富营养化水体快速除藻方法研究

（北京市陈经纶中学帝景分校，北京 100020）

1.研究背景

水体富营养化指的是水体中氮、磷等营养盐含量过多而引起的水质污染现象。在我国，水体富营养化表现突出，2019年生态环境部公布的《中国生态环境状况公报》显示，开展水质监测的110个重要湖泊、1931个地表水质断面（点位），I～III类水质断面（点位）占74.9%，劣V类占3.4%，而其中导致水体污染的最主要因素就是氮磷超标导致水体富营养化。水体富营养化进一步加剧了了我国淡水资源的短缺，影响了生态系统的稳定性，对经济社会发展和人们的生产生活都产生了巨大影响[1]。

治理水体富营养化的方法多元，可以分为物理、生物和生化等三大类，具体包括高压除藻、超声波、电催化、混凝气浮法、改性黏土除藻、锁磷剂、高效微生物制剂等[2]。改性黏土除藻被认为是目前最具有前景的除藻技术[3]，其是针对天然黏土除藻的不足，通过化学或物理的手段改变黏土颗粒( 如硅藻土、红土、膨润土、蒙脱石等) 的表面状况，从而提高其吸附性能和杀藻效果，具有成本低、无污染等优势。目前改性黏土中添加试剂多元，效果各异，本文的目的是通过实验，在PAC、淀粉之间寻求其改良土壤除藻材料的最佳配比，进而提高藻类絮凝的效率和资源利用的效率。

2.实验过程

2.1 实验器材和试剂

2.1.1 器材

洗瓶、滴管、移液枪、烧杯、锥形瓶、容量瓶、量筒、药匙、试管、ME204E电子秤、紫外可见光分光度计DR6000（哈希公司）、ZR4-6混凝实验搅拌机（深圳市中润水工业技术发展有限公司）。

2.1.2 试剂

去离子水、太湖湖边土（马山镇，小于90μm）、聚合氯化铝（PAC，购自天津大岗有限公司）、藻粉、玉米淀粉。

2.2 实验准备

2.2.1 配置实验储备溶液

PAC用去离子水溶解配置成1g/L的溶液备用；太湖岸边土使用去离子水配置制成10g/L溶液备用；铜绿微囊藻粉溶液用自来水溶解配置成0.2g/L溶液备用；淀粉溶液用去离子水溶解制成10g/L溶液备用。

2.2.2 絮凝除藻试验

在六联搅拌器上进行絮凝搅拌，将300ml的藻溶液加入500ml烧杯中，开启搅拌程序。试验时，搅拌程序设置为快速搅拌（300r/min）1min，中速搅拌（120r/min）2min，慢速搅拌（40r/min）10min。絮凝试验在室温（25℃）下进行。开启搅拌后根据实验数据依次加入淀粉溶液、PAC溶液和黏土悬浊液。絮凝试验结束以后保持烧杯静置，于液面2cm下小心吸取溶液进行藻浓度检测。藻浓度检测方面采用血球板计数法，具体操作如下，取水样根据浓度适度稀释，取稀释后藻液在电动显微镜（Axioskop 2 mot plus、卡尔蔡司、德国）下计数，每个样品计数3次，取平均值。所有的絮凝实验平行进行三次。藻去除率的计算公式如下：

藻去除效率=（初始藻细胞浓度−絮凝后藻细胞浓度）/初始藻细胞浓度×100%。

2.3 实验过程

2.3.1 模拟藻液配置

第一步，取0.2g/L藻粉溶液分别倒入6个烧杯，作为模拟富养水体。

第二步，将6个烧杯放在六联搅拌器上，启动六联搅拌器并加入不同比例溶液。

2.3.2 絮凝除藻实验

为得出试剂PAC和淀粉的最佳比值，分别进行2组对比实验。

改变PAC用量：分别加入浓度为40mg/L 的淀粉溶液1.2ml，浓度为100mg/L黏土悬浊液3ml；改变PAC的用量为10mg/L、20mg/L、30mg/L、40mg/L、50mg/L，即分别加入3ml、6ml、9ml、12ml、15ml浓度为1g/L PAC溶液。

改变淀粉用量：分别加入浓度为20mg/L的PAC溶液6ml，浓度为100mg/L黏土悬浊液3ml；改变淀粉的用量为40mg/L、100mg/L、200mg/L、250mg/L、300mg/L、400mg/L，即分别加入 1.2ml、3ml、6ml、7.5ml、9ml、12ml浓度为10g/L淀粉溶液。

3.结果与讨论

3.1 淀粉用量改变对絮凝除藻的影响

固定PAC的质量浓度为20mg/L，改变淀粉的投加量，研究结果如表1所示。结果表明，随着淀粉的加入，藻去除率的逐渐升高，最高可以达到82.97%，大大提高了单一PAC改性黏土的除藻性能。而且，还发现随淀粉投加量增加，藻去除率出现先升高后降低的趋势，可能是由于胶体吸附了过多阳离子淀粉，使之带正电荷，从而发生排斥现象，反而影响了絮体的可凝聚性，除藻率反而下降。

表1 淀粉浓度改变的实验结果

3.2 PAC用量改变对絮凝除藻的影响

当淀粉浓度保持不变时，研究改变PAC用量对藻去除率的影响，研究结果如表2所示，PAC的加入大大降低了淀粉的用量，随着PAC浓度不断升高，藻类去除的效率出现先升高后降低趋势，且在PAC浓度为40mg/L，淀粉的浓度为40mg/L时，藻的去除效率达到最大98.65%。由于胶体吸附了过多PAC，使之带正电荷，从而发生排斥现象，反而影响了絮体的可凝聚性，除藻率反而下降。

表2 PAC浓度的实验结果

3.3 絮凝除藻机理

由于藻类细胞颗粒是带负电荷的，黏土颗粒的表面也是带负电荷的，从而发生相互排斥现象，影响了絮凝效果[4]。带正电荷的改性剂PAC和阳离子淀粉，具有最佳的电中和作用。带正电荷的PAC和淀粉通过静电引力作用，吸附带负电荷的藻类细胞颗粒，对其表面的负电荷进行中和，使其脱稳而聚集，进而形成絮团。

由实验结果可知，随PAC或淀粉投加量增加，去除率出现先升高后降低的趋势。开始通过电中和作用，促进颗粒悬浮物的凝聚和沉淀。但当PAC或淀粉投加量超过一定限度时，由于胶体吸附了过多PAC或淀粉，使之带正电荷，从而发生排斥现象，影响了絮体的可凝聚性，除藻率反而下降。

4.结论

本实验以太湖富营养化的典型物种铜绿微囊藻为研究对象，通过对比实验研究了淀粉、PAC对黏土进行改性从而提升其絮凝除藻能力，并确定了材料的最佳配比用量。研究发现不同试剂对于黏土改性作用存在很大差异，在藻类去除中发挥不同作用。根据几组对比实验，得出了实验中最佳的结果，即淀粉浓度为40mg/L，PAC浓度为40mg/L，此时藻类的去除效率最高，为98.65%。