中科院海洋研究所俞志明ET&I：一种高效絮凝和捕获藻类细胞的优化策略——控制改性粘土的剂量模式

图文摘要 | Graphical Abstract

导读 | Introduction

改性粘土治理有害藻华技术在我国近海应用已有十多年历史，是我国近海应用最为广泛的藻华治理方法。全球变化的背景下，藻华生物呈现出小型化的趋势，由抑食金球藻(Aureococcus anophagefferens)、球型棕囊藻(Phaeocystis globosa)等引发的有害藻华在全球近海海域频繁暴。微微型藻类具有细胞尺度小、密度高、水层分布跨度大等特点，在治理过程中藻细胞去除难度增大，改性粘土材料的用量明显提升。因此如何在相同用量下降低改性粘土自絮凝，提升改性粘土的除藻效率，是改性粘土技术应用过程中值得探讨的问题。

一、改性粘土材料的多次投加

| Multiple dosing of modified clay

粘土投加前期，藻细胞的去除效率主要受到改性粘土浓度的控制，在去除实验前1-2 h，改性粘土单次投加下的藻细胞去除效率会高于多次投加；改性粘土多次投加组，藻细胞的去除效率主要受到改性粘土捕获的藻细胞数所控制，随投加频次的增多，水体中改性粘土颗粒不断得到补充，改性粘土和藻细胞间发生多次絮凝过程，并且在多次投加过程中，单位水层中的粘土颗粒密度不会过高，减少了粘土颗粒间的碰撞几率，粘土的自絮凝作用占比降低，更多的粘土颗粒用于捕获藻细胞。

图1 MCII (0.5 g/L)在不同投加频次下藻细胞去除效率(A)和浊度(B)的时间变化

Fig. 1 Temporal variation in the algal cell removal efficiency (a) and turbidity (b) of MCII (0.5 g/L) at different dosing frequencies

Note: Solid symbols indicate clay dosing points

二、多次投加参数优化

|Optimization of controlled operating parameter

已有研究表明，延长反应时间和控制悬浮液浓能提高絮凝沉降性能。因此，本研究采用单因素实验和响应面法进一步研究改性粘土多次投加的最佳投加间隔和原液浓度范围，为现场可行、准确的改性粘土多次投加提供依据。从3D响应面分析结果图中，发现间隔时间和母液浓度两个参数对抑食金球藻的除藻效率均有明显的影响，随着间隔时间(A)和母液浓度(B)的变化，藻细胞去除率也呈现显著的先升高后降低的变化。

图2 多次投加间隔时间(A)和母液浓度(B)对抑食金球藻藻细胞去除效率影响的响应面图和等高线图

Fig. 2 Response surface and contour map of the effect of multiple dosing interval time (A) and stock solution concentration (B) on the removal efficiency of Aureococcus anophagefferens

三、絮凝性能的增强|

Enhancement of flocculation performance

改性粘土对藻华生物的絮凝过程主要是碰撞-粘附作用，形成藻细胞-改性粘土絮团，粘土颗粒与藻细胞间的有效碰撞是决定絮凝除藻效率的关键因素。相同改性粘土用量下，多次投加组的絮体大小和数量始终维持在一定水平之上，具有延长反应时间的优点，促进粘土絮体的生长、停留和藻细胞的捕获，实现改性粘土絮凝藻细胞能力的优化。粘土颗粒在絮凝沉降过程中与藻细胞主要发生电中和作用和吸附架桥作用。多次投加组的zeta电位提高了40%；各形态Al含量均高于单次投加，水体中总的活性Al含量较单次投加提升了32.71-52.31%。通过多次投加的方式，保证了水体中持续维持高含量的正电性产物。

图3 多次投加改性粘土絮凝性能的表征

（A）絮体中值粒径，（B）絮体数量，（C）电位，

（D）Al形态分布

Fig. 3 Characterization of modified clay flocculation performance by multiple dosing

(A) floc median particle size, (B) floc number, (C) Zeta potential, and (D) Aluminium speciation distribution.

四、单位粘土去除藻细胞数最大化|

Maximizing the number of algal cells removed per gram of modified clay

基于扩展的Langmuir模型拟合了改性粘土（MC）剂量（N，g/L）与微藻细胞去除量（B，cells/L）之间的密切关系，并开发出一个新模型来描述改性粘土剂量（N，g/L）和每克改性粘土去除的微藻细胞数量（b，cells/g）之间的关系。

B=(adN^(1-c))/(1+dN^(1-c))   (1)

b=(adN^(-c))/(1+dN^^(1-c))   (2)

图4计算并拟合了每克粘土去除的藻细胞数的变化趋势，随改性粘土用量的增加，每克粘土去除的藻细胞数呈现先增加后降低的趋势，改性粘土对微微型藻华生物去除效率的最大有效性浓度在0.1-0.2 g/L。因此通过多次投加方式，将每次粘土投加量控制在单位重量粘土去除藻细胞数最大的浓度附近，最大限度的提升改性粘土和藻细胞间的异向絮凝作用，从而在粘土总用量相同下，提升了藻细胞的去除效率。

图4 不同用量改性粘土对抑食金球藻的去除效率(A)及每g粘土的藻细胞去除数(B)

Fig. 4 The number of Aureococcus anophagefferens removal in different dosages of modified clay (A) and the number of algal cells removal per gram of MC (B)

总结 | Conclusions

单位藻类絮凝所需的粘土量有一定的数值范围，过量的改性粘土往往会导致它们的浪费。在相同的改性粘土用量下，控制改性粘土的多次投加使得藻细胞的去除效提升20-30%；在多次投加条件下，投加频次的增加使得体系的正电性可以提升40%，并延长了藻细胞与粘土的作用时间，提高了单位重量改性粘土去除的藻细胞数，最大限度的减少了过剩粘土量，从而有效提高了对藻细胞的去除效率，为改性粘土应急处置技术的现场应用提供了参考依据。

第一作者：姜凯钦 博士研究生

中国科学院海洋研究所

中国科学院海洋研究所攻读博士学位。主要研究方向为有害藻华的防控方法和机理研究、新型改性粘土材料的研发、有害藻华处置方法的生态效应研究。以第一作者或共同作者在Environmental Technology & Innovation、Environmental Pollution等国际期刊发表论文2篇，公开专利1项。

通讯作者：俞志明 教授

中国科学院海洋研究所

中国科学院海洋研究所研究员、博导，中国科学院大学岗位教授，中国科学院海洋研究所研究员、博士生导师。曾分别入选国家杰青、中科院“百人计划”、山东省“泰山学者”等人才计划；荣获“全国留学归国人员先进个人”、“全国海洋科技先进工作者”等荣誉称号；主持国家基金委创新群体项目、重点基金项目、联合基金项目、科技部重点研发计划、863项目等几十项，发表学术论文220余篇，出版专著2部，授权国家发明专利20多项，获得国家和省部级奖10多项，2019年获得国家技术发明奖二等奖（第1完成人）。主要从事近海富营养化与赤潮发生机制与防控方面研究，在有害赤潮应急处置方面取得了突出的成绩。

来源：Environ Technol Innov。投稿、合作、转载、进群，请添加小编微信Environmentor2020！环境人Environmentor是环境领域最大的学术公号，拥有15W+活跃读者。由于微信修改了推送规则，请大家将环境人Environmentor加为星标，或每次看完后点击页面下端的“在看”，这样可以第一时间收到我们每日的推文！环境人Environmentor现有综合群、期刊投稿群、基金申请群、留学申请群、各研究领域群等共20余个，欢迎大家加小编微信Environmentor2020，我们会尽快拉您进入对应的群。

往期推荐

论文推介清华大学曲久辉院士团队Angew: 限域强化利用自由基主导的快速类芬顿反应
耶鲁大学Menachem Elimelech团队和哈工大马军团队Nat. Commun.：Janus电催化膜高选择性合成ROS清华大学曲久辉院士团队ES&T：绿色芬顿——原子氢介导的双氧水电还原活化过程同济大学赵红颖、赵国华团队ES&T: 电芬顿阴极氧化-还原协同深度处理含卤污染物丹麦科大张翼峰团队ES&T：导电型的厌氧颗粒污泥应用于污水处理及产电的研究香港科大劳敏慈团队ES&T: 如何实现水体中磷酸盐选择性吸附去除？美国范德堡大学林士弘教授ES&T展望：脱盐过程能效的直观理解清华大学环境学院文湘华团队WR: 污水可生物降解性决定了污水厂微生物的构建机制
卡内基梅隆大学Lowry教授团队AM：硫含量和形态调控硫化纳米零价铁的疏水性、电子传递、反应活性和选择性学术招聘美国范德堡大学环境工程研究生项目招生 （博士硕士）加州大学河滨分校化学与环境工程系门玉洁课题组招收博士生（或博士后）香港城市大学能源与环境学院Dr. Sam H. Y. HSU课题组招聘博士美国圣母大学环境分子与合成生物学实验室拟招收2名全奖博士生瑞典斯德哥尔摩大学和瑞士Eawag联合招聘全奖博士生(环境方向)北京大学环境科学与工程学院赵华章教授团队招聘博士学术资讯耶鲁大学Julie B. Zimmerman教授出任ES&T主编
贝勒大学Bryan W. Brooks教授出任ES&T Letters主编
韩国科学院院士Wonyong Choi将出任ACS ES&T Engineering创刊主编CEJ Advances创刊 | 潘丙才教授任主编，四位华人学者任副主编ACS对话 | ACS ES&T Engineering创刊副主编马军院士专访：Environmental Science & Ecotechnology 主编团队！

扫描二维码，快速入群~