（北京市陳經(jīng)綸中學(xué)帝景分校，北京 100020）

1.研究背景

水體富營(yíng)養(yǎng)化指的是水體中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)鹽含量過(guò)多而引起的水質(zhì)污染現(xiàn)象。在我國(guó)，水體富營(yíng)養(yǎng)化表現(xiàn)突出，2019年生態(tài)環(huán)境部公布的《中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，開(kāi)展水質(zhì)監(jiān)測(cè)的110個(gè)重要湖泊、1931個(gè)地表水質(zhì)斷面（點(diǎn)位），I～I(xiàn)II類(lèi)水質(zhì)斷面（點(diǎn)位）占74.9%，劣V類(lèi)占3.4%，而其中導(dǎo)致水體污染的最主要因素就是氮磷超標(biāo)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化。水體富營(yíng)養(yǎng)化進(jìn)一步加劇了了我國(guó)淡水資源的短缺，影響了生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人們的生產(chǎn)生活都產(chǎn)生了巨大影響[1]。

治理水體富營(yíng)養(yǎng)化的方法多元，可以分為物理、生物和生化等三大類(lèi)，具體包括高壓除藻、超聲波、電催化、混凝氣浮法、改性黏土除藻、鎖磷劑、高效微生物制劑等[2]。改性黏土除藻被認(rèn)為是目前最具有前景的除藻技術(shù)[3]，其是針對(duì)天然黏土除藻的不足，通過(guò)化學(xué)或物理的手段改變黏土顆粒( 如硅藻土、紅土、膨潤(rùn)土、蒙脫石等) 的表面狀況，從而提高其吸附性能和殺藻效果，具有成本低、無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)。目前改性黏土中添加試劑多元，效果各異，本文的目的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)，在PAC、淀粉之間尋求其改良土壤除藻材料的最佳配比，進(jìn)而提高藻類(lèi)絮凝的效率和資源利用的效率。

2.實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 實(shí)驗(yàn)器材和試劑

2.1.1 器材

洗瓶、滴管、移液槍、燒杯、錐形瓶、容量瓶、量筒、藥匙、試管、ME204E電子秤、紫外可見(jiàn)光分光度計(jì)DR6000（哈希公司）、ZR4-6混凝實(shí)驗(yàn)攪拌機(jī)（深圳市中潤(rùn)水工業(yè)技術(shù)發(fā)展有限公司）。

2.1.2 試劑

去離子水、太湖湖邊土（馬山鎮(zhèn)，小于90μm）、聚合氯化鋁（PAC，購(gòu)自天津大崗有限公司）、藻粉、玉米淀粉。

2.2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

2.2.1 配置實(shí)驗(yàn)儲(chǔ)備溶液

PAC用去離子水溶解配置成1g/L的溶液備用；太湖岸邊土使用去離子水配置制成10g/L溶液備用；銅綠微囊藻粉溶液用自來(lái)水溶解配置成0.2g/L溶液備用；淀粉溶液用去離子水溶解制成10g/L溶液備用。

2.2.2 絮凝除藻試驗(yàn)

在六聯(lián)攪拌器上進(jìn)行絮凝攪拌，將300ml的藻溶液加入500ml燒杯中，開(kāi)啟攪拌程序。試驗(yàn)時(shí)，攪拌程序設(shè)置為快速攪拌（300r/min）1min，中速攪拌（120r/min）2min，慢速攪拌（40r/min）10min。絮凝試驗(yàn)在室溫（25℃）下進(jìn)行。開(kāi)啟攪拌后根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)依次加入淀粉溶液、PAC溶液和黏土懸濁液。絮凝試驗(yàn)結(jié)束以后保持燒杯靜置，于液面2cm下小心吸取溶液進(jìn)行藻濃度檢測(cè)。藻濃度檢測(cè)方面采用血球板計(jì)數(shù)法，具體操作如下，取水樣根據(jù)濃度適度稀釋，取稀釋后藻液在電動(dòng)顯微鏡（Axioskop 2 mot plus、卡爾蔡司、德國(guó)）下計(jì)數(shù)，每個(gè)樣品計(jì)數(shù)3次，取平均值。所有的絮凝實(shí)驗(yàn)平行進(jìn)行三次。藻去除率的計(jì)算公式如下：

藻去除效率=（初始藻細(xì)胞濃度?絮凝后藻細(xì)胞濃度）/初始藻細(xì)胞濃度×100%。

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.3.1 模擬藻液配置

第一步，取0.2g/L藻粉溶液分別倒入6個(gè)燒杯，作為模擬富養(yǎng)水體。

第二步，將6個(gè)燒杯放在六聯(lián)攪拌器上，啟動(dòng)六聯(lián)攪拌器并加入不同比例溶液。

2.3.2 絮凝除藻實(shí)驗(yàn)

為得出試劑PAC和淀粉的最佳比值，分別進(jìn)行2組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

改變PAC用量：分別加入濃度為40mg/L 的淀粉溶液1.2ml，濃度為100mg/L黏土懸濁液3ml；改變PAC的用量為10mg/L、20mg/L、30mg/L、40mg/L、50mg/L，即分別加入3ml、6ml、9ml、12ml、15ml濃度為1g/L PAC溶液。

改變淀粉用量：分別加入濃度為20mg/L的PAC溶液6ml，濃度為100mg/L黏土懸濁液3ml；改變淀粉的用量為40mg/L、100mg/L、200mg/L、250mg/L、300mg/L、400mg/L，即分別加入 1.2ml、3ml、6ml、7.5ml、9ml、12ml濃度為10g/L淀粉溶液。

3.結(jié)果與討論

3.1 淀粉用量改變對(duì)絮凝除藻的影響

固定PAC的質(zhì)量濃度為20mg/L，改變淀粉的投加量，研究結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，隨著淀粉的加入，藻去除率的逐漸升高，最高可以達(dá)到82.97%，大大提高了單一PAC改性黏土的除藻性能。而且，還發(fā)現(xiàn)隨淀粉投加量增加，藻去除率出現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，可能是由于膠體吸附了過(guò)多陽(yáng)離子淀粉，使之帶正電荷，從而發(fā)生排斥現(xiàn)象，反而影響了絮體的可凝聚性，除藻率反而下降。

表1 淀粉濃度改變的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2 PAC用量改變對(duì)絮凝除藻的影響

當(dāng)?shù)矸蹪舛缺３植蛔儠r(shí)，研究改變PAC用量對(duì)藻去除率的影響，研究結(jié)果如表2所示，PAC的加入大大降低了淀粉的用量，隨著PAC濃度不斷升高，藻類(lèi)去除的效率出現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì)，且在PAC濃度為40mg/L，淀粉的濃度為40mg/L時(shí)，藻的去除效率達(dá)到最大98.65%。由于膠體吸附了過(guò)多PAC，使之帶正電荷，從而發(fā)生排斥現(xiàn)象，反而影響了絮體的可凝聚性，除藻率反而下降。

表2 PAC濃度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 絮凝除藻機(jī)理

由于藻類(lèi)細(xì)胞顆粒是帶負(fù)電荷的，黏土顆粒的表面也是帶負(fù)電荷的，從而發(fā)生相互排斥現(xiàn)象，影響了絮凝效果[4]。帶正電荷的改性劑PAC和陽(yáng)離子淀粉，具有最佳的電中和作用。帶正電荷的PAC和淀粉通過(guò)靜電引力作用，吸附帶負(fù)電荷的藻類(lèi)細(xì)胞顆粒，對(duì)其表面的負(fù)電荷進(jìn)行中和，使其脫穩(wěn)而聚集，進(jìn)而形成絮團(tuán)。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨PAC或淀粉投加量增加，去除率出現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。開(kāi)始通過(guò)電中和作用，促進(jìn)顆粒懸浮物的凝聚和沉淀。但當(dāng)PAC或淀粉投加量超過(guò)一定限度時(shí)，由于膠體吸附了過(guò)多PAC或淀粉，使之帶正電荷，從而發(fā)生排斥現(xiàn)象，影響了絮體的可凝聚性，除藻率反而下降。

4.結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以太湖富營(yíng)養(yǎng)化的典型物種銅綠微囊藻為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究了淀粉、PAC對(duì)黏土進(jìn)行改性從而提升其絮凝除藻能力，并確定了材料的最佳配比用量。研究發(fā)現(xiàn)不同試劑對(duì)于黏土改性作用存在很大差異，在藻類(lèi)去除中發(fā)揮不同作用。根據(jù)幾組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出了實(shí)驗(yàn)中最佳的結(jié)果，即淀粉濃度為40mg/L，PAC濃度為40mg/L，此時(shí)藻類(lèi)的去除效率最高，為98.65%。