石 琦，譚纖茹，楊冬冬，李 嬌

（湖北工業(yè)大學，湖北 武漢 430068）

殼聚糖和聚丙烯酰胺復合對銅綠微囊藻去除效果的研究

石 琦，譚纖茹，楊冬冬，李 嬌

（湖北工業(yè)大學，湖北 武漢 430068）

利用室內模擬實驗，以殼聚糖（Chitosan）和聚丙烯酰胺（PAM）為絮凝劑，采用絮凝法去除銅綠微囊藻。系統(tǒng)研究了殼聚糖和聚丙烯酰胺投加量、pH值以及沉淀時間等因素對絮凝效果的影響。并利用響應面法對銅綠微囊藻絮凝進行優(yōu)化。根據統(tǒng)計模型發(fā)現投加量、pH值、沉淀時間均對銅綠微囊藻的絮凝效果有顯著影響。通過響應面法優(yōu)化得到銅綠微囊藻絮凝的條件在溫度為27℃下，殼聚糖的投加量為3.59 g/L，聚丙烯酰胺的最佳投加量為0.26 g/L，沉淀時間為13m in，pH為8.02。在上述的最優(yōu)條件下，銅綠微囊藻的去除率為98.03%，與模型預測值98.01%相近，表明采用響應面法對銅綠微囊藻絮凝沉淀條件進行優(yōu)化是合理可行的。

銅綠微囊藻；絮凝；殼聚糖；聚丙烯酰胺；響應面

1 研究背景

有害“藻華”的頻繁暴發(fā)和由此產生的藻毒素污染等，使治理藻類污染成為當今國內外努力探索的一大難題［1-4］。根據國家水利部2014年底公布的中國水資源公報，2013年對湖泊進行營養(yǎng)狀態(tài)評價，大部分湖泊處于富營養(yǎng)狀態(tài)。貧營養(yǎng)湖泊1個，占評價湖泊總數的0.8%；中營養(yǎng)湖泊35個，占評價湖泊總數的29.4%；富營養(yǎng)湖泊83個，占評價湖泊總數的69.8%［5］。

在我國富營養(yǎng)化水體中，銅綠微囊藻的生理生態(tài)特點特殊，使其在富營養(yǎng)化水體中容易成為優(yōu)勢藻種并導致藍藻水華的爆發(fā)。銅綠微囊藻在死亡或細胞膜通透性增強時會向水中釋放微囊藻毒素，降低水質并對環(huán)境和人類健康造成危害［6］。

目前絮凝劑廣泛用于湖泊富營養(yǎng)化治理，絮凝的沉降速度與單個顆粒物質相比，會發(fā)生量和質的變化［7］。由于銅綠微囊藻的細胞體積小，粒徑約2.5μm，且?guī)ж撾姾桑琙eta電位為-20m V，不易沉降，常用的水處理絮凝劑都無法將其有效去除［8］。而殼聚糖具有較好的絮凝效果［9］，同時可在短時間內被生物降解，不會造成環(huán)境污染［10］，對于水處理行業(yè)具有較大的吸引力，同時對銅綠微囊藻的去除率較高。同時聚丙烯酰胺也具有高效的絮凝效果，最適絮凝溫度為25℃［11］（與實驗溫度相同）。因此本實驗用殼聚糖與聚丙烯酰胺作為絮凝劑，研究其對銅綠微囊藻的去除效果。

2 材料與方法

2.1 實驗材料與儀器實驗藻種：本實驗所用藻種為銅綠微囊藻，M icrocystis aeruginosa469，購自中國科學院水生生物研究所（武漢）國家淡水藻種庫（FACHB），編號為FACHB-469。藻樣在2 000m l錐形瓶中，放置于恒溫培養(yǎng)箱內室內充氣半連續(xù)培養(yǎng)。培養(yǎng)溫度為25℃，光照強度為150μmol·m-2·s-1，光照周期12∶12，取對數生長期藻樣做絮凝實驗。每次實驗藻樣OD680nm為0.67，pH為9.38。

實驗儀器有UV-1800紫外可見分光光度計，MY 3000-6智能性混凝試驗攪拌儀，雷磁PHSJ-4F型pH計。

2.2 分析方法

2.2.1 銅綠微囊藻的細胞濃度 在溫度為25℃下測定藻液在680 nm波長下吸光度值，間接表示藻生物量的變化，記為OD680nm。

2.2.2 銅綠微囊藻的去除率 去除率=（OD0－ODt）/OD0×100%。其中：OD0為初始時刻藻液的OD680nm；ODt為絮凝時間t時藻液的OD680nm。

2.2.3 pH的測定方法 在使用前先用pH緩沖液校準pH計。在溫度為25℃下將參比電極和玻璃電極放入銅綠微囊藻溶液中測定。

2.3 單因素實驗設計

2.3.1 絮凝劑添加量對去除率的影響實驗 藻樣OD680nm為0.67、藻液pH值為9.38時搖勻后用移液管取20 m l藻液，按3.0、3.3、3.6、3.9、4.2g/L加入殼聚糖，0.175、0.350、0.525、0.700、0.875、1.050 g/L加入聚丙烯酰胺，用攪拌儀攪拌5m in，固定絮凝時間，測定藻液上清液OD680nm，實驗重復3次，求平均值，計算去除率。

2.3.2 藻液pH對去除率的影響實驗 藻樣OD680nm為0.67、藻液pH值為9.38時搖勻后用移液管取20m l藻液，利用1mol/L鹽酸和1mol/L NaOH調節(jié)藻液pH為6、7、8、9、10、11，加入固定量的殼聚糖或聚丙烯酰胺絮凝劑，用攪拌儀攪拌5m in后絮凝一段時間，測定在不同pH下其對藻液的去除效果。

2.3.3 絮凝時間對去除率的影響實驗 藻樣OD680nm為0.67、藻液pH值為9.38時搖勻后用移液管取20m l藻液，加入一定量的絮凝劑，用攪拌儀攪拌5min后，分別在3、6、9、12、15、18、21m in時用膠頭滴管抽取液面2 cm處的藻液，測定藻液OD680nm，實驗重復3次，求平均值，計算去除率。

響應面法優(yōu)化實驗設計 響應面分析法（response surfacemethodology，RSM）是一種尋找多因素系統(tǒng)中最佳條件的數學統(tǒng)計方法［12］。本實驗利用響應面法對銅綠微囊藻絮凝條件進行優(yōu)化。綜合單因子實驗結果，根據Box-Benhnken的中心組合實驗設計原理，采用響應面在四因子三水平上對銅綠微囊藻的絮凝條件進行優(yōu)化。通過Design Expert8.0.5軟件進行響應面分析，在此基礎上得出各因素之間的最佳組合。

3 結果與分析

3.1 單因素實驗

3.1.1 絮凝劑添加量對去除率的影響 一般而言，絮凝效果隨絮凝劑的投加量增加而增強。如圖1所示，藻液濃度為1.51 g/L、藻液pH值為9.38時，殼聚糖的投加量由3.0增加到4.2 g/L時藻的去除率先從89.62%上升到95.17%（殼聚糖投加量為3.9 g/L），然后下降到86.8%。但是，實驗過程中觀察到當殼聚糖投加量為3.9 g/L時，雖然上清液OD值較低，但藻體絮凝體積較大，絮凝效果并不好。殼聚糖的投加量達到最佳值后，再增加殼聚糖的投加量，就會使絮體的體積增大，密度減小，絮凝效果變差。單獨使用聚丙烯酰胺時，由圖可看出投加量為0.525 g/L時，藻的去除率最大為94.07%。

可見，當單獨使用殼聚糖的投加量為3.6 g/L時，聚丙烯酰胺的投加量為0.525 g/L時，上清液OD值和藻的去除率以及濃縮倍數均能達到相對好的效果。

圖1 殼聚糖與PAM的投加量對銅綠微囊藻去除率的影響

3.1.2 藻液pH對去除率的影響 一般而言，陽離子型絮凝劑適合于在酸性和中性的環(huán)境下使用；陰離子型絮凝劑適合于在中性和堿性的環(huán)境下使用，因此，pH對絮凝效果影響很大。如圖2所示，藻液濃度為1.51 g/L、藻液pH值為9.38時，利用以配好的1mol/L的NaOH溶液，以及1mol/L的HCl溶液，調節(jié)其pH在6～11范圍內變化，加入3.6g/L殼聚糖溶液，處理后上清液OD值先從0.129下降到0.039（pH為7），然后繼續(xù)上升到0.065。而藻的去除率在pH為7達到最大，為94.40%。加入0.525 g/L聚丙烯酰胺溶液，處理后上清液OD值先從0.072下降到0.042（pH為9），然后繼續(xù)上升到0.067。而藻的去除率先從85.83%上升到93.97%（pH為7），然后下降到90.43%。

由圖2可見，pH值對殼聚糖以及聚丙烯酰胺絮凝作用的影響非常大。當殼聚糖為單一絮凝劑，藻液的pH為7時，上清液OD值和藻的去除率以及濃縮倍數均能達到相對好的效果。當聚丙烯酰胺為單一絮凝劑，藻液的pH為9時，上清液OD值和藻的去除率以及濃縮倍數均能達到相對好的效果。

3.1.3 絮凝劑絮凝時間對去除率的影響 一般而言，絮凝效果隨絮凝劑的投加混合后絮凝時間增加而增強；但當絮凝時間達到最佳投加量后，即使再增加絮凝時間，其絮凝效果變化也未必增加，有時出現相反效果。如圖3所示，藻液濃度為1.51 g/L、藻液pH值為7時，殼聚糖的投加量3.6 g/L，0～21min每隔3m in測定藻液上清液的OD值，處理后上清液OD值先從0.129下降到0.041（絮凝時間為12 m in），之后一直沒有變化。而藻的去除率先從92.44%上升到94.02%（絮凝時間為12m in），之后一直沒變。同能觀察到，當絮凝時間為12min時，絮凝體積較小。藻液濃度為1.51g/L、藻液pH值為9時，PAM的投加量為0.525 g/L，0～21m in每隔3m in測定藻液上清液的OD值，處理后上清液OD值先從0.042下降到0.040（絮凝時間為9 m in），之后變化不大。而藻的去除率先從93.06%上升到94.26%（絮凝時間為9m in），之后一直變化不大。同能觀察到，混合均勻后，藻體已經基本絮凝，但水體只還遺留少量藻體，因此，還需沉淀一段時間。

圖2 藻液pH對銅綠微囊藻去除率的影響

圖3 殼聚糖與PAM的絮凝時間對銅綠微囊藻的影響

由圖2—3可見，當銅綠微囊藻濃度、殼聚糖用量及pH值不變時，絮凝時間對絮凝效果影響較大。所以下面的實驗過程中，當殼聚糖為單一絮凝劑且投加量3.6 g/L，藻液pH為7時，絮凝時間最佳為12m in。當聚丙烯酰胺為單一絮凝劑且投加量0.525 g/L，藻液pH為9時，絮凝時間最佳為9m in。

3.2 殼聚糖作為絮凝劑、聚丙烯酰胺為助凝劑，利用響應面法優(yōu)化絮凝條件響應面法對銅綠微囊藻絮凝條件進行優(yōu)化。綜合單因子實驗結果，根據Box-Benhnken的中心組合實驗設計原理［12］，采用響應面法在四因子三水平上對銅綠微囊藻的絮凝條件進行優(yōu)化。設計實驗因子和水平見表1。

表1 響應面分析因子及水平表

表2 響應面分析方案及實驗結果

表3 方差分析結果

以銅綠微囊藻絮凝的去除率Y為響應值，根據表1因子進行正交實驗，對其結果進行響應面分析，實驗結果見表2。對所得數據進行方差分析，分析結果見表3。

從表3中方差結果可以知道，模型的P值小于0.0001，表明該模型顯著。模型的校正決定系數R2= 0.9262，說明92.62%的數據能用該模型解釋。同時變異系數C.V.%=0.28，及精密度Adeq Precisior為17.832表明了該二次項模型的可靠性。失擬項的P值遠大于0.05說明該模型能有效的預測銅綠微囊藻的去除率。因此采用最優(yōu)去除率時的實驗參數來預測該模型的可靠性即：在殼聚糖的投加量為3.59 g/L，PAM的投加量為0.428g/L，沉淀時間為13min，pH為8.02，平行3次實驗，得到銅綠微囊藻的平均去除率為98.03%與理論去除率98.01%相差0.02%，表明該模型能預測銅綠微囊藻的去除率是可行的。

通過Design Expert8.0.5軟件對去除率試驗結果進行回歸分析，得到二次回歸模型為：

4 結論

圖4 各參數的響應面

單獨使用殼聚糖作為銅綠微囊藻細胞的絮凝劑，絮凝效率可達到90%以上，其絮凝效果強于張普等用改性粉煤灰對銅綠微囊藻的去除效果［13］，與劉慶所做實驗結果相一致［14］。殼聚糖投加量3.6 g/L，藻液最佳pH為7，沉淀時間為12 m in。單獨使用聚丙烯酰胺投加量0.525 g/L，藻液最佳pH為9，沉淀時間9m in。同時，本實驗通過響應面法建立了4個影響因素（殼聚糖投加量、聚丙烯酰胺投加量、沉淀時間、pH）對銅綠微囊藻去除率的數學模型，并對銅綠微囊藻的去除率進行了優(yōu)化，得出最佳絮凝條件：殼聚糖的投加量為3.59 g/L，PAM的投加量為0.428 g/L，沉淀時間為13m in，pH為8.02，去除率可達到98.01%。并通過平行實驗驗證了該模型的可靠性。而藻類等植物也會對水體污染物的去除有正面效應［15］，如何控制藻類在不發(fā)生水華的情況下又可以凈化水質，是我們今后努力的方向。

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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

（責任編輯：韓 昆）

石琦（1992-）女，山西忻州人，碩士生，主要從事藻類光合研究。E-mail：1554972697@qq.com