武艷 苗春光

摘 要：利用天然黏土蛭石經(jīng)鹽酸改性后制備成黏土絮凝劑，研究其去除水華優(yōu)勢(shì)藻——銅綠微囊藻的效果。結(jié)果表明，鹽酸改性可以顯著提高蛭石的絮凝除藻能力，改性蛭石可以在5min內(nèi)絮凝去除藻溶液中90%以上的藻細(xì)胞。架橋、網(wǎng)捕作用，是改性蛭石絮凝除藻的主要機(jī)理。

關(guān)鍵詞：蛭石;改性;銅綠微囊藻;絮凝;機(jī)理;秀麗隱桿線蟲(chóng)

中圖分類號(hào) X522;X524文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 1007-7731（2019）21-0127-03

Abstract：Natural vermiculite clay was modified by hydrochloric acid.After modified，the flocculants were used to treat the algae solution.The removal efficiency of algae cells reached about 90% within5min.SEM，F(xiàn)TIR and Converted fluorescence microscope were used to study the flocculation mechanism of modified vermiculite. The Caenorhabditis elegans after synchronization were used to evaluate the ecotoxicity of modified vermiculite.

Key words：Vermiculite;Modified;Microcystis aeruginesa;Flocculation;Mechanism;Caenorhabditis elegans

近年來(lái)，我國(guó)沿海、內(nèi)陸湖泊的富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，各地有害藻華事件頻繁發(fā)生，不僅嚴(yán)重影響到當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展，而且危及人類的健康和生存環(huán)境。而內(nèi)陸湖泊更為嚴(yán)重，90%以上都存在不同程度的藻華現(xiàn)象[1，2]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前我國(guó)湖泊水質(zhì)污染的問(wèn)題十分嚴(yán)峻，從湖泊數(shù)量上來(lái)看，有近3/4的湖泊已達(dá)到了富營(yíng)養(yǎng)化程度，污染的面積接近總面積的2/3，表明當(dāng)前我國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題十分突出，對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化湖泊的治理迫在眉睫[3，4]。因此，快速控制有害水華污染是當(dāng)今水環(huán)境領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。我國(guó)以藍(lán)藻水華最為常見(jiàn)，湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的危害是多方面的，突出表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）影響水域生態(tài)環(huán)境中水生生物的生存;（2）嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展，特別是漁業(yè)和旅游業(yè);（3）產(chǎn)生藻毒素，當(dāng)人、家禽、家畜、水鳥(niǎo)、水生動(dòng)物誤飲誤食藻毒素污染的水或食物后，都會(huì)引起病變甚至死亡;（4）喪失水體功能，淡水水體中藍(lán)藻水華反復(fù)發(fā)生，水體中的物種變得較為單一，水體中無(wú)法維持一個(gè)完整的生物鏈，水生生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞[5，6]。

藍(lán)藻水華的控制策略主要有以下2種：（1）面源污染控制;（2）減少內(nèi)源污染對(duì)富營(yíng)養(yǎng)化的“貢獻(xiàn)”。在有效控制外源污染物進(jìn)入的情況下，配合使用一些消除內(nèi)源污染的措施，更有利于水體富營(yíng)養(yǎng)化控制。藍(lán)藻水華的控制方法主要有物理控制、化學(xué)控制、生物控制、粘土控制等。黏土應(yīng)用于赤潮治理，始于20世紀(jì)70年代的日本漁社[7，8]。黏土作為一種廉價(jià)易得的材料，在國(guó)際上受到了高度的重視，已將粘土的應(yīng)用從海水領(lǐng)域延伸至淡水中的藻類的絮凝去除，在大面積藻華應(yīng)急治理方面曾一度受到歡迎。早在1997年，Anderson就在《Nature》上撰文指出，使用黏土除藻可能是治理藻華的最具發(fā)展前景的方法[9]。

蛭石是自然界最輕的黏土之一，是一種層狀結(jié)構(gòu)含鎂的水鋁硅酸鹽次生變質(zhì)礦物。原礦外形似云母，通常由黑（金）云母經(jīng)熱液蝕變作用或風(fēng)化而成，呈片狀，褐、黃褐或古銅色，油脂光澤。硬度1～1.5，密度2.4～2.7g/cm3[10，11]。蛭石常見(jiàn)化學(xué)式為（Mg2.36Fe0.48Al0.16）（Si2.72Al1.28O10（OH）2）（Mg0.32（H2O）4.32）。硅、鋁、鐵、鎂、鈣的氧化物占了總成分的80%以上，自由水和結(jié)合水約有14%的含量[12，13]。鹽酸改性后的蛭石可以快速高效的絮凝去除水華優(yōu)勢(shì)藻——銅綠微囊藻，黏土使用量大大減少，克服了黏土用量大的缺點(diǎn)。同時(shí)，改性蛭石密度較小，形成的絮體放置20min就會(huì)浮到水面，便于打撈，克服了絮體下沉的缺點(diǎn)，能將水中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)帶出水體，可見(jiàn)改性蛭作用于水華防治是實(shí)際可行的。為此，本研究開(kāi)展了改性蛭石去除水體中藍(lán)藻的效果實(shí)驗(yàn)，為藍(lán)藻水華治理的研究提供理論。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 蛭石 金色膨脹蛭石，購(gòu)自靈河北壽縣源恒蛭石加工廠。粒徑為5～8mm，純度90%以上，pH為8～11，經(jīng)粉碎后過(guò)150目篩。主要成分為SiO2（37%～43%）、Al2O3（9%～17%）、Fe2O3（5%～24%）、CaO（0.5%～0.5%）、MgO（11%～23%）、H2O（<1%）。

1.1.2 藍(lán)藻藻液 銅綠微囊藻（Microcystis aeruginosa）種屬為FACHB 905，購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院武漢水生生物研究所。藻類培養(yǎng)基選用BG11培養(yǎng)基，將藻種接入到無(wú)菌的BG11培養(yǎng)基中，靜置培養(yǎng)。藻種活化成功后置于恒溫光照室擴(kuò)大培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為25～30℃，光照強(qiáng)度為2000lx，光暗的時(shí)間比16∶8。

1.1.3 秀麗隱桿線蟲(chóng) 秀麗隱桿線蟲(chóng)（Caenorhabditis elegans）野生型N2品系、大腸桿菌OP50均來(lái)自離子束生物工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。

1.2 測(cè)定方法

1.2.1 葉綠素a的測(cè)定方法 將藻液以6000r/min的速度離心15min去上清，加入與藻液相同體積的95%的乙醇，于4℃冰箱中避光放置24h，再一次以6000r/min的速度離心15min，取上清以95%的乙醇為參比，檢測(cè)665nm和649nm處的吸光值，葉綠素a計(jì)算公式如下：

式中：Ca為葉綠素a的濃度（mg/L）;A665為655nm處的吸光值;A649為649nm處的吸光值。檢測(cè)儀器為UV2550紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（島津儀器有限公司生產(chǎn)）。

1.2.2 總磷測(cè)定 采用鉬酸銨分光光度法（GB 11893-1989），檢測(cè)儀器為UV2550紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（島津儀器有限公司生產(chǎn)）。

1.2.3 總氮測(cè)定 采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法（GB 11894-89），檢測(cè)儀器為UV2550紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)（島津儀器有限公司生產(chǎn)）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 改性蛭石的制備 目前，粘土的改性劑主要有無(wú)機(jī)酸、Fe3+、十六烷基三甲基溴化銨、聚合氯化鋁、陽(yáng)離子表面活性劑、殼聚糖、纖維素等。對(duì)比各種改性劑改性方法的簡(jiǎn)繁、改性劑的成本、改性劑是否容易獲得等幾個(gè)因素，常用無(wú)機(jī)酸中的鹽酸、硫酸分別作為粘土的改性劑[16，17]。由于鹽酸改性的粘土比硫酸改性的粘土更容易烘干脫水，所以本實(shí)驗(yàn)采用鹽酸作為蛭石的改性劑。分別稱取5.0g蛭石樣品加入到陶瓷碾缽中，分別加入20mL 2、4、6、8、10、12mol/L的鹽酸浸泡，攪拌使蛭石與酸充分混合，通風(fēng)常溫下靜置24h，在烘箱中70℃干燥至鹽酸完全揮發(fā)后碾碎過(guò)150目篩并密封保存?zhèn)溆?。得到?jīng)不同濃度鹽酸改性后的蛭石，分別命名為：2VE、4VE、6VE、8VE、10VE、12VE，未改性蛭石命名為VE。

1.3.2 最佳改性劑濃度的選擇 用VE、2VE、4VE、6VE、8VE、10VE、12VE絮凝藻水，篩選合適的鹽酸濃度。在7個(gè)500mL的燒杯中分別加入400mL濁度為900的藻懸液，以350r/min的速度攪拌，定量分別加入絮凝劑VE、2VE、4VE、6VE、8VE、10VE、12VE各100mg，攪拌3min;然后以50r/min速度攪拌1min，靜置30min時(shí)于液面下4cm處取樣，測(cè)定樣品的葉綠素a（Chl-a）濃度。

1.3.3 6VE絮凝除總氮、總磷效果評(píng)價(jià) 在5個(gè)500mL的燒杯中分別加入400mL濁度為900的藻懸液，以350r/min的速度攪拌，定量分別加入6VE絮凝劑50、75、100、125、150mg，攪拌3min;然后以50r/min速度攪拌1min，靜置30min時(shí)于液面下4cm處取樣，測(cè)定樣品的濁度總氮（TN）、總磷（TP）。

1.3.4 掃描電鏡觀察 取少量蛭石和6VE以及自然晾干的絮體于1cm2左右的玻璃片上，將放有樣品的玻璃片用導(dǎo)電膠固定在銅片上，置于真空樣品臺(tái)上噴金后在5kV加速電壓條件下進(jìn)行顯微觀察。所用儀器為場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）型號(hào)為Sirion200，美國(guó)FEI公司生產(chǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 最佳改性劑濃度 如圖1所示，隨著鹽酸濃度的增加，改性蛭石絮凝劑對(duì)藻液的絮凝效果也隨之提高。未改性蛭石對(duì)葉綠素a的去除率最低;6VE、8VE、10VE、12VE對(duì)葉綠素a的去除率基本相同，都在99%左右。若考慮經(jīng)濟(jì)因素，以選擇低濃度鹽酸作為改性劑為宜。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，6mol/L的鹽酸作為改性劑最為合適，鹽酸改性后的蛭石絮凝除藻能力顯著提高。由于6VE、8VE、10VE、12VE對(duì)葉綠素a的去除率基本一致，實(shí)驗(yàn)中選擇6VE來(lái)研究改性蛭石除藻效果和絮凝除藻機(jī)理。

2.2 6VE絮凝除總氮、總磷效果 6mol/L的鹽酸改性蛭石絮凝劑對(duì)總氮、總磷的去除效果如圖2所示。由圖2可知，隨著投加量的增加，總氮、總磷的去除率逐漸升高。在投加量為100mg，即250mg/L時(shí)總氮、總磷的去除率均達(dá)到最大，分別為62%、96%。超過(guò)最佳投加量時(shí)，總氮、總磷的去除率反而降低。處理后水的pH從8.2降到7.7，變化幅度不大，符合地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。pH降低的原因可能是改性蛭石中部分離子水解造成的?？偟娜コ时瓤偭椎娜コ噬僭S多，富營(yíng)養(yǎng)化水體中總氮的控制一直是一個(gè)難題?？偭椎目刂葡鄬?duì)容易，因?yàn)榭扇苄粤姿猁}能夠較容易的形成難容磷酸化合物。因此，一些藍(lán)藻水華治理專家提出集中控磷的策略，先解決容易控制的因素來(lái)控制藍(lán)藻水華，而改性蛭石對(duì)總磷有很高的去除率，其必將成為藍(lán)藻水華控制的有力“武器”。

2.3 顯微觀察結(jié)果 如圖3a所示，蛭石的結(jié)構(gòu)主要為大小不等的片狀。經(jīng)鹽酸改性后的蛭石6VE（b圖）的表面變得粗糙，片狀結(jié)構(gòu)消失，蛭石的表面已被鹽酸嚴(yán)重的腐蝕。圖3c為藻溶液干燥后的藻細(xì)胞圖片，銅綠微囊藻細(xì)胞間粘連形成細(xì)胞群落。圖3d為絮體的顯微圖片，藻細(xì)胞被一層干泥樣的溶出物質(zhì)所包裹、覆蓋，圖上方和左下方還有部分未溶解的片狀蛭石。從顯微照片可初步得出改性蛭石除藻的機(jī)理為：改性蛭石可以在藻細(xì)胞間形成架橋作用，使藻細(xì)胞聚集成團(tuán)形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的絮體，從而將分散的藻細(xì)胞從水體中移除。

3 結(jié)論

鹽酸改性蛭石能夠顯著提高其對(duì)銅綠微囊藻的去除效率，顯微分析和FTIR分析結(jié)果表明：鹽酸破壞了蛭石表層結(jié)構(gòu)，使Fe、Al等元素溶出，這些元素是構(gòu)成酸溶物的主要成分。改性蛭石附著在藻細(xì)胞表面形成一層覆膜，通過(guò)架橋方式在藻細(xì)胞間形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，說(shuō)明改性蛭石絮凝除藻的機(jī)理是改性蛭石通過(guò)架橋、網(wǎng)捕的互作方式絮凝藻細(xì)胞。

參考文獻(xiàn)

[1]趙永宏，鄧祥征，戰(zhàn)金艷，等.我國(guó)湖泊富營(yíng)養(yǎng)化防治與控制策略研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2016，33（3）：92-98.

[2]許其功，曹金玲，高如泰，等.我國(guó)湖泊水質(zhì)惡化趨勢(shì)及富營(yíng)養(yǎng)化控制階段劃分[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2017，34（11）：147-151.

[3]潘克厚，姜廣信.有害藻華（HAB）的發(fā)生、生態(tài)學(xué)影響和對(duì)策[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34：781-786.

[4]Caron，D.A.，Garneau，M.E.，Seubert E.，et al.Harmful algae and their potential impacts on desalination operations off southern California[J].Water Research，2010，44（2）：385-416.

[5]Vershinin A.O.，Orlova T.Y..Toxic and harmful algae in the coastal waters of Russia[J].Oceanology，2008，48（4）：524-537.

[6]Wolny，J.L.，Landsberg，J.H.，Tomas，C.R..Prymnesium in Florida：An emerging harmful algae problem[J].Journal of Phycology，2007，43：31.

[7]Beaulieu S.，Sengco M.，Anderson D..Using clay to control harmful algalblooms：deposition and resuspension of clay/algal flocs[J].Harmful Algae，2005，4（1）：123-138.

[8]Pierce，R.H.，Henry，M.S.，Higham，C.J.，et al.Removal of harmful algal cells （Karenia brevis） and toxins from seawater culture by clay flocculation[J].Harmful Algae ，2004，3：141-148.

[9]Anderson D.M..Turning back the harmful red tide[J].Nature，1997，388（6642）：513-514.

[10]霍小旭，王麗娟，廖立兵.新疆尉犁蛭石的物相組成[J].硅酸鹽學(xué)報(bào)，2011，39：1517-1522.

[11]Kehal M.，Reinert L.，Duclaux L..Characterization and boron adsorption capacity of vermiculite modified by thermal shock or H2O2 reaction and/or sonication[J].Applied Clay Science，2010，48：561-568.

[12]Yu X.，Wei C.，Ke L.，et al.Development of organovermiculite-based adsorbent for removing anionic dye from aqueous solution[J].Journal of Hazardous Materials，2010，180：499-507.

[13]Zhao M.，Tang Z.，Liu P..Removal of methylene blue from aqueous solution with silica nano-sheets derived from vermiculite[J].Journal of Hazardous Materials，2008，158：43-51.

（責(zé)編：張宏民）