搅拌方式对絮凝除藻效果的影响

刘世昌,田小方,赵以军,程 凯,许 敏,赵 进 (华中师范大学生命科学学院,湖北 武汉 430079)

搅拌方式对絮凝除藻效果的影响

刘世昌,田小方,赵以军,程 凯,许 敏*,赵 进 (华中师范大学生命科学学院,湖北 武汉 430079)

以铜绿微囊藻为研究对象,测试了不同振荡方式(回旋式与往复式),不同振荡强度及不同藻细胞密度对絮凝剂絮凝沉降效果的影响,同时还研究了絮凝沉降发生后,藻细胞再悬浮的主要影响因素.结果表明,回旋式搅拌处理下产生的絮凝效果要明显优于往复式振荡,60r/min回旋式搅拌1min可以得到100%的去除率,而往复式搅拌可得到的最佳去除率仅为30.7%;且絮凝效果随搅拌强度的增加有明显提高;藻细胞密度越高,需要的搅拌强度也越大;絮凝沉降后的静置时间越长,则越不容易发生再悬浮.

回旋式搅拌；往复式振荡；絮凝；再悬浮现象；铜绿微囊藻

受农业径流、畜禽废弃物及生活污水的直接排放,大量富含营养盐的污水直接进入到湖泊等水体中,造成湖泊和水库出现不同程度的水体富营养化现象,其对水体的危害和影响的主要外表表现之一就是蓝藻水华的周期性发生[1-3].各国研究人员针对这一问题做了大量的研究工作.从最早的化学杀藻法,到现在的利用微生物控藻的尝试,人们始终没有探索出一条行之有效的消灭蓝藻水华的方法.

在众多的除藻方法中,利用黏土矿物絮凝沉降除藻的方法,近年来都受到广泛的关注[4-8].黏土矿物质来源广泛,生态安全,价格低廉,使用方便.目前针对黏土矿物絮凝沉降除藻的研究主要集中在对其改性方面以及除藻机制方面.在对絮凝剂絮凝效果的研究过程中,多数研究选择通过混凝实验搅拌机(回旋式搅拌)完成[3,5,9-10].虽然该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剂直接喷洒在湖水的表面,并不会对湖水进行人工的搅拌处理,湖泊中出现的水文现象多是由于风力作用而产生的波浪(类似于往复振荡的效果),而类似于回旋式搅拌处理所产生的涡旋式的水文现象较少出现.所以现有的采用在混凝实验搅拌机所取得的成果是否适合于湖泊治理的实际需求值得进一步研究.此外,在关于藻细胞密度与絮凝效果之间关系的研究尚不多见,而有关中低密度藻类水华絮凝效果的研究更是空白.此外,藻细胞絮凝之后的再悬浮是影响絮凝沉降控藻工程效果的重要因素,而现今有一些关于絮凝之后再悬浮现象的研究,但并没有对其影响因素得出具体结论.因此,本研究对不同处理方式(重点是采用往复式振荡处理以模拟自然水体中的波浪)以及不同藻细胞密度对絮凝效果的影响进行了系统研究,并对絮凝后的再悬浮现象进行了初步的研究,并归纳了影响再悬浮的主要因素.

1 材料和方法

1.1 实验材料

藻种:实验所用铜绿微囊藻 DS购自中国科学院武汉水生生物研究所藻种保藏中心.培养条件:温度为(25±1)℃,光照强度为 1000lx左右,培养基为BG-11.

黏土矿物:实验所用高岭土购自上海市纳辉干燥试剂厂,聚合氯化铝(PAC)购自天津市天力化学试剂有限公司,壳聚糖购自武汉远城科技发展有限公司(脱乙酰度 90%).在絮凝实验中,高岭土的用量为1/5000,PAC为1/10000[11],在实验之前利用单蒸水配好混匀.壳聚糖对高岭土的改性方法参考文献[12].

主要仪器:尼康 E600多功能生物显微镜,北京普析通用仪器有限责任公司生产的T6系列紫外/可见分光光度计,CHA-S型水平摇床(振幅为3cm),自制回旋式搅拌器(转数范围为10～80r/min,旋转半径为3cm).

1.2 实验方法

1.2.1 不同回旋处理强度对絮凝剂絮凝效果的影响 移取 50mL对数生长期的铜绿微囊藻藻液(约2.0×107个细胞/mL)至50mL烧杯中,按比例加入已配好的絮凝剂溶液(PAC改性高岭土和壳聚糖改性高岭土),同时设空白对照样品(原藻液).利用自制回旋式搅拌器进行搅拌,空白对照组也做同样的搅拌处理,搅拌速度设置为:10, 30,60r/min,搅拌时间为 1min,然后静置,分别在10,30,60,120min于液面下1cm取样5mL,测定其中叶绿素a含量[12].另外设置一组空白对照,不加絮凝剂,也不做搅拌处理.以上各组各设3个平行. 1.2.2 不同往复振荡强度对絮凝剂絮凝效果的影响 移取 50mL对数生长期的铜绿微囊藻液(约2.0×107cell/mL)至50mL烧杯中,按比例加入已配好的絮凝剂溶液(PAC改性高岭土和壳聚糖改性高岭土),同时设空白对照样品(原藻液).利用往复式摇床进行振荡处理,空白对照组也做同样的振荡处理,摇床速度设置为:60,120,160r/min,振荡时间为 1min,然后静置,分别在 10,30,60, 120min于液面下1cm取样5mL,测定其中叶绿素a含量[12].另外设置一组空白对照,不加絮凝剂,也不做搅拌处理.以上各组各设3个平行.

1.2.3 往复式振荡对絮凝后再悬浮的影响 移取 50mL对数生长期的铜绿微囊藻藻液(约2.0×107cell/mL)至 50mL烧杯中,分别加入 PAC改性高岭土和壳聚糖改性高岭土,利用自制回旋式搅拌器以40,60r/min搅拌1min,PAC改性高岭土实验组分别静置 5,10min,壳聚糖改性高岭土实验组分别静置 10,30min.待藻细胞全部沉降之后对其进行往复式振荡处理,处理强度设置为40r/min,在振荡过程中进行取样,测定其中叶绿素a含量[12].

1.2.4 藻细胞密度对絮凝剂絮凝效果的影响 移取对数生长期的铜绿微囊藻藻液配制成藻细胞密度分别为:1.0×107个细胞/mL,1.5×107个细胞/mL, 2.5×107个细胞/mL的藻液.分别取50mL藻液至50mL烧杯中,加入絮凝剂(PAC改性高岭土和壳聚糖改性高岭土),利用自制回旋式搅拌器以20,40,60r/min搅拌1min,静置15min后,分别在于液面下1cm处取样1mL进行藻细胞计数.

2 结果和分析

2.1 处理强度及处理方式对絮凝效果的影响

由图1a可见,以PAC改性高岭土为絮凝剂的实验中,随着搅拌强度增大,各实验组叶绿素a含量是在不断降低的(P＜0.05),特别是当搅拌强度达到60r/min时,可以获得接近100%的除藻效率,这一结果说明回旋搅拌的强度对除藻效果有重要影响;从静置时间上看,除60r/min的试验组外,各实验组叶绿素 a含量随静置时间延长而下降的趋势并不明显,而60r/min的试验组,超过97%的藻细胞在前10min即发生了沉降.

由图1b可见,利用壳聚糖改性高岭土进行实验得到的结果与利用PAC改性高岭土实验中得到的结果基本上一致.随着搅拌强度增大,各实验组叶绿素a含量是在不断降低的(P＜0.05),特别是当搅拌强度达到60r/min时,在10min内可以获得接近 100%的除藻效率.但是两次实验的结果也是有些差异的,对比图1a,和图1b发现,在壳聚糖改性高岭土的实验中30r/min处理之后得到的絮凝效果要明显优于PAC改性高岭土实验组中得到的结果.

图1 PAC和壳聚糖改性高岭土实验组不同回旋搅拌强度下的叶绿素a的变化情况Fig.1 Changes of Chl-a concentration in the water column after flocculation via rotating stirring through PAC and chitosan modified clays

图2a可见,以PAC改性高岭土为絮凝剂,不同往复式振荡强度下,实验组的整体叶绿素 a含量要低于对照组,但各试验组间无显著差异(P＞0.05).随静置时间的延长,去除率有所增加,但至120min时的最高除藻效率不超过20%(表1).对比图1a和图2a可见,往复振荡产生的絮凝效果与回旋搅拌的效果有非常大的差异.

由图2b可见,以壳聚糖改性高岭土为絮凝剂,不同往复式振荡强度下实验组的整体叶绿素 a含量要低于对照组,但各试验组间无显著差异(P＞0.05).这一结果与利用 PAC改性高岭土为絮凝剂的实验中得到的结果是一致的.

图2 PAC和壳聚糖改性高岭土实验组不同往复振荡强度下的叶绿素a的变化情况Fig.2 Changes of Chl-a concentration in the water column after flocculation via reciprocal stirring through PAC and chitosan modified clays

2.2 往复式振荡对絮凝后再悬浮的影响

从图3a中可以看出,在PAC改性高岭土实验组中,静置了 5min之后再进行往复式振荡处理,在处理5min之后,40r/min实验组率先发生了再悬浮现象,至 10min时,60r/min实验组也出现了再悬浮现象;而当静置时间延长至10min时,再进行往复振荡,则始终没有发生再悬浮.这一现象说明影响絮状物再悬浮现象的关键因素可能是沉降之后的静置时间.

图3 PAC和壳聚糖改性高岭土实验组往复式振荡后的叶绿素a去除率Fig.3 Removal efficiency of Chl-a after reciprocal processing in flocculation experiment through PAC and chitosan modified clays

从图3b中可以看出,在壳聚糖改性高岭土实验组中,在静置了10min之后,两个实验组都是在30min内发生再悬浮现象;而在静置时间延长至30min后,则始终没有再发生再悬浮现象.这与利用PAC改性高岭土作为絮凝剂的实验得到的结果是一致的.再次说明再悬浮现象的发生与絮凝发生之后的静置时间有关.

2.3 藻细胞密度对絮凝剂絮凝效果的影响

由表1可见,在以PAC改性高岭土为絮凝剂,同等的搅拌强度下,随着藻细胞密度的增加,产生的絮凝效果是不断减弱的,如40r/min实验组,中低密度藻液(＜1.5×107个细胞/mL)的藻细胞去除率已经达到100%,与此同时,高密度藻液(2.5× 107个细胞/mL)的藻细胞去除率还不足 45%;而在同等的藻细胞密度下,絮凝沉降效率会随着搅拌强度的增加而提高,这与2.1的实验结果是吻合的.

在以壳聚糖改性高岭土为絮凝剂,同等的搅拌强度下,随着藻细胞密度的增加,产生的絮凝效果是不断减弱的,这也再次验证了利用PAC改性高岭土所做实验到的结果.

表1 PAC和壳聚糖改性高岭土实验中回旋搅拌对不同细胞密度藻液的藻细胞去除率±标准差(%)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 讨论

絮凝除藻技术一直是除藻控藻方面研究的热点,可是现在关于这方面的研究多集中在絮凝剂的改性或是絮凝机理方面.在进行絮凝剂的絮凝效果或是絮凝机理的研究过程中,多数选择利用回旋搅拌的方式先进行处理[3,5,9-10],然后再静置观察絮凝的效果.本次实验发现,回旋搅拌处理所产生的絮凝效果与模拟自然界水文情况的往复振荡处理所产生的絮凝效果有巨大的差异.这一发现的意义至少有以下两点:1、由于在实际的控藻工程中是很难在原位对自然水体进行回旋搅拌处理,而自然水体中的波浪具有与往复振荡类似的特性,因此开展原位絮凝除藻工艺的研究过程中,选择往复振荡条件将具有更为明显的现实意义;2、在异位的絮凝除藻工程中,进行适当的回旋搅拌处理将可以大幅度的提高絮凝除藻的效率.

絮凝沉降之后的再悬浮现象是制约絮凝除藻工艺应用的关键因素之一,而现在虽有一些研究人员对再悬浮现象进行了一些研究[14-16],但并未对其影响因素得到具体结论.本次实验发现搅拌之后的静置时长是影响再悬浮现象发生的因素之一.潘纲等[3]发现,壳聚糖改性黏土沉降除藻的基本原理是形成了网状结构[3],而一个稳定的环境更加有利于更多的絮凝物结合在一起,形成更为稳固的网状结构,重量和密度增加,从而不易发生再悬浮. 絮凝沉降除藻工程的作业应该尽量选择在无风浪(或弱风浪)的水文条件下进行,而且这样的水文条件在作业完成后应能保持一定时间,从而可以降低再悬浮现象发生的机率.

据报道在进行机械除藻的过程中,吸藻泵的除藻效果与藻细胞密度有直接而密切的联系[13]:当发生水华藻类堆聚等高浓度藻类水华时,机械除藻的效率就高;而当水华藻类的密度低时,藻水混合物中水的比重增加,机械除藻效率则大幅度下降.本实验发现,絮凝沉降除藻技术对中低浓度的藻类水华的沉降效果更好,需要的搅拌强度更低.这不但说明絮凝沉降控藻与机械除藻可以优势互补,分别用于不同藻细胞密度的水华控制工程中;而且也说明将两种技术相结合将有可能实现中低浓度藻类水华的高效去除,即先采用絮凝沉降工艺对中低密度的藻细胞进行沉降富集成高藻水,再采用机械除藻装置高效去除高藻水.

4 结论

4.1 搅拌方式是絮凝剂最终絮凝效果的关键影响因素.当以60r/min回旋式搅拌处理1min之后,对于铜铝微囊藻的去除率可以 100%,而利用往复式搅拌处理可以达到的最佳去处率仅为30.7%.

4.2 絮凝发生之后的静置时长对再悬浮现象的发生具有影响作用.适当延长絮凝之后的静置时间,可以降低再悬浮现象的发生机率.

4.3 藻细胞密度会影响到絮凝剂最终的絮凝效果.如果想要达到较好的絮凝效果,藻细胞密度越高的藻液所需的搅拌强度也越高.

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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

国家科技重大专项课题(2009ZX07105-001);武汉市科技计划项目(200960223071)

* 责任作者, 讲师, xumin12@sina.com

X524

A

1000-6923(2012)09-1688-05

刘世昌(1985-),男,河南平顶山人,华中师范大学生命科学学院硕士研究生,主要从事淡水湖泊富营养化控制相关研究.