改性植物單寧對銅綠微囊藻的去除效果與機理

於昌峰，顧扣泉，周 濤，孫家興，楊梓俊，侯 俊

(1.江蘇煤炭地質勘探三隊，江蘇 常州 213017；2.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；3.河海大學環境學院，江蘇 南京 210098)

藍藻水華在全球眾多國家和地區暴發，有害藍藻的大量繁殖會影響水體顏色、氣味，細胞破裂后釋放的藻毒素和蛋白質等藻類有機物還會對人體及水生動植物產生不利影響[1-5]。絮凝法是治理藍藻水華的重要應急手段[6-7]，然而，目前普遍使用的傳統絮凝材料均存在不同的優缺點：無機絮凝劑價格便宜，但鐵鹽類無機絮凝劑(如硫酸鐵、聚合硫酸鐵)儲存和稀釋穩定性差，容易產生氫氧化物沉淀，且殘留的鐵離子有一定的色度，影響水質；鋁鹽無機絮凝劑(如硫酸鋁、聚合氯化鋁)殘留的鋁元素會威脅人體健康[8-9]；黏土礦物類絮凝劑來源廣泛、綠色環保，可就地取材，但其投加量高、產生污泥過多[10]；人工合成高分子絮凝劑(如聚丙烯酰胺)絮凝效果好且性質穩定，但其難以生物降解，合成單體會對水生生物產生毒性作用，可能對生態系統會造成二次污染。而且，上述絮凝材料的絮凝處理效果容易受水體環境變化的影響，極大地限制了絮凝處理技術在藍藻水華治理中的推廣應用。

近些年，來源廣泛、成本低廉、可生物降解、無二次污染的高效天然絮凝劑越來越受到關注。植物單寧又名植物多酚，是植物體復雜酚類的次生代謝產物。自然界中植物單寧的儲量非常豐富，主要存在于植物的皮、根、葉和果肉中，是僅次于纖維素、木質素、半纖維素的第四大林副產品。由于植物單寧的等電點較低(pH值為2.0～3.0)，而藻細胞表面通常呈負電性，所以通常需要進行化學改性才能用于高藻濃度水體的處理。通過曼尼希反應將氨基引入到植物單寧的化學結構，可合成具有黃酮類結構的改性植物單寧(Tanfloc)。改性之后植物單寧的等電點明顯增加(pH值為7.0～8.0)，絮凝能力顯著提高，在生活污水、染料廢水和黑臭水體的處理中取得了很好的效果，表現出高效易處理、適用處理范圍廣、天然環保可降解、無毒無害無二次污染的特點。目前Tanfloc絮凝處理高藻濃度水體的相關研究較少，同時尚未見Tanfloc除藻機理的相關研究。本文選取一種常見的水華優勢藻種——銅綠微囊藻作為試驗藻種，探索Tanfloc絮凝去除銅綠微囊藻的效果，考察投加量、初始pH值和藻細胞密度對絮凝效果的影響，進一步結合絮凝前后藻液Zeta電位變化，闡明Tanfloc除藻機理。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

銅綠微囊藻FACHB-905購于中國科學院淡水藻種庫(武漢,中國)。在BG-11培養基中培養藻液，培養條件為：溫度設為(25±1) ℃，光照強度設為 2 000 lx，光照黑暗比為12 h∶12 h。培養12 d后，取處于對數期的藻細胞作為試驗用藻。

Tanfloc購于尚澄(北京)環保科技有限公司。試驗中向去離子水中溶解一定量Tanfloc并使用磁力攪拌器在200 rpm轉速下攪拌30 min得到1 g/L的Tanfloc儲備液。

1.2 絮凝試驗設計

取對數期藻液，將其在4 000 r/min下離心5 min后，棄去上清液，并用NaCl溶液再懸浮成一定濃度的藻懸液。絮凝試驗在六聯攪拌器(ZR4-6，深圳市中潤水工業技術發展有限公司，中國)中進行，向600 mL燒杯中加入500 mL藻懸液，絮凝試驗前用0.1 mol/L的NaOH和HCl調節pH值，在液面下2 cm處取上清液，使用浮游熒光儀(Heinz Walz GmbH,德國)測定初始葉綠素a的質量濃度。設定攪拌參數為:200 r/min快速攪拌1 min，加入不同投加量的Tanfloc，200 r/min快速攪拌1 min，50 r/min慢速攪拌20 min后，靜置并開始計時，于液面下2 cm處逐時(0 min、2 min、5 min、10 min、20 min、30 min、60 min)取樣，再利用浮游熒光儀測定葉綠素a的質量濃度。使用英國馬爾文儀器有限公司的Zetasizer Nano ZSP測定絮凝前后上清液的Zeta電位及水力學粒徑。藻細胞去除率計算方法[11-12]為

(1)

式中：RE為藻細胞去除率，%；ρ0為葉綠素a的初始質量濃度，μg/L；ρi為絮凝后不同時間上清液中葉綠素a的質量濃度，μg/L。

試驗過程中，用Tanfloc儲備液將投加量梯度設置為:0 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、30 mg/L、50 mg/L和100 mg/L。在初始pH值為8.0、藻細胞密度為 5.86×109個/L、藻細胞去除率達到90%時，需要的最低投加量為Tanfloc絮凝銅綠微囊藻的最佳投加量[13]。使用0.1 mol/L NaOH和HCl調節藻懸液的初始pH值，其變化范圍為5.0～10.0，在最佳投加量、藻細胞密度為5.86×109個/L的條件下，研究初始pH值對絮凝過程的影響。采獲對數期藻細胞并配成不同藻細胞密度的藻液，藻細胞密度梯度設置為0.81×109個/L、3.11×109個/L、4.87×109個/L、5.86×109個/L、7.70×109個/L、10.38×109個/L，在最佳投加量、初始pH值為8.0的條件下，研究藻細胞密度對絮凝過程的影響。

2 結果與分析

2.1 投加量的影響

圖1為不同投加量下藻細胞去除率隨沉降時間變化。可以看出，10 mg/L的投加量下，Tanfloc對藻細胞的去除率高達94%，這體現了Tanfloc的高效性，即在低投加量下就可獲得較好的去除效果。Barrado-Moreno等[14]考察了Tanfloc對銅綠微囊藻、蛋白核小球藻、四尾柵藻和卵胞藻的去除效果，結果表明10 mg/L的投加量下，Tanfloc對4種藻的去除率均高于90%。因此，使用10 mg/L作為初始投加量以開展后面的試驗。隨著投加量的增加(20 mg/L、30 mg/L、50 mg/L)，藻細胞去除率一直保持較高的水平，即均大于95%。這可能是由于適量正電性Tanfloc的投加可以有效中和藻細胞表面的負電荷，破壞藻細胞的分散穩定性，引起藻細胞團聚并形成含藻絮體，在重力作用下沉降。但當投加量進一步增加后(100 mg/L)，藻細胞去除率下降到63.84%，原因可能是過量投加后，不能被中和的正電性Tanfloc在藻液中積累，靜電排斥作用使藻液再穩定，影響了去除效果[15]。

圖1 不同投加量下藻細胞去除率隨沉降時間變化

2.2 初始pH值的影響

初始pH值是絮凝除藻過程的重要影響因素，圖2為不同初始pH值下藻細胞去除率的變化。可以看出，絮凝除藻過程明顯受初始pH值的影響，在酸性和中性條件下，Tanfloc對藻細胞均有很好的絮凝去除效果。在pH值為5.0時，藻細胞去除率為70.67%；pH值為7.0時，藻細胞去除率高達95.27%。在堿性條件下，絮凝效果有所不同，弱堿性條件下，Tanfloc表現出較好的絮凝效果，但在強堿性條件下，絮凝效果明顯下降。pH值為8.0時，藻細胞去除率為93.29%，而pH值增加到10.0時，去除率只有不到11%。這可能是由不同水體pH值引起Tanfloc表面電荷的差異所致。如圖3所示，Tanfloc的零電勢點在pH值為8.1左右，而在較寬的pH值范圍內，藻細胞表面都呈現負電性。因此，酸性和中性條件下，由于水體pH值低于零電勢點，此時Tanfloc的表面呈現正電性，Tanfloc可以在靜電引力的作用下大量結合負電性的藻細胞；而在強堿性條件下，水體pH值遠高于零電勢點，導致Tanfloc表面帶負電荷，由于靜電斥力，Tanfloc難以結合藻細胞，引起藻細胞去除率的下降。Wang等[16]研究了Q-TN對銅綠微囊藻的去除效果，結果發現pH值為6.0時，藻細胞去除率高達97%，而當pH值增加到9.0后，相同投加量下藻細胞去除率快速降到不足10%，分析pH值對Zeta電位的影響發現，pH值為6.0時，Q-TN的Zeta電位為+19.4 mV，而pH值為9.0時，Zeta電位變為負值。這與本研究的情況類似。

圖2 不同初始pH值下的藻細胞去除率

圖3 不同pH值下Tanfloc及銅綠微囊藻細胞的Zeta電位

本研究中，雖然水體pH值為9.0時略高于零電勢點，但藻細胞去除率仍高于90%，這可能是Tanfloc的分子量較高的原因。當水體pH值略高于零電勢時，Tanfloc表面負電荷的電荷量較小，Tanfloc與藻細胞間的排斥作用較小，同時由于Tanfloc是一種天然大分子絮凝劑，其可以通過架橋作用絮凝去除藻細胞。此時，架橋作用強于靜電排斥作用，可以抵消靜電斥力對絮凝過程的不利影響，所以在pH值為9.0時Tanfloc仍有較好的絮凝表現。太湖等天然湖泊水華暴發時的水體pH值為7.5～9.3[15]，可見，Tanfloc的高效除藻區間(pH值為5.0～9.0)能夠滿足實際湖泊的pH值使用要求，Tanfloc可以用于天然湖泊藍藻水華的應急處理。

2.3 藻細胞密度的影響

圖4為不同藻細胞密度下藻細胞去除率的變化情況。可以看出，在較低的藻細胞密度(0.81×109個/L)下，獲得了較低的藻細胞去除率(68%)。隨著藻細胞密度的增加，去除率先明顯增加隨后保持不變，當藻細胞密度小于4.87×109個/L，藻細胞去除率和藻細胞密度呈線性關系。當藻細胞密度為4.87×109個/L時，去除率超過了90%；進一步增加到10.38×109個/L時，去除率高達95%。原因可能是低藻細胞密度下，Tanfloc相對過量，進入水體后大量包覆在藻細胞表面，藻液在靜電斥力的作用下呈穩定狀態，導致此時去除率較低。隨著藻細胞密度的增加，更多的藻細胞可以去中和Tanfloc表面的正電荷，導致去除率的提高。進一步地，藻細胞數量相對較多時，架橋作用可以使Tanfloc結合更多數量的藻細胞，所以藻去除率沒有明顯下降。

圖4 不同藻細胞密度下的藻細胞去除率

Barrado-Moreno等[14]研究了藻細胞密度對Tanfloc絮凝去除卵胞藻、蛋白核小球藻、銅綠微囊藻和四尾柵藻的影響，結果表明卵胞藻細胞質量濃度由5 μg/L增加到60 μg/L時，其去除率也由20%左右明顯增加到接近80%；其他3種藻細胞質量濃度由3 μg/L增加到20 μg/L時，其去除率分別由50%、30%和30%增加到90%以上，藻細胞質量濃度進一步增加到80 μg/L，去除率保持不變。這一結論與本研究類似，因此，Tanfloc更適用于處理較高藻細胞密度的水體，而藍藻水華暴發時藻細胞密度大約為106～107個/L[17]，可以使用Tanfloc進行應急處理。

2.4 絮凝機理

研究表明pH值會影響絮凝除藻的機制，即在不同的pH值條件下，絮凝除藻的機理可能不同。為了研究Tanfloc絮凝除藻的主要作用方式，考察了不同pH值條件下藻細胞去除率和Zeta電位隨投加量的變化(圖5)。另外，由于Tanfloc的分子鏈也會影響絮凝除藻的表現和機制，同時研究了Tanfloc的流體動力學半徑隨pH值的變化(圖6)。

圖6 不同pH值條件下Tanfloc的流體力學半徑

由圖5可見，在pH值為5.5時，由于靜電排斥作用，正電性的Tanfloc的流體動力學半徑較大，導致Tanfloc分子鏈完全伸展。此時Tanfloc完全舒展的分子鏈和表面大量的正電荷都有助于藻細胞的去除[17]。可以看到，最佳投加量對應的Zeta電位正好接近零電勢點，而Tanfloc過量投加后Zeta電位發生反轉，這表明電中和是酸性水體中Tanfoc的主要除藻機制。絮凝過程中，在靜電作用下舒展的Tanfloc分子鏈與負電性藻細胞相互靠近，Tanfloc逐漸中和藻細胞的負電荷并附著在表面。當藻細胞表面被完全覆蓋后達到靜電平衡狀態，此時失穩的藻細胞發生聚集形成較大絮體沉降下來。在pH值為8.0時，此時pH值接近Tanfloc的零電勢點，Tanfloc分子鏈間幾乎沒有排斥作用，容易發生卷曲纏繞，導致流體動力學半徑下降。另外，此時Tanfloc殘留的正電荷驅使其向負電性藻細胞靠近，并黏附在藻細胞表面，最后Tanfloc在藻細胞表面不均勻附著，這導致藻細胞表面正電區和負電區共存，隨后不同藻細胞間的正負電區在靜電作用下相互靠近發生聚集沉降。進一步地，該條件下最佳投加量對應的Zeta電位略小于0，過量投加后發生反轉，表明靜電簇作用是此時絮凝除藻的主要機制。在pH值為9.5時，Tanfloc表面負電荷明顯增加，受排斥作用影響，Tanfloc分子鏈的流體動力學半徑增加，結構完全伸展。但是，此時Tanfloc和藻細胞的表面均為負電性，由于靜電排斥作用，藻細胞去除率略有下降，最佳投加量明顯增加。進一步地，最佳投加量對應的Zeta電位遠小于0，過量投加后并沒有發生反轉，這是由于水體中正電荷不足，但絮凝表現沒有明顯下降，這可以由架橋作用來解釋。水力攪拌驅使藻細胞通過范德華力和氫鍵吸附到Tanfloc分子鏈上，Tanfloc在藻細胞間起到架橋作用達到除藻的效果，而靜電排斥作用不足以抵消這種作用。但是由于Tanfloc的分子量有限，在架橋作用為主要絮凝機理的堿性水體中，除藻效果有所下降。

(a) pH值為5.5

Wang等[16]研究了胺甲基化和季銨鹽化兩種Tanfloc的絮凝除藻機制，結果表明，電中和作用不是唯一機理，架橋作用也發揮著重要作用，這與本研究結果類似。整體上看，當水體pH值較低時，Tanfloc表面的高正電性促使其與負電性藻細胞發生快速的電中和；隨著水體pH值的增加，Tanfloc表面的正電性有所下降，與藻細胞之間的靜電作用也有所減弱；當水體pH值進一步增加，超過Tanfloc的零電勢點后，靜電吸引變為靜電排斥，靜電作用反而阻礙絮凝的發生，此時架橋作用逐漸從次要作用變為主要作用。因此，絮凝過程是靜電作用與架橋作用共同影響的結果。

3 結 論

a.10 mg/L的低投加量下，Tanfloc即可獲得94%的高藻細胞去除率，隨著投加量的進一步增加，藻去除率反而略有下降。

b.Tanfloc在較寬的初始pH值范圍內均可高效除藻。在酸性條件下和弱堿性條件下(pH值不大于9.0)，Tanfloc可以高效絮凝去除銅綠微囊藻細胞，這使得Tanfloc適用于天然湖泊水華暴發時的水體處理(水體pH值為7.1～9.3)；而在強堿性條件下(pH值不小于10.0)，藻去除率明顯下降。

c.藻細胞密度會影響藻細胞去除效果。Tanfloc在高藻細胞密度(大于4.87×109個/L)下可以獲得更好的除藻效果。

d.pH值會影響絮凝除藻機理，pH值為5.5、8.0和9.5時，電中和、靜電簇和架橋作用分別是主要的絮凝除藻機制。