攪拌方式對(duì)絮凝除藻效果的影響

劉世昌,田小方,趙以軍,程 凱,許 敏,趙 進(jìn) (華中師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 430079)

攪拌方式對(duì)絮凝除藻效果的影響

劉世昌,田小方,趙以軍,程 凱,許 敏*,趙 進(jìn) (華中師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 430079)

以銅綠微囊藻為研究對(duì)象,測試了不同振蕩方式(回旋式與往復(fù)式),不同振蕩強(qiáng)度及不同藻細(xì)胞密度對(duì)絮凝劑絮凝沉降效果的影響,同時(shí)還研究了絮凝沉降發(fā)生后,藻細(xì)胞再懸浮的主要影響因素.結(jié)果表明,回旋式攪拌處理下產(chǎn)生的絮凝效果要明顯優(yōu)于往復(fù)式振蕩,60r/min回旋式攪拌1min可以得到100%的去除率,而往復(fù)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(qiáng)度的增加有明顯提高;藻細(xì)胞密度越高,需要的攪拌強(qiáng)度也越大;絮凝沉降后的靜置時(shí)間越長,則越不容易發(fā)生再懸浮.

回旋式攪拌；往復(fù)式振蕩；絮凝；再懸浮現(xiàn)象；銅綠微囊藻

受農(nóng)業(yè)徑流、畜禽廢棄物及生活污水的直接排放,大量富含營養(yǎng)鹽的污水直接進(jìn)入到湖泊等水體中,造成湖泊和水庫出現(xiàn)不同程度的水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象,其對(duì)水體的危害和影響的主要外表表現(xiàn)之一就是藍(lán)藻水華的周期性發(fā)生[1-3].各國研究人員針對(duì)這一問題做了大量的研究工作.從最早的化學(xué)殺藻法,到現(xiàn)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(lán)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(guān)注[4-8].黏土礦物質(zhì)來源廣泛,生態(tài)安全,價(jià)格低廉,使用方便.目前針對(duì)黏土礦物絮凝沉降除藻的研究主要集中在對(duì)其改性方面以及除藻機(jī)制方面.在對(duì)絮凝劑絮凝效果的研究過程中,多數(shù)研究選擇通過混凝實(shí)驗(yàn)攪拌機(jī)(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(huì)對(duì)湖水進(jìn)行人工的攪拌處理,湖泊中出現(xiàn)的水文現(xiàn)象多是由于風(fēng)力作用而產(chǎn)生的波浪(類似于往復(fù)振蕩的效果),而類似于回旋式攪拌處理所產(chǎn)生的渦旋式的水文現(xiàn)象較少出現(xiàn).所以現(xiàn)有的采用在混凝實(shí)驗(yàn)攪拌機(jī)所取得的成果是否適合于湖泊治理的實(shí)際需求值得進(jìn)一步研究.此外,在關(guān)于藻細(xì)胞密度與絮凝效果之間關(guān)系的研究尚不多見,而有關(guān)中低密度藻類水華絮凝效果的研究更是空白.此外,藻細(xì)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(xiàn)今有一些關(guān)于絮凝之后再懸浮現(xiàn)象的研究,但并沒有對(duì)其影響因素得出具體結(jié)論.因此,本研究對(duì)不同處理方式(重點(diǎn)是采用往復(fù)式振蕩處理以模擬自然水體中的波浪)以及不同藻細(xì)胞密度對(duì)絮凝效果的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究,并對(duì)絮凝后的再懸浮現(xiàn)象進(jìn)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(shí)驗(yàn)材料

藻種:實(shí)驗(yàn)所用銅綠微囊藻 DS購自中國科學(xué)院武漢水生生物研究所藻種保藏中心.培養(yǎng)條件:溫度為(25±1)℃,光照強(qiáng)度為 1000lx左右,培養(yǎng)基為BG-11.

黏土礦物:實(shí)驗(yàn)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(xué)試劑有限公司,殼聚糖購自武漢遠(yuǎn)城科技發(fā)展有限公司(脫乙酰度 90%).在絮凝實(shí)驗(yàn)中,高嶺土的用量為1/5000,PAC為1/10000[11],在實(shí)驗(yàn)之前利用單蒸水配好混勻.殼聚糖對(duì)高嶺土的改性方法參考文獻(xiàn)[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(zé)任公司生產(chǎn)的T6系列紫外/可見分光光度計(jì),CHA-S型水平搖床(振幅為3cm),自制回旋式攪拌器(轉(zhuǎn)數(shù)范圍為10～80r/min,旋轉(zhuǎn)半徑為3cm).

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 不同回旋處理強(qiáng)度對(duì)絮凝劑絮凝效果的影響 移取 50mL對(duì)數(shù)生長期的銅綠微囊藻藻液(約2.0×107個(gè)細(xì)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(shí)設(shè)空白對(duì)照樣品(原藻液).利用自制回旋式攪拌器進(jìn)行攪拌,空白對(duì)照組也做同樣的攪拌處理,攪拌速度設(shè)置為:10, 30,60r/min,攪拌時(shí)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(shè)置一組空白對(duì)照,不加絮凝劑,也不做攪拌處理.以上各組各設(shè)3個(gè)平行. 1.2.2 不同往復(fù)振蕩強(qiáng)度對(duì)絮凝劑絮凝效果的影響 移取 50mL對(duì)數(shù)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(shí)設(shè)空白對(duì)照樣品(原藻液).利用往復(fù)式搖床進(jìn)行振蕩處理,空白對(duì)照組也做同樣的振蕩處理,搖床速度設(shè)置為:60,120,160r/min,振蕩時(shí)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(shè)置一組空白對(duì)照,不加絮凝劑,也不做攪拌處理.以上各組各設(shè)3個(gè)平行.

1.2.3 往復(fù)式振蕩對(duì)絮凝后再懸浮的影響 移取 50mL對(duì)數(shù)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(shí)驗(yàn)組分別靜置 5,10min,殼聚糖改性高嶺土實(shí)驗(yàn)組分別靜置 10,30min.待藻細(xì)胞全部沉降之后對(duì)其進(jìn)行往復(fù)式振蕩處理,處理強(qiáng)度設(shè)置為40r/min,在振蕩過程中進(jìn)行取樣,測定其中葉綠素a含量[12].

1.2.4 藻細(xì)胞密度對(duì)絮凝劑絮凝效果的影響 移取對(duì)數(shù)生長期的銅綠微囊藻藻液配制成藻細(xì)胞密度分別為:1.0×107個(gè)細(xì)胞/mL,1.5×107個(gè)細(xì)胞/mL, 2.5×107個(gè)細(xì)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(jìn)行藻細(xì)胞計(jì)數(shù).

2 結(jié)果和分析

2.1 處理強(qiáng)度及處理方式對(duì)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(shí)驗(yàn)中,隨著攪拌強(qiáng)度增大,各實(shí)驗(yàn)組葉綠素a含量是在不斷降低的(P＜0.05),特別是當(dāng)攪拌強(qiáng)度達(dá)到60r/min時(shí),可以獲得接近100%的除藻效率,這一結(jié)果說明回旋攪拌的強(qiáng)度對(duì)除藻效果有重要影響;從靜置時(shí)間上看,除60r/min的試驗(yàn)組外,各實(shí)驗(yàn)組葉綠素 a含量隨靜置時(shí)間延長而下降的趨勢并不明顯,而60r/min的試驗(yàn)組,超過97%的藻細(xì)胞在前10min即發(fā)生了沉降.

由圖1b可見,利用殼聚糖改性高嶺土進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果與利用PAC改性高嶺土實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)果基本上一致.隨著攪拌強(qiáng)度增大,各實(shí)驗(yàn)組葉綠素a含量是在不斷降低的(P＜0.05),特別是當(dāng)攪拌強(qiáng)度達(dá)到60r/min時(shí),在10min內(nèi)可以獲得接近 100%的除藻效率.但是兩次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也是有些差異的,對(duì)比圖1a,和圖1b發(fā)現(xiàn),在殼聚糖改性高嶺土的實(shí)驗(yàn)中30r/min處理之后得到的絮凝效果要明顯優(yōu)于PAC改性高嶺土實(shí)驗(yàn)組中得到的結(jié)果.

圖1 PAC和殼聚糖改性高嶺土實(shí)驗(yàn)組不同回旋攪拌強(qiáng)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(fù)式振蕩強(qiáng)度下,實(shí)驗(yàn)組的整體葉綠素 a含量要低于對(duì)照組,但各試驗(yàn)組間無顯著差異(P＞0.05).隨靜置時(shí)間的延長,去除率有所增加,但至120min時(shí)的最高除藻效率不超過20%(表1).對(duì)比圖1a和圖2a可見,往復(fù)振蕩產(chǎn)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(fù)式振蕩強(qiáng)度下實(shí)驗(yàn)組的整體葉綠素 a含量要低于對(duì)照組,但各試驗(yàn)組間無顯著差異(P＞0.05).這一結(jié)果與利用 PAC改性高嶺土為絮凝劑的實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)果是一致的.

圖2 PAC和殼聚糖改性高嶺土實(shí)驗(yàn)組不同往復(fù)振蕩強(qiáng)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(fù)式振蕩對(duì)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(shí)驗(yàn)組中,靜置了 5min之后再進(jìn)行往復(fù)式振蕩處理,在處理5min之后,40r/min實(shí)驗(yàn)組率先發(fā)生了再懸浮現(xiàn)象,至 10min時(shí),60r/min實(shí)驗(yàn)組也出現(xiàn)了再懸浮現(xiàn)象;而當(dāng)靜置時(shí)間延長至10min時(shí),再進(jìn)行往復(fù)振蕩,則始終沒有發(fā)生再懸浮.這一現(xiàn)象說明影響絮狀物再懸浮現(xiàn)象的關(guān)鍵因素可能是沉降之后的靜置時(shí)間.

圖3 PAC和殼聚糖改性高嶺土實(shí)驗(yàn)組往復(fù)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(shí)驗(yàn)組中,在靜置了10min之后,兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組都是在30min內(nèi)發(fā)生再懸浮現(xiàn)象;而在靜置時(shí)間延長至30min后,則始終沒有再發(fā)生再懸浮現(xiàn)象.這與利用PAC改性高嶺土作為絮凝劑的實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果是一致的.再次說明再懸浮現(xiàn)象的發(fā)生與絮凝發(fā)生之后的靜置時(shí)間有關(guān).

2.3 藻細(xì)胞密度對(duì)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(qiáng)度下,隨著藻細(xì)胞密度的增加,產(chǎn)生的絮凝效果是不斷減弱的,如40r/min實(shí)驗(yàn)組,中低密度藻液(＜1.5×107個(gè)細(xì)胞/mL)的藻細(xì)胞去除率已經(jīng)達(dá)到100%,與此同時(shí),高密度藻液(2.5× 107個(gè)細(xì)胞/mL)的藻細(xì)胞去除率還不足 45%;而在同等的藻細(xì)胞密度下,絮凝沉降效率會(huì)隨著攪拌強(qiáng)度的增加而提高,這與2.1的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度下,隨著藻細(xì)胞密度的增加,產(chǎn)生的絮凝效果是不斷減弱的,這也再次驗(yàn)證了利用PAC改性高嶺土所做實(shí)驗(yàn)到的結(jié)果.

表1 PAC和殼聚糖改性高嶺土實(shí)驗(yàn)中回旋攪拌對(duì)不同細(xì)胞密度藻液的藻細(xì)胞去除率±標(biāo)準(zhǔn)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(shù)一直是除藻控藻方面研究的熱點(diǎn),可是現(xiàn)在關(guān)于這方面的研究多集中在絮凝劑的改性或是絮凝機(jī)理方面.在進(jìn)行絮凝劑的絮凝效果或是絮凝機(jī)理的研究過程中,多數(shù)選擇利用回旋攪拌的方式先進(jìn)行處理[3,5,9-10],然后再靜置觀察絮凝的效果.本次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),回旋攪拌處理所產(chǎn)生的絮凝效果與模擬自然界水文情況的往復(fù)振蕩處理所產(chǎn)生的絮凝效果有巨大的差異.這一發(fā)現(xiàn)的意義至少有以下兩點(diǎn):1、由于在實(shí)際的控藻工程中是很難在原位對(duì)自然水體進(jìn)行回旋攪拌處理,而自然水體中的波浪具有與往復(fù)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(fù)振蕩條件將具有更為明顯的現(xiàn)實(shí)意義;2、在異位的絮凝除藻工程中,進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕匦龜嚢杼幚韺⒖梢源蠓鹊奶岣咝跄宓男?

絮凝沉降之后的再懸浮現(xiàn)象是制約絮凝除藻工藝應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一,而現(xiàn)在雖有一些研究人員對(duì)再懸浮現(xiàn)象進(jìn)行了一些研究[14-16],但并未對(duì)其影響因素得到具體結(jié)論.本次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)攪拌之后的靜置時(shí)長是影響再懸浮現(xiàn)象發(fā)生的因素之一.潘綱等[3]發(fā)現(xiàn),殼聚糖改性黏土沉降除藻的基本原理是形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[3],而一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)境更加有利于更多的絮凝物結(jié)合在一起,形成更為穩(wěn)固的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),重量和密度增加,從而不易發(fā)生再懸浮. 絮凝沉降除藻工程的作業(yè)應(yīng)該盡量選擇在無風(fēng)浪(或弱風(fēng)浪)的水文條件下進(jìn)行,而且這樣的水文條件在作業(yè)完成后應(yīng)能保持一定時(shí)間,從而可以降低再懸浮現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)率.

據(jù)報(bào)道在進(jìn)行機(jī)械除藻的過程中,吸藻泵的除藻效果與藻細(xì)胞密度有直接而密切的聯(lián)系[13]:當(dāng)發(fā)生水華藻類堆聚等高濃度藻類水華時(shí),機(jī)械除藻的效率就高;而當(dāng)水華藻類的密度低時(shí),藻水混合物中水的比重增加,機(jī)械除藻效率則大幅度下降.本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),絮凝沉降除藻技術(shù)對(duì)中低濃度的藻類水華的沉降效果更好,需要的攪拌強(qiáng)度更低.這不但說明絮凝沉降控藻與機(jī)械除藻可以優(yōu)勢互補(bǔ),分別用于不同藻細(xì)胞密度的水華控制工程中;而且也說明將兩種技術(shù)相結(jié)合將有可能實(shí)現(xiàn)中低濃度藻類水華的高效去除,即先采用絮凝沉降工藝對(duì)中低密度的藻細(xì)胞進(jìn)行沉降富集成高藻水,再采用機(jī)械除藻裝置高效去除高藻水.

4 結(jié)論

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

4.2 絮凝發(fā)生之后的靜置時(shí)長對(duì)再懸浮現(xiàn)象的發(fā)生具有影響作用.適當(dāng)延長絮凝之后的靜置時(shí)間,可以降低再懸浮現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)率.

4.3 藻細(xì)胞密度會(huì)影響到絮凝劑最終的絮凝效果.如果想要達(dá)到較好的絮凝效果,藻細(xì)胞密度越高的藻液所需的攪拌強(qiáng)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(xiàng)課題(2009ZX07105-001);武漢市科技計(jì)劃項(xiàng)目(200960223071)

* 責(zé)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(xué)生命科學(xué)學(xué)院碩士研究生,主要從事淡水湖泊富營養(yǎng)化控制相關(guān)研究.