攪拌方式對絮凝除藻效果的影響

劉世昌,田小方,趙以軍,程 凱,許 敏,趙 進 (華中師范大學生命科學學院,湖北 武漢 430079)

攪拌方式對絮凝除藻效果的影響

劉世昌,田小方,趙以軍,程 凱,許 敏*,趙 進 (華中師范大學生命科學學院,湖北 武漢 430079)

以銅綠微囊藻為研究對象,測試了不同振蕩方式(回旋式與往復式),不同振蕩強度及不同藻細胞密度對絮凝劑絮凝沉降效果的影響,同時還研究了絮凝沉降發生后,藻細胞再懸浮的主要影響因素.結果表明,回旋式攪拌處理下產生的絮凝效果要明顯優于往復式振蕩,60r/min回旋式攪拌1min可以得到100%的去除率,而往復式攪拌可得到的最佳去除率僅為30.7%;且絮凝效果隨攪拌強度的增加有明顯提高;藻細胞密度越高,需要的攪拌強度也越大;絮凝沉降后的靜置時間越長,則越不容易發生再懸浮.

回旋式攪拌；往復式振蕩；絮凝；再懸浮現象；銅綠微囊藻

受農業徑流、畜禽廢棄物及生活污水的直接排放,大量富含營養鹽的污水直接進入到湖泊等水體中,造成湖泊和水庫出現不同程度的水體富營養化現象,其對水體的危害和影響的主要外表表現之一就是藍藻水華的周期性發生[1-3].各國研究人員針對這一問題做了大量的研究工作.從最早的化學殺藻法,到現在的利用微生物控藻的嘗試,人們始終沒有探索出一條行之有效的消滅藍藻水華的方法.

在眾多的除藻方法中,利用黏土礦物絮凝沉降除藻的方法,近年來都受到廣泛的關注[4-8].黏土礦物質來源廣泛,生態安全,價格低廉,使用方便.目前針對黏土礦物絮凝沉降除藻的研究主要集中在對其改性方面以及除藻機制方面.在對絮凝劑絮凝效果的研究過程中,多數研究選擇通過混凝實驗攪拌機(回旋式攪拌)完成[3,5,9-10].雖然該方式絮凝沉降除藻的效果很好,但在湖泊原位控藻工程中通常只是把絮凝劑直接噴灑在湖水的表面,并不會對湖水進行人工的攪拌處理,湖泊中出現的水文現象多是由于風力作用而產生的波浪(類似于往復振蕩的效果),而類似于回旋式攪拌處理所產生的渦旋式的水文現象較少出現.所以現有的采用在混凝實驗攪拌機所取得的成果是否適合于湖泊治理的實際需求值得進一步研究.此外,在關于藻細胞密度與絮凝效果之間關系的研究尚不多見,而有關中低密度藻類水華絮凝效果的研究更是空白.此外,藻細胞絮凝之后的再懸浮是影響絮凝沉降控藻工程效果的重要因素,而現今有一些關于絮凝之后再懸浮現象的研究,但并沒有對其影響因素得出具體結論.因此,本研究對不同處理方式(重點是采用往復式振蕩處理以模擬自然水體中的波浪)以及不同藻細胞密度對絮凝效果的影響進行了系統研究,并對絮凝后的再懸浮現象進行了初步的研究,并歸納了影響再懸浮的主要因素.

1 材料和方法

1.1 實驗材料

藻種:實驗所用銅綠微囊藻 DS購自中國科學院武漢水生生物研究所藻種保藏中心.培養條件:溫度為(25±1)℃,光照強度為 1000lx左右,培養基為BG-11.

黏土礦物:實驗所用高嶺土購自上海市納輝干燥試劑廠,聚合氯化鋁(PAC)購自天津市天力化學試劑有限公司,殼聚糖購自武漢遠城科技發展有限公司(脫乙酰度 90%).在絮凝實驗中,高嶺土的用量為1/5000,PAC為1/10000[11],在實驗之前利用單蒸水配好混勻.殼聚糖對高嶺土的改性方法參考文獻[12].

主要儀器:尼康 E600多功能生物顯微鏡,北京普析通用儀器有限責任公司生產的T6系列紫外/可見分光光度計,CHA-S型水平搖床(振幅為3cm),自制回旋式攪拌器(轉數范圍為10～80r/min,旋轉半徑為3cm).

1.2 實驗方法

1.2.1 不同回旋處理強度對絮凝劑絮凝效果的影響 移取 50mL對數生長期的銅綠微囊藻藻液(約2.0×107個細胞/mL)至50mL燒杯中,按比例加入已配好的絮凝劑溶液(PAC改性高嶺土和殼聚糖改性高嶺土),同時設空白對照樣品(原藻液).利用自制回旋式攪拌器進行攪拌,空白對照組也做同樣的攪拌處理,攪拌速度設置為:10, 30,60r/min,攪拌時間為 1min,然后靜置,分別在10,30,60,120min于液面下1cm取樣5mL,測定其中葉綠素a含量[12].另外設置一組空白對照,不加絮凝劑,也不做攪拌處理.以上各組各設3個平行. 1.2.2 不同往復振蕩強度對絮凝劑絮凝效果的影響 移取 50mL對數生長期的銅綠微囊藻液(約2.0×107cell/mL)至50mL燒杯中,按比例加入已配好的絮凝劑溶液(PAC改性高嶺土和殼聚糖改性高嶺土),同時設空白對照樣品(原藻液).利用往復式搖床進行振蕩處理,空白對照組也做同樣的振蕩處理,搖床速度設置為:60,120,160r/min,振蕩時間為 1min,然后靜置,分別在 10,30,60, 120min于液面下1cm取樣5mL,測定其中葉綠素a含量[12].另外設置一組空白對照,不加絮凝劑,也不做攪拌處理.以上各組各設3個平行.

1.2.3 往復式振蕩對絮凝后再懸浮的影響 移取 50mL對數生長期的銅綠微囊藻藻液(約2.0×107cell/mL)至 50mL燒杯中,分別加入 PAC改性高嶺土和殼聚糖改性高嶺土,利用自制回旋式攪拌器以40,60r/min攪拌1min,PAC改性高嶺土實驗組分別靜置 5,10min,殼聚糖改性高嶺土實驗組分別靜置 10,30min.待藻細胞全部沉降之后對其進行往復式振蕩處理,處理強度設置為40r/min,在振蕩過程中進行取樣,測定其中葉綠素a含量[12].

1.2.4 藻細胞密度對絮凝劑絮凝效果的影響 移取對數生長期的銅綠微囊藻藻液配制成藻細胞密度分別為:1.0×107個細胞/mL,1.5×107個細胞/mL, 2.5×107個細胞/mL的藻液.分別取50mL藻液至50mL燒杯中,加入絮凝劑(PAC改性高嶺土和殼聚糖改性高嶺土),利用自制回旋式攪拌器以20,40,60r/min攪拌1min,靜置15min后,分別在于液面下1cm處取樣1mL進行藻細胞計數.

2 結果和分析

2.1 處理強度及處理方式對絮凝效果的影響

由圖1a可見,以PAC改性高嶺土為絮凝劑的實驗中,隨著攪拌強度增大,各實驗組葉綠素a含量是在不斷降低的(P＜0.05),特別是當攪拌強度達到60r/min時,可以獲得接近100%的除藻效率,這一結果說明回旋攪拌的強度對除藻效果有重要影響;從靜置時間上看,除60r/min的試驗組外,各實驗組葉綠素 a含量隨靜置時間延長而下降的趨勢并不明顯,而60r/min的試驗組,超過97%的藻細胞在前10min即發生了沉降.

由圖1b可見,利用殼聚糖改性高嶺土進行實驗得到的結果與利用PAC改性高嶺土實驗中得到的結果基本上一致.隨著攪拌強度增大,各實驗組葉綠素a含量是在不斷降低的(P＜0.05),特別是當攪拌強度達到60r/min時,在10min內可以獲得接近 100%的除藻效率.但是兩次實驗的結果也是有些差異的,對比圖1a,和圖1b發現,在殼聚糖改性高嶺土的實驗中30r/min處理之后得到的絮凝效果要明顯優于PAC改性高嶺土實驗組中得到的結果.

圖1 PAC和殼聚糖改性高嶺土實驗組不同回旋攪拌強度下的葉綠素a的變化情況Fig.1 Changes of Chl-a concentration in the water column after flocculation via rotating stirring through PAC and chitosan modified clays

圖2a可見,以PAC改性高嶺土為絮凝劑,不同往復式振蕩強度下,實驗組的整體葉綠素 a含量要低于對照組,但各試驗組間無顯著差異(P＞0.05).隨靜置時間的延長,去除率有所增加,但至120min時的最高除藻效率不超過20%(表1).對比圖1a和圖2a可見,往復振蕩產生的絮凝效果與回旋攪拌的效果有非常大的差異.

由圖2b可見,以殼聚糖改性高嶺土為絮凝劑,不同往復式振蕩強度下實驗組的整體葉綠素 a含量要低于對照組,但各試驗組間無顯著差異(P＞0.05).這一結果與利用 PAC改性高嶺土為絮凝劑的實驗中得到的結果是一致的.

圖2 PAC和殼聚糖改性高嶺土實驗組不同往復振蕩強度下的葉綠素a的變化情況Fig.2 Changes of Chl-a concentration in the water column after flocculation via reciprocal stirring through PAC and chitosan modified clays

2.2 往復式振蕩對絮凝后再懸浮的影響

從圖3a中可以看出,在PAC改性高嶺土實驗組中,靜置了 5min之后再進行往復式振蕩處理,在處理5min之后,40r/min實驗組率先發生了再懸浮現象,至 10min時,60r/min實驗組也出現了再懸浮現象;而當靜置時間延長至10min時,再進行往復振蕩,則始終沒有發生再懸浮.這一現象說明影響絮狀物再懸浮現象的關鍵因素可能是沉降之后的靜置時間.

圖3 PAC和殼聚糖改性高嶺土實驗組往復式振蕩后的葉綠素a去除率Fig.3 Removal efficiency of Chl-a after reciprocal processing in flocculation experiment through PAC and chitosan modified clays

從圖3b中可以看出,在殼聚糖改性高嶺土實驗組中,在靜置了10min之后,兩個實驗組都是在30min內發生再懸浮現象;而在靜置時間延長至30min后,則始終沒有再發生再懸浮現象.這與利用PAC改性高嶺土作為絮凝劑的實驗得到的結果是一致的.再次說明再懸浮現象的發生與絮凝發生之后的靜置時間有關.

2.3 藻細胞密度對絮凝劑絮凝效果的影響

由表1可見,在以PAC改性高嶺土為絮凝劑,同等的攪拌強度下,隨著藻細胞密度的增加,產生的絮凝效果是不斷減弱的,如40r/min實驗組,中低密度藻液(＜1.5×107個細胞/mL)的藻細胞去除率已經達到100%,與此同時,高密度藻液(2.5× 107個細胞/mL)的藻細胞去除率還不足 45%;而在同等的藻細胞密度下,絮凝沉降效率會隨著攪拌強度的增加而提高,這與2.1的實驗結果是吻合的.

在以殼聚糖改性高嶺土為絮凝劑,同等的攪拌強度下,隨著藻細胞密度的增加,產生的絮凝效果是不斷減弱的,這也再次驗證了利用PAC改性高嶺土所做實驗到的結果.

表1 PAC和殼聚糖改性高嶺土實驗中回旋攪拌對不同細胞密度藻液的藻細胞去除率±標準差(%)Table 1 Removal efficiency of algal cell number through PAC and chitosan modified clays in the algal fluid of different cell concentration after rotating stirring±SD(%)

3 討論

絮凝除藻技術一直是除藻控藻方面研究的熱點,可是現在關于這方面的研究多集中在絮凝劑的改性或是絮凝機理方面.在進行絮凝劑的絮凝效果或是絮凝機理的研究過程中,多數選擇利用回旋攪拌的方式先進行處理[3,5,9-10],然后再靜置觀察絮凝的效果.本次實驗發現,回旋攪拌處理所產生的絮凝效果與模擬自然界水文情況的往復振蕩處理所產生的絮凝效果有巨大的差異.這一發現的意義至少有以下兩點:1、由于在實際的控藻工程中是很難在原位對自然水體進行回旋攪拌處理,而自然水體中的波浪具有與往復振蕩類似的特性,因此開展原位絮凝除藻工藝的研究過程中,選擇往復振蕩條件將具有更為明顯的現實意義;2、在異位的絮凝除藻工程中,進行適當的回旋攪拌處理將可以大幅度的提高絮凝除藻的效率.

絮凝沉降之后的再懸浮現象是制約絮凝除藻工藝應用的關鍵因素之一,而現在雖有一些研究人員對再懸浮現象進行了一些研究[14-16],但并未對其影響因素得到具體結論.本次實驗發現攪拌之后的靜置時長是影響再懸浮現象發生的因素之一.潘綱等[3]發現,殼聚糖改性黏土沉降除藻的基本原理是形成了網狀結構[3],而一個穩定的環境更加有利于更多的絮凝物結合在一起,形成更為穩固的網狀結構,重量和密度增加,從而不易發生再懸浮. 絮凝沉降除藻工程的作業應該盡量選擇在無風浪(或弱風浪)的水文條件下進行,而且這樣的水文條件在作業完成后應能保持一定時間,從而可以降低再懸浮現象發生的機率.

據報道在進行機械除藻的過程中,吸藻泵的除藻效果與藻細胞密度有直接而密切的聯系[13]:當發生水華藻類堆聚等高濃度藻類水華時,機械除藻的效率就高;而當水華藻類的密度低時,藻水混合物中水的比重增加,機械除藻效率則大幅度下降.本實驗發現,絮凝沉降除藻技術對中低濃度的藻類水華的沉降效果更好,需要的攪拌強度更低.這不但說明絮凝沉降控藻與機械除藻可以優勢互補,分別用于不同藻細胞密度的水華控制工程中;而且也說明將兩種技術相結合將有可能實現中低濃度藻類水華的高效去除,即先采用絮凝沉降工藝對中低密度的藻細胞進行沉降富集成高藻水,再采用機械除藻裝置高效去除高藻水.

4 結論

4.1 攪拌方式是絮凝劑最終絮凝效果的關鍵影響因素.當以60r/min回旋式攪拌處理1min之后,對于銅鋁微囊藻的去除率可以 100%,而利用往復式攪拌處理可以達到的最佳去處率僅為30.7%.

4.2 絮凝發生之后的靜置時長對再懸浮現象的發生具有影響作用.適當延長絮凝之后的靜置時間,可以降低再懸浮現象的發生機率.

4.3 藻細胞密度會影響到絮凝劑最終的絮凝效果.如果想要達到較好的絮凝效果,藻細胞密度越高的藻液所需的攪拌強度也越高.

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Effect of mixing process on flocculation and removal of algae.

LIU Shi-chang, TIAN Xiao-fang, ZHAO Yi-jun, CHENG Kai, XU Min*, ZHAO Jin (Department of Life Sciences, Huazhong Normal University, Wuhan 430079, China). China Environmental Science, 2012,32(9)：1688～1692

Effects of different mixing methods (rotating or reciprocating stirring), stirring intensity and cell concentration on flocculation and removal of Microsystis aeruginosa were studied. The results showed that effect of the flocculation and removal with rotary was better than reciprocating stirring, The removal rate of 100% was got after 60 r/min rotary stirring, but only 30.7% was got after reciprocating stirring, and the effect was improved with the increase of the stirring intensity. The higher density of the algae cells, the greater stirring intensity was needed, and the resuspension process was affected by the stirring intensity and the time of standing after flocculation.

rotating stirring；reciprocal stirring；flocculation；resuspension；Microsystis aeruginosa

2011-12-09

國家科技重大專項課題(2009ZX07105-001);武漢市科技計劃項目(200960223071)

* 責任作者, 講師, xumin12@sina.com

X524

A

1000-6923(2012)09-1688-05

劉世昌(1985-),男,河南平頂山人,華中師范大學生命科學學院碩士研究生,主要從事淡水湖泊富營養化控制相關研究.