三峡库区村镇水源中典型水华藻种PAC混凝去除效果比较研究

郭子秋，陈 杰，田 梦，赵 彬，安 强

(重庆大学 环境与生态学院，重庆 400045)

三峡库区村镇饮用水多以水库水为水源，其水质质量受到山地气候和人类活动等复杂因素的影响。库区水库中水流流速缓慢，水体温差小，水体自净能力低；而且，农业化肥施用量的增加和生活污水的直接排放，导致受纳水体中氮、磷含量增加[1]，更是直接影响藻类生长繁殖，诱发水华暴发。历年的监测结果表明，三峡库区水华暴发时的优势藻种种类多样，以绿藻、硅藻为主要种属[1-2]。此外，甲藻水华作为常见的淡水水华，近年来在三峡库区内也屡有报道[3-4]。水华暴发时，大量增加的藻类会引起原水浊度升高，导致水厂滤池滤料堵塞并使滤料泥球化，减少出水量；同时，尺寸较小的藻类会穿透滤池进入清水池和管网，严重影响管网水质[5]。因此，寻找库区水华爆发时的应急除藻、除浊对策是目前亟待解决的关键问题。

混凝沉淀法通过投加混凝剂使体积微小的藻细胞脱稳形成较大絮体而从水体中分离去除，具有高效率、低成本的特点，同时，其对藻细胞损伤较小，减少了藻毒素释放的可能，安全性高[6]。因此，混凝沉淀法是目前应用最为广泛的除藻、除浊方法之一，可以作为藻类污染的应急控制手段[7]。聚合氯化铝(PAC)是常用的无机高分子混凝剂之一，在弱碱性条件下极易水解缩合产生一些带正电荷的高价多核配合物，通过吸附电性中和、吸附架桥和网捕卷扫等作用达到良好的除藻、除浊效果。刘丽娟等[8]使用PAC混凝处理广东某含藻湖水，发现当PAC投加量为4 mg/L时，除藻率和除浊率便已经能够分别达到83%和90%；王菲[9]以70 mg/L的PAC投加量处理pH为8的高藻水，也获得95.3%的除藻率和91.8%的除浊率。

藻类细胞微小，形态各异，其自身性质会影响混凝产生絮体的形态，因此水体中优势藻种的不同可能会对混凝剂的投加量产生影响。对于不同类别的藻种，采用相同的混凝剂投加量，不仅可能无法获得理想的处理效果，还可能造成混凝剂的浪费。因此，考察不同藻种适宜的混凝剂投加量及絮体形态特征，对于进一步优化混凝沉淀除藻、除浊效果具有重要意义，但目前相关研究较为缺乏。鉴于此，本研究以三峡库区典型水华藻种为研究对象，比较各类藻种的形态特征，考察不同PAC投加量下藻类细胞(以叶绿素a表示)和浊度的去除效率，并结合混凝沉淀后絮体结构，探讨藻种自身形态和PAC投加量对于叶绿素a和浊度去除效果的影响，筛选出三峡库区典型水华藻种混凝去除的适宜PAC投加量，为开发高藻季节高效经济的应急除藻技术提供指导。

1 材料和方法

1.1 实验藻种筛选及培养

本试验所选取的三峡库区典型水华藻种为：小球藻(绿藻)、衣藻(绿藻)、小环藻(硅藻)、针杆藻(硅藻)、光甲藻(甲藻)，藻种(表1)均购自中国科学院水生生物研究所淡水藻种库。实验所用培养基的设置参考中国科学院淡水藻种库。其中，(1)小球藻的培养采用BG11培养基，其成分为：NaNO31.5 g/L，K2HPO40.04 g/L，MgSO4·7H2O 0.075 g/L，CaCl2·2H2O 0.036 g/L，Citric acid 0.006 g/L，Ferric ammonium citrate 0.006 g/L，EDTA-2Na 0.001 g/L，NaCO30.02 g/L，A5(微量元素)1 mL/L；(2)衣藻的培养采用SE培养基，其成分为：NaNO30.25 g/L，K2HPO40.075 g/L，KH2PO40.175 g/L，MgSO4·7H2O 0.075 g/L，CaCl2·2H2O 0.025 g/L，NaCl 0.025 g/L，FeCl3·6H2O 0.005 g/L，EDTA-Fe 1 mL/L，A5(微量元素)1 mL/L，土壤提取液 40 mL/L；(3)小环藻、针杆藻的培养采用CSI培养基，其成分为：Ca(NO3)4·4H2O 0.15 g/L，KNO30.1 g/L，MgSO4·7H2O 0.04 g/L，β-Na2 glycerophosphate·5H2O 0.025 g/L，Vitamin B120.1 μg/L，Biotin 0.1 μg/L，Thiamine HCl 10 μg/L，PIV(微量元素)1mL/L，HEPES 0.5 g/L，Na2SiO3·9H2O 0.1 g/L，土壤提取液 30 mL/L；(4)光甲藻的培养采用119培养基，其成分为：NaNO30.05 g/L，MgSO4·7H2O 0.015 g/L，CaCl2·2H2O 0.01 g/L，KH2PO40.007 g/L，Na2SiO3·9H2O 0.005 g/L，KHCO30.01 g/L，Na2CO30.005 g/L，PIV(微量元素)1 mL/L，EDTA-Fe 1 mL/L，土壤提取液 30 mL/L。各培养基使用前在121 ℃下灭菌30 min。在无菌环境下，将购买的藻液接种至培养基，在光照培养箱中按照温度25 ℃、照度2 000 Lx、光暗比12 h∶12 h进行密闭培养。当藻种培养至颜色较深时，重复上述方法进行扩大培养至所需的数量。

表1 实验藻种及所需培养基

1.2 藻种PAC混凝实验

不同藻种PAC混凝实验采用六联混凝试验搅拌机(ZR4-6，深圳中润)进行。将扩培后的实验藻种用自来水进行稀释，稀释后的实验水样控制叶绿素a浓度为 80～120 μg/L，pH 为8.0～8.5。基于预实验及文献报道[8-9]，将 PAC的投加量设置为0、15、35、50、65和80 mg/L等6个梯度。混凝搅拌实验在文献的基础上设计改良[8]，具体操作如下：室温下，量取600 mL实验水样于1 L的搅拌杯中，分别投加不同剂量的PAC后，以800 r/min 的转速快速搅拌30 s；之后，在絮凝搅拌阶段分别以140、125、115、105、100和90 r/min转速各搅拌4 min，共计24 min；最后，静置沉淀30 min后，用50 mL的注射器吸取液面5 cm下的上清液进行叶绿素a和剩余浊度分析，并取搅拌杯底部的絮凝体观察拍照。

1.3 观测指标及方法

1.3.1 藻种细胞及絮体形态观测用吸管移取培养得到的藻细胞原液，放置于洁净的玻片上，于100倍显微镜(UPH203i，澳浦)下观察藻种细胞形态并拍照。当藻液中加入PAC进行混凝搅拌实验后，收集搅拌杯底部絮体沉淀，同样放置于洁净玻片上于100倍显微镜(UPH203i，澳浦)下观察并拍照。

1.3.2 浊度测量每次取上清液水样体积约30 mL，剧烈振荡混匀后利用浊度仪(2100Q，哈希)测定，每次测定取两个平行。

1.3.3 叶绿素a浓度测定用0.45 μm乙酸纤维滤膜抽滤上清液水样，将过滤后的滤膜用90%的丙酮(3 mL)浸没并密闭避光放置36 h进行叶绿素的提取；36 h后，将浸出液转出并用90%丙酮润洗滤膜两次后定容至10 mL；以90%丙酮为空白，用1 cm玻璃比色皿在紫外分光光度计(TU-1901，北京普析)上分别测定其在630、645、663 和750 nm波长下的吸光度D630、D645、D663和D750，每次测定取两个平行。叶绿素a(Chl a)浓度依下述公式进行计算：

Chla(μg/L)=

式中：V1为提取液定容后的体积 (mL)，V为抽滤的水样体积 (mL)，δ为比色皿光程 (cm)，D为吸光度。

1.4 数据分析

采用Origin 9.0进行数据绘图，绘图时采用平均值，以标准差作为误差。

2 结果与分析

2.1 实验藻种的选定

根据历年来三峡库区水华暴发时的相关研究，库区水华多爆发于春秋季，以绿藻和硅藻为主[1]。同时，对重庆市云阳县的两个水库的现场采样分析结果也表明，绿藻和硅藻是两水库中优势最为明显的门类(图1)。此外，甲藻水华作为常见的淡水水华，近年来在三峡库区内也屡有报道[3-4, 10]。因此，本研究所选取的三峡库区典型水华藻种为：小球藻(绿藻)、衣藻(绿藻)、小环藻(硅藻)、针杆藻(硅藻)和光甲藻(甲藻)。

2.2 实验藻种的形态特征

在光学显微镜下对实验藻种进行观察，可见它们形态特征存在明显差异(图2)。其中，小球藻和衣藻均为单细胞，呈球形或椭球形。小球藻细胞直径为5～10 μm；衣藻细胞直径稍大，约为5～30 μm。光甲藻和针杆藻同样为单细胞，且相比其他实验藻种细胞形态较大。具体而言，光甲藻细胞呈球形、卵形或椭圆形，直径20～40 μm；而针杆藻细胞结构特殊，呈长线形，长约90～300 μm，宽5～6 μm。小环藻细胞呈短圆柱形，相对其他实验藻种其大小适中，直径为10～30 μm。显然，不同的藻种形态各异，大小差别较大。在混凝除藻理论中，藻类被近似看作胶体颗粒，而不同藻种各异的形态特征很可能会影响絮体形态进而影响混凝沉淀的效果[11]。

2.3 PAC投加量对不同藻种叶绿素a和浊度去除效果的影响

2.3.1 小球藻从图3，A可知，小球藻的叶绿素a和浊度去除率在不投加PAC时(投加量为0 mg/L)均较低，分别为12.8%和7.2%；当PAC投加量为15 mg/L时，叶绿素a和浊度去除率分别大幅上升到91.7% 和91.3%，此时小球藻所形成的絮体大而密实，沉降性好(图3，B)；之后，在35 mg/L和50 mg/L的投加量下，两者的去除率也基本稳定在90%左右，以50 mg/L的投加量下的情况为例，此时絮体略微减小，但数量众多，絮体状态也相对较好(图3，C)；但进一步增加PAC投加量，小球藻叶绿素a和浊度去除率均出现下降趋势，在PAC投加量为80 mg/L时分别降至84.6% 和71.3%，此时小球藻大块絮体消失，转变为较小较分散的絮体(图3，D)。上述结果表明，PAC投加量在15～50 mg/L内均对小球藻有良好的混凝去除效果，结合经济因素考虑，PAC混凝去除小球藻的最适投加量为15 mg/L。

2.3.2 衣藻衣藻叶绿素a和浊度去除率随PAC投加量的变化趋势与小球藻较为类似(图4，A)。当PAC投加量为0 mg/L时，衣藻的叶绿素a去除率和浊度去除率分别仅有9.2%和10.4%。加入15 mg/L 的PAC后，可以观察到明显的絮体形成，沉降性较佳(图4，B)，叶绿素a和浊度去除率分别大幅上升至89.9%和75.6%。叶绿素a和浊度去除率在PAC投加量为65 mg/L时达到最大值，二者分别为95.4%和85.5%，此时，衣藻絮体沉降性最好，有明显的大块絮体形成(图4，C)；但当PAC投加量为80 mg/L时，衣藻叶绿素a和浊度去除率分别下降至81.7%和78.9%，絮体形态的变化也十分明显，表现为大絮块消失，絮体变得分散(图4，D)。可见，PAC投加量在15～65 mg/L内均对衣藻有较好的混凝去除效果，但衣藻絮体相比小球藻偏小，综合考虑认为PAC混凝去除衣藻的最适投加量为65 mg/L。

2.3.3 小环藻图5，A显示，不添加PAC时(0 mg/L)，小环藻叶绿素a和浊度去除率分别为12.0%和1.7%。当PAC投加量为15 mg/L时，小环藻叶绿素a去除率仅有22.3%，相比不添加PAC时提升较小；而此时的浊度去除率甚至出现负值，表明PAC几乎没有起到混凝除藻作用，此时也几乎没有絮体生成，仅有零星分布(图5，B)。之后，随着PAC投加量的增加，小环藻叶绿素a和浊度去除率也随之上升，当PAC投加量达到35 mg/L时，开始有絮体形成，但絮体较少且较为分散，(图5，C)叶绿素a和浊度去除率分别为44.2%和22.8%，也相对较低。当PAC投加量达到50 mg/L时，叶绿素a和浊度去除率能够分别达到82.0%和85.2%，开始表现出明显的除藻效果。当PAC投加量达到65 mg/L时，叶绿素a和浊度去除率达到最大值，分别为93.4%和91.9%，此时，可以观察到较多的密实絮体形成(图5，D)。此后，PAC投加量的增加不再产生明显影响，除藻效果基本稳定。但值得注意的是，即使在小环藻达到最佳去除效果时，小环藻形成的絮体相比其他藻种也偏小偏少。由上述结果可知，PAC投加量较低(0～35 mg/L)时，PAC混凝去除小环藻的效果较差；投加量达到50 mg/L才有明显的混凝除藻效果；而当PAC投加量在65～80 mg/L时，小环藻的混凝去除效果基本稳定。因此，PAC混凝去除小环藻的最适投加量为65 mg/L。

2.3.4 针杆藻从图6，A可以看出，当不投加PAC(0 mg/L)时，针杆藻叶绿素a和浊度去除率已经能够分别达到74.8%和47.1%，表明针杆藻自身具有优越的沉降性能，易于从水中分离去除。PAC投加量在15 mg/L时，叶绿素a和浊度去除率为80%左右，此时已经能观察到较为明显的针杆藻絮体，但数量较少(图6，B)。随后，在PAC投加量为35～80 mg/L时，针杆藻叶绿素a和浊度去除效果逐渐上升，絮体也逐渐变得更多更密集。当投加量为35 mg/L时，叶绿素a和浊度去除率分别为88.0%和87.1%，絮体相比PAC投加量为15 mg/L时明显增多(图6，C)；而当PAC投加量为65 mg/L时，叶绿素a和浊度去除率分别为92.6%和92.7%，此时絮体基本布满视野，层叠密实(图6，D)；PAC投加量增加到80 mg/L时，叶绿素a和浊度去除率也继续保持在90%以上，絮体状态与PAC投加量为65 mg/L时类似。上述结果表明，PAC投加量在15～80 mg/L内对针杆藻均有较好的混凝去除效果，综合考虑认为PAC混凝去除针杆藻的最适投加量为65 mg/L。

Ⅰ.小球藻；Ⅱ.衣藻；Ⅲ.小环藻；Ⅳ.针杆藻；Ⅴ.光甲藻图2 显微镜下实验藻种形态特征(100×)Ⅰ. Chlorella； Ⅱ. Chlamydomonas； Ⅲ. Cyclotella； Ⅳ. Synedra； Ⅴ. GlenodiniumFig.2 Morphological characteristics of experimental algae under microscope(100×)

图3 不同PAC投加量下小球藻叶绿素a和浊度的去除率(A)及絮体状态(B-D)Fig.3 The Chl-a and turbidity removal efficiency (A) and floc morphology (B-D) of Chlorella with different PAC dosages

图4 不同PAC投加量下衣藻叶绿素a和浊度的去除率(A)及絮体状态(B-D)Fig.4 The Chl-a and turbidity removal efficiency (A) and floc morphology (B-D) of Chlamydomonas with different PAC dosages

2.3.5 光甲藻与针杆藻类表现类似，当不投加PAC时，光甲藻已表现出较高的叶绿素a和浊度去除率，分别达到74.5%和56.0%(图7，A)，表明光甲藻自身具有良好的沉降性能。当PAC投加量为15 mg/L时，其叶绿素a和浊度的去除率最高，分别可达93.5%和97.4%，此时光甲藻絮体较大且数量较多(图7，B)，反映出良好的沉降去除效果。之后，各投加量处理的叶绿素a和浊度的去除率基本稳定在90%以上。值得注意的是，PAC投加量超过15 mg/L之后，光甲藻絮体逐渐变小。具体来说，当PAC投加量为50 mg/L时，光甲藻絮体明显变小，但数量仍然较多(图7，C)。当PAC投加量为80 mg/L时，絮体进一步变小(图7，D)。但总的来说，相比其他藻种，光甲藻藻液中投加PAC后始终有大量絮体形成。因此，与针杆藻类似，PAC投加量在15～80 mg/L内对于光甲藻均有较好的混凝去除效果，但由于光甲藻絮体随着PAC投加量的增加出现了减小的情况，PAC的投加量不宜过大，最适投加量为15 mg/L。

图5 不同PAC投加量下小环藻叶绿素a和浊度的去除率(A)及絮体状态(B-D)Fig.5 The Chl-a and turbidity removal efficiency (A) and floc morphology(B-D) of Cyclotella with different PAC dosages

图6 不同PAC投加量下针杆藻叶绿素a和浊度的去除率(A)及絮体状态(B-D)Fig.6 The Chl-a and turbidity removal efficiency (A) and floc morphology(B-D) of Synedra with different PAC dosages

图7 不同PAC投加量下光甲藻叶绿素a和浊度的去除率(A)及絮体状态(B-D)Fig.7 The Chl-a and turbidity removal efficiency (A) and floc morphology(B-D) of Glenodinium with different PAC dosages

3 讨 论

Rita Henderson等[12]的研究表明藻种形态影响水体中藻类的去除。本研究结果也表明，不同藻种混凝去除效果以及所需的PAC投加量有所不同，这可能与不同藻种自身形态特征有关。

首先，从整体表现来看，光甲藻和针杆藻在PAC投加量为15～80 mg/L的范围内均能取得良好的混凝去除效果，适宜范围相对较广。对光甲藻来说，在PAC投加量为15～80 mg/L时，其叶绿素a和浊度去除率均能保持在90%以上，这可能得益于光甲藻较大的细胞直径(20～40 μm)及其呈球形、卵形或椭圆形的细胞形态。较大的细胞直径使得光甲藻具有更好的沉降性，其近球形的细胞形态也利于藻细胞的聚集。因此采用PAC混凝去除效果较好，相应产生的絮体也更大更多，结构也更为密实。而对于针杆藻，其叶绿素a和浊度去除率在PAC投加量为15～50 mg/L时均能保持在80%以上，在投加量为65～80 mg/L时则达到90%以上，这可能同样与针杆藻细胞偏大(长约90～300 μm，宽5～6 μm)有关。与此同时，特殊的长线型结构，也使得针杆藻可能具有更多能与混凝剂结合的位点，利于絮体的形成，且下沉过程中也能带动更多的藻细胞共沉淀，从而形成密实利于沉淀的絮体，表现出良好的PAC混凝去除效果。

但值得注意的是，光甲藻的叶绿素a和浊度去除效率在PAC投加量为15 mg/L时达到最大，此时絮体也最大最密集。随后，即使PAC投加量继续增加，光甲藻的去除效果也无法继续提升，而是保持稳定，但絮体却逐渐变小，这表明PAC过量添加会对光甲藻的混凝沉降产生不利影响。这可能是由于PAC投加量过大时，会导致藻细胞与PAC间产生不利的静电排斥，随着絮体逐渐变小，藻细胞与混凝剂之间的吸附架桥作用减弱，出现“再稳”现象[13]。因此，PAC混凝去除光甲藻的浓度不应过高，结合絮体形态和去除率结果综合考虑以15 mg/L为宜。相反，针杆藻随着PAC投加量的增加，叶绿素a和浊度去除率不断上升，絮体也逐渐变得更多更密实，表明同样是自身沉降性良好的藻种，针杆藻相比光甲藻可能具有更广泛的适宜PAC投加量范围。而且，针杆藻最适PAC投加量为65 mg/L，这可能是因为其特殊的线型结构，需要更多的PAC来形成更多的结合位点，促进絮体的形成。

其次，衣藻和小球藻采用PAC混凝也能取得较好的去除效果。小球藻和衣藻的适宜PAC投加范围分别为15～50 mg/L和15～65 mg/L。在适宜PAC投加量范围内，小球藻的叶绿素a和浊度去除率均在90%以上，衣藻的叶绿素a和浊度去除率也基本都在80%以上。衣藻和小球藻生成的絮体相比光甲藻和针杆藻较小，但总的来说也较为明显密集，这可能是由于小球藻和衣藻的细胞大小在所选实验藻种中属于中等偏小的范围(二者的细胞直径分别为5～10 μm和5～30 μm)，也不具有类似针杆藻的特殊长线型结构，从而絮体大小和数量不足以和针杆藻与光甲藻相比。但同时，正是由于小球藻和衣藻较小的细胞尺寸和球形或椭球形的形态，使二者更接近于胶体，因而同样具有较好的混凝去除效果。此外，有研究表明，在弱碱性条件下，小球藻会分泌胞外聚合物而产生凝聚和下沉现象，故容易去除[14-15]。值得注意的是，当投加量超出一定范围时，小球藻和衣藻的去除效果均表现出下降现象，这可能是PAC投加量过高时产生了“胶体保护”作用，使脱稳胶粒电荷变号或使胶粒被包卷而重新稳定。对于小球藻、衣藻这类体积偏小的藻种，它们的混凝去除效果受混凝剂投加量的影响会更加明显，因此采用适宜的投加量显得更为重要，投加量过高不仅造成药品浪费，更会导致处理效果变差。两种藻种不同的是，小球藻在PAC投加量为15 mg/L时即可达到最佳去除效果，叶绿素a和浊度去除率维持在91%左右，絮体状态最佳；而衣藻的最佳去除效果出现在PAC投加量为65 mg/L时，最高浊度去除率为83%左右，低于小球藻。说明相比较而言，小球藻的混凝去除效果强于衣藻，这可能与小球藻更小的形态和其分泌胞外聚合物的能力有关。

另外，小环藻相对来说不易取得良好的混凝去除效果。从细胞大小上来说，小环藻直径约10～30 μm，大于小球藻和衣藻，而其短圆柱形的形态也相对不容易聚集。只有当PAC投加量达到50 mg/L之上时，小环藻的叶绿素a和浊度去除率才能达到80%以上，较小球藻和衣藻差。相应地，小环藻也难以产生大量絮体，即使当PAC投加量为65 mg/L，达到小环藻最佳叶绿素a和浊度去除率93.4%和92.0%时，小环藻絮体的数量和密集程度也远低于其他几种实验藻种。造成这一结果的原因，可能也与小环藻细胞的形态有关。小环藻属主要为浮游种类，其短圆柱形的形态利于悬浮于水面，故其难以沉降分离，添加混凝剂也难以去除。因此，小环藻要在PAC投加量为50～80 mg/L时，去除效果较好。

综上所述，PAC混凝沉淀法可用于三峡库区村镇水源水华暴发时的应急除藻、除浊。光甲藻和针杆藻PAC混凝去除效果最好，小球藻和衣藻次之，小环藻相对来说不易取得良好的混凝去除效果。现有研究结果表明，当水华优势藻种为小球藻时，适宜的PAC投加范围为15～50 mg/L，最适投加量为15 mg/L；当水华优势藻种为衣藻时，适宜的PAC投加范围为15～65 mg/L，最适投加量为65 mg/L；当水华优势藻种为小环藻时，适宜的PAC投加量范围为50～80 mg/L，最适投加量为65 mg/L；当水华优势藻种为针杆藻或光甲藻时，适宜的PAC投加量范围为15～80 mg/L，最适投加量分别为65 mg/L和15 mg/L。针杆藻和光甲藻容易形成大而密实的絮体，小球藻和衣藻形成的絮体相对较小，小环藻絮体形成能力最弱，这与藻种细胞的形态特征密切相关。然而，目前研究所用藻种为实验室配制的单一藻种，还需要进一步对混合藻种去除时PAC投加量进行研究。而且，实际水体中的状况往往更加复杂，在应用于实际之前，还需要采用三峡库区水华暴发时的实际水样进行实验，对本研究的实验结果进行进一步验证和改善，以确定本研究应用于实际三峡库区高藻季节水华暴发时应急处理的可行性。