羧甲基殼聚糖絮凝除藻研究

魏燕芳,王　瓊

(1.華僑大學化工學院環(huán)境科學與工程系，福建 廈門 361021；2.華僑大學環(huán)境與資源技術研究所，福建 廈門 361021)

羧甲基殼聚糖絮凝除藻研究

魏燕芳1,王瓊2

(1.華僑大學化工學院環(huán)境科學與工程系，福建 廈門 361021；2.華僑大學環(huán)境與資源技術研究所，福建 廈門 361021)

摘要：利用羧甲基殼聚糖為絮凝劑，分別對蛋白核小球藻、水華微囊藻、斜生柵藻進行絮凝實驗。結(jié)果表明：羧甲基殼聚糖對小球藻最佳絮凝條件為：pH=6，藻濃度為9.0×106個/mL，靜置時間為15min，轉(zhuǎn)速為30rpm/min，羧甲基殼聚糖用量為100mg/L；對水華微囊藻最佳絮凝條件為：pH<4，藻濃度為5.1×105個/mL，靜置時間為15min，轉(zhuǎn)速為180rpm/min，羧甲基殼聚糖用量為125mg/L；對斜生柵藻最佳絮凝條件為：pH=6，藻濃度為12.4×106個/mL，靜置時間為15min，轉(zhuǎn)速為80rpm/min，羧甲基殼聚糖用量為100mg/L。

關鍵詞：羧甲基殼聚糖；小球藻；水華微囊藻；斜生柵藻；絮凝實驗

我國各類水體富營養(yǎng)化程度已經(jīng)相當嚴重，水體中藻類的大量繁殖給飲用水生產(chǎn)帶來諸多危害，去除水中藻類是給水工程中亟待解決的問題。人們研發(fā)各種殺藻、除藻劑用于藻類的處理，取得了一定的效果，但是殺藻劑有一定的殘留毒性，且隨著對藻毒素研究的深入，殺藻劑投加后藻毒素釋放到水體的弊端也顯現(xiàn)出來[1-5]。利用絮凝劑將藻類絮凝去除既方便，又可取得較好的效果，尤其是天然絮凝劑安全、無毒、不造成二次污染。天然絮凝劑中效果較好的是殼聚糖，對其絮凝除藻已有一定的研究[6-8]。殼聚糖只溶于酸性水溶液且易水解，且其絮凝物細小易碎，對固液分離不利。殼聚糖衍生物羧甲基殼聚糖作為新型的高分子絮凝劑，其絮凝速度遠快于殼聚糖，且絮凝物不易破碎。目前，對羧甲基殼聚糖絮凝特性的研究，比較多地集中在對染料廢水、水中重金屬離子的去除等方面[9-11]，關于將其應用于藻類的絮凝方面鮮有報道。本文通過在實驗室自制羧甲基殼聚糖，然后將其用于淡水水華中常見的幾種藻類(小球藻、水華微囊藻、斜生柵藻)的去除，初步探討了絮凝除藻的最佳條件。

1材料與方法

1.1實驗材料

實驗藻種。蛋白核小球藻(Chlorellapyrenoidosa)、斜生柵藻(Scenedesmusobliquus)、水華微囊藻(Microcystisflos-aquae)，購自中科院武漢水生生物研究所淡水藻種庫，分別采用SE培養(yǎng)基(小球藻)、BG培養(yǎng)基(斜生柵藻和水華微囊藻)在光照強度4000lx，光暗比為12∶12的條件下進行培養(yǎng)。

絮凝劑。羧甲基殼聚糖參考文獻[12]制備。

1.2實驗方法

1.2.1藻類生長曲線的測定[13-15]

在各自的培養(yǎng)基和培養(yǎng)條件下，連續(xù)培養(yǎng)16d。每天監(jiān)測藻液光密度、葉綠素a、對藻液進行計數(shù)，繪制生長曲線。

1.2.2標準曲線的繪制

藻個數(shù)與吸光度標線。將藻培養(yǎng)到對數(shù)生長期時離心收獲，用自來水配成系列OD680藻液，并分別用血球計數(shù)板對藻細胞計數(shù)，重復3次，取得均值，得到藻個數(shù)與吸光度的關系，并繪制標準曲線。

葉綠素與吸光度標線。將藻培養(yǎng)到對數(shù)生長期時離心收獲，用自來水配成系列OD680藻液，然后用0.45μm濾膜抽濾，按文獻[16]計算葉綠素含量，得到吸光度與葉綠素含量的關系，并繪制標準曲線。

1.2.3絮凝實驗及去除率的計算

采用燒杯試驗，在燒杯中加入一定量配制好的并已經(jīng)測量吸光度(A1)的藻懸液，加入所需量的絮凝劑羧甲基殼聚糖，用混凝攪拌器攪拌，在一定轉(zhuǎn)速下攪拌5min，靜置一定時間后，于液面下2cm處取樣測定吸光度A2。

對藻液絮凝后去除率的計算公式如下：

去除率=(A1-A2)/A1*100%

式中：A1-絮凝前藻液在相應波長下的吸光度值；A2-絮凝后藻液在相應波長下的吸光度值。

2結(jié)果與討論

2.1藻類的生長曲線

由圖1～圖3可以看出，在本實驗條件下，對蛋白核小球藻來說，前3天藻細胞增殖緩慢，為遲緩期；此后藻細胞以幾何級數(shù)增長，第12天達到最大值，這一階段為對數(shù)期；第12天以后，藻類繁殖速度趨于減慢，進入穩(wěn)定期。對水華微囊藻，前4天為遲緩期；此后藻細胞迅速增長，第14天達到最大值，這一階段為對數(shù)期；第14天以后進入穩(wěn)定期。斜生柵藻的遲緩期為前4天；對數(shù)期為第5天到第12天；此后進入穩(wěn)定期。

2.2藻個數(shù)及葉綠素與吸光度的標線

由圖4～圖6可以得出，每種藻的濃度與吸光度之間的線性關系較好，與文獻[15]的結(jié)論較為一致，因此在后面的實驗中可以用測得的吸光度大小表示藻濃度的大小。

由圖7～圖9可知，3種藻的葉綠素濃度與吸光度之間有較好的線性關系。在下面的實驗中我們可以通過測定藻液的吸光度得到藻液的葉綠素濃度。

2.3羧甲基殼聚糖對3種藻的絮凝作用

2.3.1靜置時間對絮凝的影響

由圖10可知，對這3種藻來說，經(jīng)過羧甲基殼聚糖絮凝后的最佳靜置時間都為15min，超過15min之后吸光度值變化幅度微弱。靜置時間為5min時，上清液羧甲基殼聚糖只有部分沉降，不易準確測定。從10min開始可以測量吸光度，15min之后，吸光度并未發(fā)生明顯變化，基本處于平緩趨勢。后面的實驗中靜置時間都定為15min。

2.3.2藻液初始濃度對絮凝的影響

由圖11可知，3種藻的去除率都隨著吸光度的增加及藻細胞個數(shù)的增加而提高，達到最大值后又隨著吸光度的增加而下降。這是因為，當藻細胞個數(shù)較少時，絮凝劑分子同藻細胞分子之間的碰撞幾率減小，所以去除率下降；而當吸光度上升，藻細胞濃度太大時，因絮凝劑的量不夠而影響絮凝效果，結(jié)果使去除率下降。對小球藻來說最佳去除率為當藻液吸光度為0.12(藻濃度為9.0×106個/mL)，斜生柵藻的最佳去除率為吸光度0.1(藻濃度為12.4×106個/mL)，水華微囊藻的最佳去除率為吸光度為0.1(藻濃度為5.1×105個/mL)。

2.3.3羧甲基殼聚糖的用量對絮凝的影響

通常情況下，絮凝效果會隨著絮凝劑的用量增加而增大。當絮凝劑的用量達到一定值時，出現(xiàn)最大值，此時進一步增加絮凝劑用量，絮凝效果基本不變，有時還會有所下降[17]。由圖12可知，在實驗條件下，羧甲基殼聚糖絮凝小球藻的最佳用量為100mg/L時，當絮凝劑用量進一步增大，去除率沒有明顯的改變。對斜生柵藻的最佳用量也100mg/L，當增加用量時去除率略有下降。對水華微囊藻，當羧甲基殼聚糖的用量為125mg/L時，去除率達到最大值，進一步增大用量，去除率下降。

2.3.4pH對絮凝的影響

pH對絮凝的影響是比較大的，pH值的改變不僅影響到絮凝劑的外表面電荷和絮凝體的形成，也影響到被絮凝物質(zhì)的外表面電荷和形態(tài)。當pH處于堿性時(>9)，羧甲基殼聚糖產(chǎn)生沉淀，且固液接觸面較為渾濁，因此本實驗討論pH變化范圍為1～9時對絮凝的影響。

由圖13可知，當pH發(fā)生變化時，3種藻絮凝的情況有顯著差異。綠藻門的小球藻和斜生柵藻去除率隨pH的變化規(guī)律基本一致。小球藻在pH 6～7的范圍內(nèi)處理效果好；斜生柵藻在pH為6的時候處理效果最好。羧甲基殼聚糖表面帶有大量氨基，在酸性弱酸性水體中主要以帶正電荷的氨根離子形式存在，而小球藻和斜生柵藻細胞在pH為6的弱酸性環(huán)境中表面帶負電荷，易與帶正電荷的絮凝劑進行碰撞而發(fā)生異電中和，從而發(fā)生網(wǎng)捕和凝聚。而當溶液呈現(xiàn)堿性、弱堿性時，羧甲基殼聚糖表面所帶氨根具有非離子或弱負電性，而且不會產(chǎn)生絮狀沉淀，從而影響其與藻細胞的碰撞凝聚和吸附電中和作用，致使絮凝效能降低。

從圖13中還可以看出，3種藻中水華微囊藻受到pH的影響最大。在pH<4的酸性條件下，去除率很高，幾乎接近100%，遠遠超過了小球藻和斜生柵藻的去除率，隨著pH的升高，去除率又迅速下降。造成這種現(xiàn)象的原因可能是因為相對于小球藻和斜生柵藻來說，水華微囊藻屬于藍藻門，細胞主要以群體形態(tài)存在，且胞外有膠被存在，在酸性環(huán)境中，膠被結(jié)構或電荷性質(zhì)發(fā)生改變和帶負電荷，更容易與羧甲基殼聚糖發(fā)生絮凝沉降；另一方面可能是因為酸性環(huán)境中，對微囊藻細胞存活不利，活性下降，容易聚集成團，因此更有利于發(fā)生絮凝沉淀。而隨著pH由酸性變?yōu)橹行灾疗珘A性的環(huán)境，更有利于微囊藻細胞存活[18]，胞被電荷轉(zhuǎn)為為中性，藻細胞活性增強，細胞彼此之間比較松散，密度下降而上浮不易發(fā)生絮凝沉淀，使去除率迅速下降。

2.3.5轉(zhuǎn)速對絮凝的影響

通過對轉(zhuǎn)速的調(diào)整，可以將聚合在一起的藻群體打碎，形成單一或幾個藻細胞聚合的狀態(tài)，并且破壞原有聚合狀態(tài)的穩(wěn)定，更有利于羧甲基殼聚糖與藻細胞通過靜電中和、架橋網(wǎng)捕等方式絮凝。

由實驗結(jié)果可知，小球藻最佳去除率在轉(zhuǎn)速為30rpm/min左右，總體轉(zhuǎn)速對小球藻沒有很大的影響。可能是因為小球藻為單細胞，藻細胞分布較均勻，而絮凝劑羧甲基殼聚糖易溶于水，當將其加入小球藻液中，能很快起作用。當轉(zhuǎn)速超過200rpm/min時，則使去除率下降。水華微囊藻的去除率隨著轉(zhuǎn)速的提高而增加，在轉(zhuǎn)速較低時，絮凝劑與藻細胞不能充分接觸，同時絮凝劑也分布不均勻，所以去除率較低；在轉(zhuǎn)速為180rpm/min時去除率達到最大值，而后轉(zhuǎn)速增大，易將大顆粒絮凝物攪碎，同時發(fā)生再懸浮，所以去除率下降。斜生柵藻的去除率隨著轉(zhuǎn)速增加而增大，當轉(zhuǎn)速達到80 rpm/min時，柵藻的去除率達到最大值，此后隨著轉(zhuǎn)速的增大，變化不大，略有下降。

3結(jié)論

(1)對3種藻來講，用羧甲基殼聚糖做為絮凝劑的最佳絮凝靜置時間都為15min，最佳絮凝初始藻濃度分別為：小球藻(9.0×106個/mL)、斜生柵藻(12.4×106個/mL)、水華微囊藻(5.1×105個/mL)；最佳絮凝劑用量為：小球藻和斜生柵藻都為100mg/L，水華微囊藻為125mg/L；最佳絮凝pH條件為：小球藻和斜生柵藻都為pH=6，水華微囊藻為pH<4；最佳轉(zhuǎn)速分別為：小球藻30rpm/min、斜生柵藻80rpm/min、水華微囊藻180rpm/min。

(2)羧甲基殼聚糖經(jīng)過水或者弱酸性溶液的溶解后，在其分子鏈上帶上了大量的正電荷，成為一種陽離子型混凝劑，使得經(jīng)羧甲基殼聚糖能通過粘結(jié)架橋作用以及壓縮雙電層作用絮凝藻細胞，同時由于其分子鏈上分布了大量的帶正電荷的氨基極易同帶負電荷的大部分藻細胞凝聚沉淀。羧甲基殼聚糖還可以通過對懸浮物起架橋網(wǎng)捕作用使其脫穩(wěn)而沉降。總之，對不同的藻類，羧甲基殼聚糖可以通過不同的絮凝機理，達到除藻的作用。

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Study on the Flocculation Removal of Algae by CarboxymethylChitosan

WEI Yan-fang1,WANG Qiong2

(1.Department of Environmental Science and Engineering, College of Chemical Engineering, Huaqiao University, Xiamen Fujian 361021,China)

Abstract：In this paper, carboxymethyl chitosan was used as flocculant to flocculate Chlorella pyrenoidosa, Microcystisflos-aquae and Scenedesmusobliquus to observe their best flocculation condition. The results showed that the optimal flocculation condition to Chlorella pyrenoidosa were as follows: pH was 6.Algae concentration was 9.0×106ind/ml.Resting time was 15min.Rotation rate was 30rpm/min.The dosage of carboxymethyl chitosan was 100mg/l. The optimum flocculation condition to Microcystisflos-aquae were as follows: pH was less than 4.Algae concentration was 5.1×105ind/ ml.Resting time was 15min.Rotation rate was 180rpm/min.The dosage of carboxymethyl chitosan was 125mg/l. The optimum flocculation condition to Scenedesmusobliquus were as follows: pH was 6.Algae concentration was 12.4×106ind/ ml.Resting time was 15min.Rotation rate was 80rpm/min.The dosage of carboxymethyl chitosan was100mg/l.

Key words：carboxymethyl chitosan; Chlorella pyrenoidosa;Microcystisflos-aquae; Scenedesmusobliquus;flocculation

收稿日期：2015-07-21

基金項目：福建省自然科學基金計劃資助項目(2014J01049)。

作者簡介：魏燕芳(1979-)，女，講師，主要從事環(huán)境污染治理研究工作。

中圖分類號：X703

文獻標志碼：A

文章編號：1673-9655(2016)04-0067-05