和1mL CTS溶液,然后再按(CTS∶PAC)為2∶1、1∶1、1∶2、1∶5的配比分別加入0.5mL、1mL、2mL、5mL PAC溶液進(jìn)行絮凝試驗(yàn)。
向4個燒杯中各加入100mL藻液,向其中一個燒杯加去離子水作對照,向其他3個燒瓶中分別加入10mL黏土溶液和4mL PAC溶液,然后再按(CTS∶PAC)1∶8、1∶4、1∶2的配比分別加入0.5mL、1mL、2mL的CTS溶液進(jìn)行絮凝試驗(yàn)。
2結(jié)果與討論
2.1單一材料除藻效率分析
如圖1所示,用10mL的黏土、CTS、PAC進(jìn)行藻絮凝實(shí)驗(yàn),藻去除率分別為47.5%、50.8%、62.7%。絮凝實(shí)驗(yàn)中可以觀察到加CTS的藻水有一些沉淀物,加PAC的藻水有一些懸浮物,加黏土的藻水和加去離子水的藻水變化不明顯。三種絮凝材料中,黏土不只是起沉降作用,本身具有一定的絮凝去除作用,但單獨(dú)使用黏土除藻效果差;CTS具有比一般黏土更好的絮凝除藻效果;三者之中PAC絮凝除藻能力最強(qiáng)。結(jié)果表明,單一使用黏土?xí)r,用量在100mg·L-1時無法有效除藻。
2.2兩種材料除藻效率分析
如圖2左示,固定黏土用量100mg·L-1,改變CTS用量,發(fā)現(xiàn)CTS為2mg·L-1時,除藻效果最好,藻去除率為74.5%,絮體松散分布在燒杯底。如果進(jìn)一步增大CTS用量,可能會提高藻去除率,但會大大增加CTS成本。結(jié)果表明:用量100mg·L-1普通黏土在2mg·L-1 CTS助凝作用下,可顯著提高黏土除藻效率,但達(dá)不到理想絮凝效果。
如圖2右示,固定黏土用量100mg·L-1,改變PAC用量,發(fā)現(xiàn)PAC為10mg·L-1時,除藻效果最好,去除率為76.2%。如果進(jìn)一步增大PAC用量,可能會提高藻去除率,但過量PAC會使水中殘余鋁及其他重金屬含量增加,從而影響水質(zhì)。因此,用量100mg·L-1普通黏土在10mg·L-1? PAC助凝作用下,可顯著提高黏土的除藻效率,但達(dá)不到理想絮凝效果。
2.3三種材料除藻效率及最佳配比
如圖3左所示,固定黏土用量100mg·L-1,固定CTS用量為1mg·L-1,發(fā)現(xiàn)當(dāng)PAC用量為5mg·L-1時,復(fù)合改性后的黏土藻去除率達(dá)到93.2%(標(biāo)準(zhǔn)差為0.98%),此時絮團(tuán)緊致密集。結(jié)果表明,用CTS和PAC復(fù)合黏土除藻,除藻效率大幅度提高,且降低CTS、PAC用量。
如圖3右所示,固定黏土用量100mg·L-1,固定PAC用量為4mg·L-1,發(fā)現(xiàn)當(dāng)CTS用量為2mg·L-1時,除藻效果最好,水變得很清,絮體沉在杯底,去除率為91.5%。綜合考慮,復(fù)合改性黏土的最佳配比m(CTS)∶m(PAC)∶m(黏土)=1∶5∶100。
2.4除藻機(jī)理分析
帶負(fù)電荷的黏土顆粒與帶負(fù)電荷的藻細(xì)胞發(fā)生相互排斥,影響絮凝效果。在黏土中加入帶正電荷的CTS和PAC后,增強(qiáng)了黏土顆粒的正電荷密度,從而有利于電中和藻細(xì)胞作用。
CTS是一種天然有機(jī)高分子物質(zhì),CTS分子鏈上具有許多活性的基團(tuán),能夠吸附藻類細(xì)胞。CTS分子鏈越長,吸附的藻細(xì)胞越多,當(dāng)分子連接多個藻類細(xì)胞顆粒時,發(fā)生架橋網(wǎng)捕作用,就像蜘蛛網(wǎng)一樣,將藻細(xì)胞收集成大的絮團(tuán),共同沉入水底。另外,PAC是一種無機(jī)高分子物質(zhì),CTS與PAC之間可能存在一定相互作用,架橋網(wǎng)捕和電中和作用提高黏土絮凝除藻能力(鄒華,2007)[5]。
3結(jié)論
殼聚糖與聚合氯化鋁改性黏土對有害微藻具有較強(qiáng)快速去除能力。通過殼聚糖和聚合氯化鋁復(fù)合改性黏土除藻,除藻效率大幅度提高,黏土投加量100mg·L-1時,藻去除率可達(dá)93.2%以上,且降低殼聚糖和聚合氯化鋁用量。隨著殼聚糖和聚合氯化鋁用量增加,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)二者與黏土之間存在最佳配比為m(CTS)∶m(PAC)∶m(黏土)=1∶5∶100。殼聚糖和聚合氯化鋁改性黏土除藻,不是二者簡單復(fù)合,而是架橋網(wǎng)捕和電中和雙重協(xié)同作用,使黏土除藻效率大幅度提高,使來源廣泛的天然黏土成為高效安全價廉絮凝除藻材料。
參考文獻(xiàn)
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[5] 鄒華,潘綱,阮文權(quán).殼聚糖改性粘土絮凝除藻的機(jī)理探討[J]環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2007,30(5):8-13.