壳聚糖和聚丙烯酰胺复合对铜绿微囊藻去除效果的研究

石 琦，谭纤茹，杨冬冬，李 娇

（湖北工业大学，湖北 武汉 430068）

壳聚糖和聚丙烯酰胺复合对铜绿微囊藻去除效果的研究

石 琦，谭纤茹，杨冬冬，李 娇

（湖北工业大学，湖北 武汉 430068）

利用室内模拟实验，以壳聚糖（Chitosan）和聚丙烯酰胺（PAM）为絮凝剂，采用絮凝法去除铜绿微囊藻。系统研究了壳聚糖和聚丙烯酰胺投加量、pH值以及沉淀时间等因素对絮凝效果的影响。并利用响应面法对铜绿微囊藻絮凝进行优化。根据统计模型发现投加量、pH值、沉淀时间均对铜绿微囊藻的絮凝效果有显著影响。通过响应面法优化得到铜绿微囊藻絮凝的条件在温度为27℃下，壳聚糖的投加量为3.59 g/L，聚丙烯酰胺的最佳投加量为0.26 g/L，沉淀时间为13m in，pH为8.02。在上述的最优条件下，铜绿微囊藻的去除率为98.03%，与模型预测值98.01%相近，表明采用响应面法对铜绿微囊藻絮凝沉淀条件进行优化是合理可行的。

铜绿微囊藻；絮凝；壳聚糖；聚丙烯酰胺；响应面

1 研究背景

有害“藻华”的频繁暴发和由此产生的藻毒素污染等，使治理藻类污染成为当今国内外努力探索的一大难题［1-4］。根据国家水利部2014年底公布的中国水资源公报，2013年对湖泊进行营养状态评价，大部分湖泊处于富营养状态。贫营养湖泊1个，占评价湖泊总数的0.8%；中营养湖泊35个，占评价湖泊总数的29.4%；富营养湖泊83个，占评价湖泊总数的69.8%［5］。

在我国富营养化水体中，铜绿微囊藻的生理生态特点特殊，使其在富营养化水体中容易成为优势藻种并导致蓝藻水华的爆发。铜绿微囊藻在死亡或细胞膜通透性增强时会向水中释放微囊藻毒素，降低水质并对环境和人类健康造成危害［6］。

目前絮凝剂广泛用于湖泊富营养化治理，絮凝的沉降速度与单个颗粒物质相比，会发生量和质的变化［7］。由于铜绿微囊藻的细胞体积小，粒径约2.5μm，且带负电荷，Zeta电位为-20m V，不易沉降，常用的水处理絮凝剂都无法将其有效去除［8］。而壳聚糖具有较好的絮凝效果［9］，同时可在短时间内被生物降解，不会造成环境污染［10］，对于水处理行业具有较大的吸引力，同时对铜绿微囊藻的去除率较高。同时聚丙烯酰胺也具有高效的絮凝效果，最适絮凝温度为25℃［11］（与实验温度相同）。因此本实验用壳聚糖与聚丙烯酰胺作为絮凝剂，研究其对铜绿微囊藻的去除效果。

2 材料与方法

2.1 实验材料与仪器实验藻种：本实验所用藻种为铜绿微囊藻，M icrocystis aeruginosa469，购自中国科学院水生生物研究所（武汉）国家淡水藻种库（FACHB），编号为FACHB-469。藻样在2 000m l锥形瓶中，放置于恒温培养箱内室内充气半连续培养。培养温度为25℃，光照强度为150μmol·m-2·s-1，光照周期12∶12，取对数生长期藻样做絮凝实验。每次实验藻样OD680nm为0.67，pH为9.38。

实验仪器有UV-1800紫外可见分光光度计，MY 3000-6智能性混凝试验搅拌仪，雷磁PHSJ-4F型pH计。

2.2 分析方法

2.2.1 铜绿微囊藻的细胞浓度 在温度为25℃下测定藻液在680 nm波长下吸光度值，间接表示藻生物量的变化，记为OD680nm。

2.2.2 铜绿微囊藻的去除率 去除率=（OD0－ODt）/OD0×100%。其中：OD0为初始时刻藻液的OD680nm；ODt为絮凝时间t时藻液的OD680nm。

2.2.3 pH的测定方法 在使用前先用pH缓冲液校准pH计。在温度为25℃下将参比电极和玻璃电极放入铜绿微囊藻溶液中测定。

2.3 单因素实验设计

2.3.1 絮凝剂添加量对去除率的影响实验 藻样OD680nm为0.67、藻液pH值为9.38时摇匀后用移液管取20 m l藻液，按3.0、3.3、3.6、3.9、4.2g/L加入壳聚糖，0.175、0.350、0.525、0.700、0.875、1.050 g/L加入聚丙烯酰胺，用搅拌仪搅拌5m in，固定絮凝时间，测定藻液上清液OD680nm，实验重复3次，求平均值，计算去除率。

2.3.2 藻液pH对去除率的影响实验 藻样OD680nm为0.67、藻液pH值为9.38时摇匀后用移液管取20m l藻液，利用1mol/L盐酸和1mol/L NaOH调节藻液pH为6、7、8、9、10、11，加入固定量的壳聚糖或聚丙烯酰胺絮凝剂，用搅拌仪搅拌5m in后絮凝一段时间，测定在不同pH下其对藻液的去除效果。

2.3.3 絮凝时间对去除率的影响实验 藻样OD680nm为0.67、藻液pH值为9.38时摇匀后用移液管取20m l藻液，加入一定量的絮凝剂，用搅拌仪搅拌5min后，分别在3、6、9、12、15、18、21m in时用胶头滴管抽取液面2 cm处的藻液，测定藻液OD680nm，实验重复3次，求平均值，计算去除率。

响应面法优化实验设计 响应面分析法（response surfacemethodology，RSM）是一种寻找多因素系统中最佳条件的数学统计方法［12］。本实验利用响应面法对铜绿微囊藻絮凝条件进行优化。综合单因子实验结果，根据Box-Benhnken的中心组合实验设计原理，采用响应面在四因子三水平上对铜绿微囊藻的絮凝条件进行优化。通过Design Expert8.0.5软件进行响应面分析，在此基础上得出各因素之间的最佳组合。

3 结果与分析

3.1 单因素实验

3.1.1 絮凝剂添加量对去除率的影响 一般而言，絮凝效果随絮凝剂的投加量增加而增强。如图1所示，藻液浓度为1.51 g/L、藻液pH值为9.38时，壳聚糖的投加量由3.0增加到4.2 g/L时藻的去除率先从89.62%上升到95.17%（壳聚糖投加量为3.9 g/L），然后下降到86.8%。但是，实验过程中观察到当壳聚糖投加量为3.9 g/L时，虽然上清液OD值较低，但藻体絮凝体积较大，絮凝效果并不好。壳聚糖的投加量达到最佳值后，再增加壳聚糖的投加量，就会使絮体的体积增大，密度减小，絮凝效果变差。单独使用聚丙烯酰胺时，由图可看出投加量为0.525 g/L时，藻的去除率最大为94.07%。

可见，当单独使用壳聚糖的投加量为3.6 g/L时，聚丙烯酰胺的投加量为0.525 g/L时，上清液OD值和藻的去除率以及浓缩倍数均能达到相对好的效果。

图1 壳聚糖与PAM的投加量对铜绿微囊藻去除率的影响

3.1.2 藻液pH对去除率的影响 一般而言，阳离子型絮凝剂适合于在酸性和中性的环境下使用；阴离子型絮凝剂适合于在中性和碱性的环境下使用，因此，pH对絮凝效果影响很大。如图2所示，藻液浓度为1.51 g/L、藻液pH值为9.38时，利用以配好的1mol/L的NaOH溶液，以及1mol/L的HCl溶液，调节其pH在6～11范围内变化，加入3.6g/L壳聚糖溶液，处理后上清液OD值先从0.129下降到0.039（pH为7），然后继续上升到0.065。而藻的去除率在pH为7达到最大，为94.40%。加入0.525 g/L聚丙烯酰胺溶液，处理后上清液OD值先从0.072下降到0.042（pH为9），然后继续上升到0.067。而藻的去除率先从85.83%上升到93.97%（pH为7），然后下降到90.43%。

由图2可见，pH值对壳聚糖以及聚丙烯酰胺絮凝作用的影响非常大。当壳聚糖为单一絮凝剂，藻液的pH为7时，上清液OD值和藻的去除率以及浓缩倍数均能达到相对好的效果。当聚丙烯酰胺为单一絮凝剂，藻液的pH为9时，上清液OD值和藻的去除率以及浓缩倍数均能达到相对好的效果。

3.1.3 絮凝剂絮凝时间对去除率的影响 一般而言，絮凝效果随絮凝剂的投加混合后絮凝时间增加而增强；但当絮凝时间达到最佳投加量后，即使再增加絮凝时间，其絮凝效果变化也未必增加，有时出现相反效果。如图3所示，藻液浓度为1.51 g/L、藻液pH值为7时，壳聚糖的投加量3.6 g/L，0～21min每隔3m in测定藻液上清液的OD值，处理后上清液OD值先从0.129下降到0.041（絮凝时间为12 m in），之后一直没有变化。而藻的去除率先从92.44%上升到94.02%（絮凝时间为12m in），之后一直没变。同能观察到，当絮凝时间为12min时，絮凝体积较小。藻液浓度为1.51g/L、藻液pH值为9时，PAM的投加量为0.525 g/L，0～21m in每隔3m in测定藻液上清液的OD值，处理后上清液OD值先从0.042下降到0.040（絮凝时间为9 m in），之后变化不大。而藻的去除率先从93.06%上升到94.26%（絮凝时间为9m in），之后一直变化不大。同能观察到，混合均匀后，藻体已经基本絮凝，但水体只还遗留少量藻体，因此，还需沉淀一段时间。

图2 藻液pH对铜绿微囊藻去除率的影响

图3 壳聚糖与PAM的絮凝时间对铜绿微囊藻的影响

由图2—3可见，当铜绿微囊藻浓度、壳聚糖用量及pH值不变时，絮凝时间对絮凝效果影响较大。所以下面的实验过程中，当壳聚糖为单一絮凝剂且投加量3.6 g/L，藻液pH为7时，絮凝时间最佳为12m in。当聚丙烯酰胺为单一絮凝剂且投加量0.525 g/L，藻液pH为9时，絮凝时间最佳为9m in。

3.2 壳聚糖作为絮凝剂、聚丙烯酰胺为助凝剂，利用响应面法优化絮凝条件响应面法对铜绿微囊藻絮凝条件进行优化。综合单因子实验结果，根据Box-Benhnken的中心组合实验设计原理［12］，采用响应面法在四因子三水平上对铜绿微囊藻的絮凝条件进行优化。设计实验因子和水平见表1。

表1 响应面分析因子及水平表

表2 响应面分析方案及实验结果

表3 方差分析结果

以铜绿微囊藻絮凝的去除率Y为响应值，根据表1因子进行正交实验，对其结果进行响应面分析，实验结果见表2。对所得数据进行方差分析，分析结果见表3。

从表3中方差结果可以知道，模型的P值小于0.0001，表明该模型显着。模型的校正决定系数R2= 0.9262，说明92.62%的数据能用该模型解释。同时变异系数C.V.%=0.28，及精密度Adeq Precisior为17.832表明了该二次项模型的可靠性。失拟项的P值远大于0.05说明该模型能有效的预测铜绿微囊藻的去除率。因此采用最优去除率时的实验参数来预测该模型的可靠性即：在壳聚糖的投加量为3.59 g/L，PAM的投加量为0.428g/L，沉淀时间为13min，pH为8.02，平行3次实验，得到铜绿微囊藻的平均去除率为98.03%与理论去除率98.01%相差0.02%，表明该模型能预测铜绿微囊藻的去除率是可行的。

通过Design Expert8.0.5软件对去除率试验结果进行回归分析，得到二次回归模型为：

4 结论

图4 各参数的响应面

单独使用壳聚糖作为铜绿微囊藻细胞的絮凝剂，絮凝效率可达到90%以上，其絮凝效果强于张普等用改性粉煤灰对铜绿微囊藻的去除效果［13］，与刘庆所做实验结果相一致［14］。壳聚糖投加量3.6 g/L，藻液最佳pH为7，沉淀时间为12 m in。单独使用聚丙烯酰胺投加量0.525 g/L，藻液最佳pH为9，沉淀时间9m in。同时，本实验通过响应面法建立了4个影响因素（壳聚糖投加量、聚丙烯酰胺投加量、沉淀时间、pH）对铜绿微囊藻去除率的数学模型，并对铜绿微囊藻的去除率进行了优化，得出最佳絮凝条件：壳聚糖的投加量为3.59 g/L，PAM的投加量为0.428 g/L，沉淀时间为13m in，pH为8.02，去除率可达到98.01%。并通过平行实验验证了该模型的可靠性。而藻类等植物也会对水体污染物的去除有正面效应［15］，如何控制藻类在不发生水华的情况下又可以净化水质，是我们今后努力的方向。

［ 1］ Krogh W W.Algal toxins and water-based diseases［J］.CRC critical Rev.environ Control，1985，1：275-313.

［ 2］ Pouria S，Deandrade A，Barbosa J，et al.Fatalmicrocystin intoxication in haemodialysis unit in Caruaru［J］. Brazil Lancet，1998，352（9121）：21-26.

［ 3］ 潘纲，张明明，等.黏土絮凝沉降铜绿微囊藻的动力学及其作用机理［J］.环境科学，2003，24（5）：1-11.

［ 4］ 闫海，潘纲，张明明.微囊藻毒素研究进展［J］.生态学报，2002，22（11）：1968-1975.

［ 5］ 2013年中国水资源公报［J］.中华人民共和国水利部公报，2014.

［ 6］ 金相灿，李兆春，等.铜绿微囊藻生长特性研究［J］.环境科学研究，2004，17（s1）：52-61.

［ 7］ 谢瑞，姬昌辉，王永平.湖泊底泥絮凝沉降试验研究［J］.水利水运工程学报，2015（2）：55-60.

［ 8］ 付军，闫海，等.聚铝及其加载粘土矿物高效絮凝沉降铜绿微囊藻的研究［J］.环境污染治理技术与设备，2006，7（1）：76-79.

［ 9］ Hk N，Sp.M.Application of chitosan for treatment ofwastewaters［J］.Reviews of Environmental Contamination and Toxicology，2000，163：11-27.

［10］ Cp H，Jr P，et al.Optimal condition formodification of chitosan：A biopolymer for coagulation of colloidal parti⁃cles［J］.Water Research，2000，34（3）：1057-1062.

［11］ 王志萍.阳离子聚丙烯酰胺絮凝剂的制备及其絮凝性能［J］.化工环保，2007（4）：374-378.

［12］ Torres E J，Moreno R B，et al.Response Surface Methodology and its application in evaluating scientific activity［J］.Scientometrics，2009，21（1）：201-218.

［13］ 张普，董利英，等 .改性粉煤灰对铜绿微囊藻的去除效果及影响因素研究［J］.水处理技术，2015（1）：56-60.

［14］ 刘庆.壳聚糖与矿物复合絮凝对铜绿微囊藻去除效果的研究［J］.污染防治技术，2014（6）：14-19.

［15］ 付凌，胡春宏.潜流人工湿地对污染物去除率的正交实验研究［J］.中国水利水电科学研究院学报，2014，12（4）：358-365.

Removal efficiency of Microcystis aeruginosa by chitosan and polyacrylamide as flocculants

SH I Qi，TAN Qianru，YANG Dongdong，LI Liao
（HubeiUniv，Wuhan 430068，China）

The removal efficiency of Microcystis aeruginosa by chitosan and polyacrylam ide were carried out from indoor simulation tests in this paper．The effect of pH value，precipitation time and flocculant dosage etc.on flocculation efficiency of Microcystis aeruginosa was studied systematically.Finally，The conditions of flocculation of Microcystis aeruginosa were optimized by response surface method(RSM).In addition，ac⁃cording to ANOVA of model，three factors including pH value，precipitation time and flocculant dosage had significant effects for flocculation efficiency.Their optimal values obtained by RSM were as follows∶Chi⁃tosan dosage 3.59g/L，PAM dosage 0.2625g/L，precipitation time 13min，PH value 8.02.Under this condi⁃tions，the removal efficiency of Microcystis aeruginosa had reached 98.03%，and there was no obvious differ⁃ence compared to the predicted removal efficiency which value was 98.01%.Therefore，it is reasonable and reliable to optimize flocculation parameters using RSM.

Microcystis aeruginosa；removal efficiency；Chitosan；PAM；RSM

X171

：Adoi：10.13244/j.cnki.jiwhr.2015.05.012

1672-3031（2015）05-0385-06

（责任编辑：韩 昆）

石琦（1992-）女，山西忻州人，硕士生，主要从事藻类光合研究。E-mail：1554972697@qq.com