改性植物单宁对铜绿微囊藻的去除效果与机理

於昌峰，顾扣泉，周 涛，孙家兴，杨梓俊，侯 俊

(1.江苏煤炭地质勘探三队，江苏 常州 213017；2.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098；3.河海大学环境学院，江苏 南京 210098)

蓝藻水华在全球众多国家和地区暴发，有害蓝藻的大量繁殖会影响水体颜色、气味，细胞破裂后释放的藻毒素和蛋白质等藻类有机物还会对人体及水生动植物产生不利影响[1-5]。絮凝法是治理蓝藻水华的重要应急手段[6-7]，然而，目前普遍使用的传统絮凝材料均存在不同的优缺点：无机絮凝剂价格便宜，但铁盐类无机絮凝剂(如硫酸铁、聚合硫酸铁)储存和稀释稳定性差，容易产生氢氧化物沉淀，且残留的铁离子有一定的色度，影响水质；铝盐无机絮凝剂(如硫酸铝、聚合氯化铝)残留的铝元素会威胁人体健康[8-9]；黏土矿物类絮凝剂来源广泛、绿色环保，可就地取材，但其投加量高、产生污泥过多[10]；人工合成高分子絮凝剂(如聚丙烯酰胺)絮凝效果好且性质稳定，但其难以生物降解，合成单体会对水生生物产生毒性作用，可能对生态系统会造成二次污染。而且，上述絮凝材料的絮凝处理效果容易受水体环境变化的影响，极大地限制了絮凝处理技术在蓝藻水华治理中的推广应用。

近些年，来源广泛、成本低廉、可生物降解、无二次污染的高效天然絮凝剂越来越受到关注。植物单宁又名植物多酚，是植物体复杂酚类的次生代谢产物。自然界中植物单宁的储量非常丰富，主要存在于植物的皮、根、叶和果肉中，是仅次于纤维素、木质素、半纤维素的第四大林副产品。由于植物单宁的等电点较低(pH值为2.0～3.0)，而藻细胞表面通常呈负电性，所以通常需要进行化学改性才能用于高藻浓度水体的处理。通过曼尼希反应将氨基引入到植物单宁的化学结构，可合成具有黄酮类结构的改性植物单宁(Tanfloc)。改性之后植物单宁的等电点明显增加(pH值为7.0～8.0)，絮凝能力显著提高，在生活污水、染料废水和黑臭水体的处理中取得了很好的效果，表现出高效易处理、适用处理范围广、天然环保可降解、无毒无害无二次污染的特点。目前Tanfloc絮凝处理高藻浓度水体的相关研究较少，同时尚未见Tanfloc除藻机理的相关研究。本文选取一种常见的水华优势藻种——铜绿微囊藻作为试验藻种，探索Tanfloc絮凝去除铜绿微囊藻的效果，考察投加量、初始pH值和藻细胞密度对絮凝效果的影响，进一步结合絮凝前后藻液Zeta电位变化，阐明Tanfloc除藻机理。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

铜绿微囊藻FACHB-905购于中国科学院淡水藻种库(武汉,中国)。在BG-11培养基中培养藻液，培养条件为：温度设为(25±1) ℃，光照强度设为 2 000 lx，光照黑暗比为12 h∶12 h。培养12 d后，取处于对数期的藻细胞作为试验用藻。

Tanfloc购于尚澄(北京)环保科技有限公司。试验中向去离子水中溶解一定量Tanfloc并使用磁力搅拌器在200 rpm转速下搅拌30 min得到1 g/L的Tanfloc储备液。

1.2 絮凝试验设计

取对数期藻液，将其在4 000 r/min下离心5 min后，弃去上清液，并用NaCl溶液再悬浮成一定浓度的藻悬液。絮凝试验在六联搅拌器(ZR4-6，深圳市中润水工业技术发展有限公司，中国)中进行，向600 mL烧杯中加入500 mL藻悬液，絮凝试验前用0.1 mol/L的NaOH和HCl调节pH值，在液面下2 cm处取上清液，使用浮游荧光仪(Heinz Walz GmbH,德国)测定初始叶绿素a的质量浓度。设定搅拌参数为:200 r/min快速搅拌1 min，加入不同投加量的Tanfloc，200 r/min快速搅拌1 min，50 r/min慢速搅拌20 min后，静置并开始计时，于液面下2 cm处逐时(0 min、2 min、5 min、10 min、20 min、30 min、60 min)取样，再利用浮游荧光仪测定叶绿素a的质量浓度。使用英国马尔文仪器有限公司的Zetasizer Nano ZSP测定絮凝前后上清液的Zeta电位及水力学粒径。藻细胞去除率计算方法[11-12]为

(1)

式中：RE为藻细胞去除率，%；ρ0为叶绿素a的初始质量浓度，μg/L；ρi为絮凝后不同时间上清液中叶绿素a的质量浓度，μg/L。

试验过程中，用Tanfloc储备液将投加量梯度设置为:0 mg/L、10 mg/L、20 mg/L、30 mg/L、50 mg/L和100 mg/L。在初始pH值为8.0、藻细胞密度为 5.86×109个/L、藻细胞去除率达到90%时，需要的最低投加量为Tanfloc絮凝铜绿微囊藻的最佳投加量[13]。使用0.1 mol/L NaOH和HCl调节藻悬液的初始pH值，其变化范围为5.0～10.0，在最佳投加量、藻细胞密度为5.86×109个/L的条件下，研究初始pH值对絮凝过程的影响。采获对数期藻细胞并配成不同藻细胞密度的藻液，藻细胞密度梯度设置为0.81×109个/L、3.11×109个/L、4.87×109个/L、5.86×109个/L、7.70×109个/L、10.38×109个/L，在最佳投加量、初始pH值为8.0的条件下，研究藻细胞密度对絮凝过程的影响。

2 结果与分析

2.1 投加量的影响

图1为不同投加量下藻细胞去除率随沉降时间变化。可以看出，10 mg/L的投加量下，Tanfloc对藻细胞的去除率高达94%，这体现了Tanfloc的高效性，即在低投加量下就可获得较好的去除效果。Barrado-Moreno等[14]考察了Tanfloc对铜绿微囊藻、蛋白核小球藻、四尾栅藻和卵胞藻的去除效果，结果表明10 mg/L的投加量下，Tanfloc对4种藻的去除率均高于90%。因此，使用10 mg/L作为初始投加量以开展后面的试验。随着投加量的增加(20 mg/L、30 mg/L、50 mg/L)，藻细胞去除率一直保持较高的水平，即均大于95%。这可能是由于适量正电性Tanfloc的投加可以有效中和藻细胞表面的负电荷，破坏藻细胞的分散稳定性，引起藻细胞团聚并形成含藻絮体，在重力作用下沉降。但当投加量进一步增加后(100 mg/L)，藻细胞去除率下降到63.84%，原因可能是过量投加后，不能被中和的正电性Tanfloc在藻液中积累，静电排斥作用使藻液再稳定，影响了去除效果[15]。

图1 不同投加量下藻细胞去除率随沉降时间变化

2.2 初始pH值的影响

初始pH值是絮凝除藻过程的重要影响因素，图2为不同初始pH值下藻细胞去除率的变化。可以看出，絮凝除藻过程明显受初始pH值的影响，在酸性和中性条件下，Tanfloc对藻细胞均有很好的絮凝去除效果。在pH值为5.0时，藻细胞去除率为70.67%；pH值为7.0时，藻细胞去除率高达95.27%。在碱性条件下，絮凝效果有所不同，弱碱性条件下，Tanfloc表现出较好的絮凝效果，但在强碱性条件下，絮凝效果明显下降。pH值为8.0时，藻细胞去除率为93.29%，而pH值增加到10.0时，去除率只有不到11%。这可能是由不同水体pH值引起Tanfloc表面电荷的差异所致。如图3所示，Tanfloc的零电势点在pH值为8.1左右，而在较宽的pH值范围内，藻细胞表面都呈现负电性。因此，酸性和中性条件下，由于水体pH值低于零电势点，此时Tanfloc的表面呈现正电性，Tanfloc可以在静电引力的作用下大量结合负电性的藻细胞；而在强碱性条件下，水体pH值远高于零电势点，导致Tanfloc表面带负电荷，由于静电斥力，Tanfloc难以结合藻细胞，引起藻细胞去除率的下降。Wang等[16]研究了Q-TN对铜绿微囊藻的去除效果，结果发现pH值为6.0时，藻细胞去除率高达97%，而当pH值增加到9.0后，相同投加量下藻细胞去除率快速降到不足10%，分析pH值对Zeta电位的影响发现，pH值为6.0时，Q-TN的Zeta电位为+19.4 mV，而pH值为9.0时，Zeta电位变为负值。这与本研究的情况类似。

图2 不同初始pH值下的藻细胞去除率

图3 不同pH值下Tanfloc及铜绿微囊藻细胞的Zeta电位

本研究中，虽然水体pH值为9.0时略高于零电势点，但藻细胞去除率仍高于90%，这可能是Tanfloc的分子量较高的原因。当水体pH值略高于零电势时，Tanfloc表面负电荷的电荷量较小，Tanfloc与藻细胞间的排斥作用较小，同时由于Tanfloc是一种天然大分子絮凝剂，其可以通过架桥作用絮凝去除藻细胞。此时，架桥作用强于静电排斥作用，可以抵消静电斥力对絮凝过程的不利影响，所以在pH值为9.0时Tanfloc仍有较好的絮凝表现。太湖等天然湖泊水华暴发时的水体pH值为7.5～9.3[15]，可见，Tanfloc的高效除藻区间(pH值为5.0～9.0)能够满足实际湖泊的pH值使用要求，Tanfloc可以用于天然湖泊蓝藻水华的应急处理。

2.3 藻细胞密度的影响

图4为不同藻细胞密度下藻细胞去除率的变化情况。可以看出，在较低的藻细胞密度(0.81×109个/L)下，获得了较低的藻细胞去除率(68%)。随着藻细胞密度的增加，去除率先明显增加随后保持不变，当藻细胞密度小于4.87×109个/L，藻细胞去除率和藻细胞密度呈线性关系。当藻细胞密度为4.87×109个/L时，去除率超过了90%；进一步增加到10.38×109个/L时，去除率高达95%。原因可能是低藻细胞密度下，Tanfloc相对过量，进入水体后大量包覆在藻细胞表面，藻液在静电斥力的作用下呈稳定状态，导致此时去除率较低。随着藻细胞密度的增加，更多的藻细胞可以去中和Tanfloc表面的正电荷，导致去除率的提高。进一步地，藻细胞数量相对较多时，架桥作用可以使Tanfloc结合更多数量的藻细胞，所以藻去除率没有明显下降。

图4 不同藻细胞密度下的藻细胞去除率

Barrado-Moreno等[14]研究了藻细胞密度对Tanfloc絮凝去除卵胞藻、蛋白核小球藻、铜绿微囊藻和四尾栅藻的影响，结果表明卵胞藻细胞质量浓度由5 μg/L增加到60 μg/L时，其去除率也由20%左右明显增加到接近80%；其他3种藻细胞质量浓度由3 μg/L增加到20 μg/L时，其去除率分别由50%、30%和30%增加到90%以上，藻细胞质量浓度进一步增加到80 μg/L，去除率保持不变。这一结论与本研究类似，因此，Tanfloc更适用于处理较高藻细胞密度的水体，而蓝藻水华暴发时藻细胞密度大约为106～107个/L[17]，可以使用Tanfloc进行应急处理。

2.4 絮凝机理

研究表明pH值会影响絮凝除藻的机制，即在不同的pH值条件下，絮凝除藻的机理可能不同。为了研究Tanfloc絮凝除藻的主要作用方式，考察了不同pH值条件下藻细胞去除率和Zeta电位随投加量的变化(图5)。另外，由于Tanfloc的分子链也会影响絮凝除藻的表现和机制，同时研究了Tanfloc的流体动力学半径随pH值的变化(图6)。

图6 不同pH值条件下Tanfloc的流体力学半径

由图5可见，在pH值为5.5时，由于静电排斥作用，正电性的Tanfloc的流体动力学半径较大，导致Tanfloc分子链完全伸展。此时Tanfloc完全舒展的分子链和表面大量的正电荷都有助于藻细胞的去除[17]。可以看到，最佳投加量对应的Zeta电位正好接近零电势点，而Tanfloc过量投加后Zeta电位发生反转，这表明电中和是酸性水体中Tanfoc的主要除藻机制。絮凝过程中，在静电作用下舒展的Tanfloc分子链与负电性藻细胞相互靠近，Tanfloc逐渐中和藻细胞的负电荷并附着在表面。当藻细胞表面被完全覆盖后达到静电平衡状态，此时失稳的藻细胞发生聚集形成较大絮体沉降下来。在pH值为8.0时，此时pH值接近Tanfloc的零电势点，Tanfloc分子链间几乎没有排斥作用，容易发生卷曲缠绕，导致流体动力学半径下降。另外，此时Tanfloc残留的正电荷驱使其向负电性藻细胞靠近，并黏附在藻细胞表面，最后Tanfloc在藻细胞表面不均匀附着，这导致藻细胞表面正电区和负电区共存，随后不同藻细胞间的正负电区在静电作用下相互靠近发生聚集沉降。进一步地，该条件下最佳投加量对应的Zeta电位略小于0，过量投加后发生反转，表明静电簇作用是此时絮凝除藻的主要机制。在pH值为9.5时，Tanfloc表面负电荷明显增加，受排斥作用影响，Tanfloc分子链的流体动力学半径增加，结构完全伸展。但是，此时Tanfloc和藻细胞的表面均为负电性，由于静电排斥作用，藻细胞去除率略有下降，最佳投加量明显增加。进一步地，最佳投加量对应的Zeta电位远小于0，过量投加后并没有发生反转，这是由于水体中正电荷不足，但絮凝表现没有明显下降，这可以由架桥作用来解释。水力搅拌驱使藻细胞通过范德华力和氢键吸附到Tanfloc分子链上，Tanfloc在藻细胞间起到架桥作用达到除藻的效果，而静电排斥作用不足以抵消这种作用。但是由于Tanfloc的分子量有限，在架桥作用为主要絮凝机理的碱性水体中，除藻效果有所下降。

(a) pH值为5.5

Wang等[16]研究了胺甲基化和季铵盐化两种Tanfloc的絮凝除藻机制，结果表明，电中和作用不是唯一机理，架桥作用也发挥着重要作用，这与本研究结果类似。整体上看，当水体pH值较低时，Tanfloc表面的高正电性促使其与负电性藻细胞发生快速的电中和；随着水体pH值的增加，Tanfloc表面的正电性有所下降，与藻细胞之间的静电作用也有所减弱；当水体pH值进一步增加，超过Tanfloc的零电势点后，静电吸引变为静电排斥，静电作用反而阻碍絮凝的发生，此时架桥作用逐渐从次要作用变为主要作用。因此，絮凝过程是静电作用与架桥作用共同影响的结果。

3 结 论

a.10 mg/L的低投加量下，Tanfloc即可获得94%的高藻细胞去除率，随着投加量的进一步增加，藻去除率反而略有下降。

b.Tanfloc在较宽的初始pH值范围内均可高效除藻。在酸性条件下和弱碱性条件下(pH值不大于9.0)，Tanfloc可以高效絮凝去除铜绿微囊藻细胞，这使得Tanfloc适用于天然湖泊水华暴发时的水体处理(水体pH值为7.1～9.3)；而在强碱性条件下(pH值不小于10.0)，藻去除率明显下降。

c.藻细胞密度会影响藻细胞去除效果。Tanfloc在高藻细胞密度(大于4.87×109个/L)下可以获得更好的除藻效果。

d.pH值会影响絮凝除藻机理，pH值为5.5、8.0和9.5时，电中和、静电簇和架桥作用分别是主要的絮凝除藻机制。