随着社会经济的发展,大量的氮磷物质流入自然水体中,引发了自然界水体的富营养化^[1]。根据联合国环境规划署的调查,当今全球至少有30%~40%的自然水体遭受不同程度的富营养化问题^[2]。水体富营养化会引起藻类的疯长,其中以铜绿微囊藻的生长最为显著。铜绿微囊藻的生长不仅会引发水质恶化,还会释放微囊藻毒素。藻毒素对生物体的危害十分严重,Rogers等研究了给怀孕的小鼠注射8~128μg/kg的藻毒素,在低浓度下会引起幼体的畸形发育,在高浓度藻毒素条件下(>32μg/kg),会直接诱发母体的死亡^[3]。Magalhes等也报道了富营养化水体中鱼的内脏、肝脏和肌肉中均含有高浓度的藻毒素,并且浓度最高可以达到所生长水体浓度的42倍,而且即使水华现象消失,这些藻毒素依然会累积在鱼体内,人类一旦食用这些鱼也就间接吸收了藻毒素^[4]。目前处理高浓度藻类水体最常用的方法是预氧化+化学混凝工艺,预氧化过程虽然可以破坏藻细胞,强化混凝的效果,但在破坏藻细胞的同时,也会向水体中释放胞内藻毒素,从而增加处理后水体中藻毒素的含量^[5]。化学混凝最常用的混凝剂是聚氯化铝(PACl),PACl在混凝除藻方面具有很显著的效果,在适合投加量和pH条件下对藻类的去除率可以达到90%以上^[6]。但PACl在除藻过程中会促进藻细胞释放一定量的藻毒素于水体中^[7],因此如何实现在提高或保持除藻效率的同时提高水体中藻毒素的去除率十分重要。

　　 随着纳米技术的发展,纳米Fe₃O₄也因其独特的物理化学性质而越来越广泛地使用在水处理领域^[8~10]。Chen Jiang等研究了将纳米Fe₃O₄作为助凝剂改善聚氯化铁对铜绿微囊藻的去除效率,投加纳米Fe₃O₄促进混凝过程对藻的去除率从20%提升到90% 以上^[11],Dan Liu等也研究了将纳米Fe₃O₄作为助凝剂提高对巢湖水体中藻类的去除效率,由于纳米Fe₃O₄的加入,不仅除藻效率更高,并且藻细胞形成的絮体沉淀速度更快^[12]。这些研究报道了纳米Fe₃O₄作为助凝剂提高了混凝对水体中藻细胞的去除效率,但是对藻毒素的去除效果报道很少。为了解决传统混凝剂在混凝除藻过程中释放藻毒素的问题,本研究选用纳米Fe₃O₄作为助凝剂协同PACl混凝,考察了pH、混凝剂投加量和Fe₃O₄粒径对藻毒素的去除效果,为水处理的混凝工程应用中藻毒素的去除提供了一种新的想法与思路。

　　 铜绿微囊藻藻种(编号:FACHB-911)购买于中科院武汉水生物研究所。用BG11培养基培养:将1 000mL藻液放置2 000 mL三角锥形瓶中,培养温度是25 ℃,光照条件是2 000Lux,光照时间是12h昼/12h夜。在培养期间每天适当摇动三角锥形瓶以促进藻的生长。

　　 纳米Fe₃O₄采用共沉淀法制备。 称取16g FeCl₃·6H₂O和8g FeCl₂·4H₂O溶于200mL去离子水中,水浴锅内加热至40℃,待药品完全溶解后,剧烈搅拌下快速加入5mol/L NaOH溶液,溶液变色后缓慢滴加100g/L聚乙二醇溶液(PEG-600),通N₂搅拌15 min后继续通N₂在水浴锅中熟化30min,温度为80 ℃。将得到的黑色流体冷却至室温。分别用去离子水和无水乙醇洗涤数次。再将洗涤后的黑色沉淀放置于真空干燥箱内,在65 ℃下干燥24h后,用研钵磨碎,将得到的黑色粉末装于氮气保护的棕色密封瓶中备用。

　　 选取藻细胞浓度为5×10⁶个/mL的铜绿微囊藻原藻液(藻类处于稳定期)进行试验。将50 mL藻液置于100 mL烧杯内,使用PACl和PACl+Fe₃O₄作为混凝剂来进行混凝沉淀。搅拌条件为:快速搅拌(300r/min)2min,慢速搅拌(100r/min)10min。搅拌结束静置60 min后取上清液进行藻毒素的测定。搅拌机的型号为JJ-4六联电动搅拌机,购于金坛市恒丰仪器厂。

　　 将原藻液pH调为7,在PACl组,分别向藻液中投加10 mg/L、20 mg/L、30 mg/L、40 mg/L、50mg/L PACl,在PACl+ Fe₃O₄组,以质量比PACl∶Fe₃O₄=4∶1的比例分别向藻液中投加相应浓度的PACl和纳米Fe₃O₄,然后进行混凝试验。

　　 原藻液pH接近于11,用0.1mg/L NaOH和0.1mg/L HCl分别调节藻液的pH到11、9、7和5。pH调节后,在PACl组,单独投加30 mg/L的PACl进行混凝试验,在PACl+Fe₃O₄组,投加30mg/L的PACl和7.5mg/L的纳米Fe₃O₄(投加质量比为PACl∶Fe₃O₄=4∶1)进行混凝试验。

　　 分别选取20nm(共沉淀法制备),100nm(分析纯,阿拉丁)和微米级(化学纯,国药)的Fe₃O₄作为助凝剂去除水体中的藻毒素。用3种尺寸的Fe₃O₄重复1.3.1和1.3.2步骤。

　　 藻毒素的测定是使用微囊藻毒素快速检测试剂盒(ENVIROLOGIX,USA),取一定量的上清液与试剂盒中的试剂多次混合、反应,最后用酶标仪(VARIOSKAN FLASH,Thermo,USA)在波长为450nm处测量分光光度值。本试验原藻液中藻毒素的浓度为53.06μg/L,藻毒素去除率按式(1)计算:

　　 对所制备的纳米Fe₃O₄颗粒进行X射线衍射分析(XRD),可以得到粒子的衍射图谱,如图1 所示,通过标准Fe₃O₄XRD图峰值的对比,可以确定制备的粒子是Fe₃O₄。

　　 通过透射电子显微镜(TEM)对制备的纳米Fe₃O₄进行表征,图2 所示纳米粒子的粒径在20nm左右,显示制备的Fe₃O₄是纳米级别。对阿拉丁购买的Fe₃O₄进行TEM表征,该Fe₃O₄的粒径在100nm左右。

　　 图3是纳米Fe₃O₄的表面电位与pH之间的关系,通过Zeta电位的表征可以看出当溶液的pH≤7时,纳米Fe₃O₄的表面呈现正电性,当溶液的pH>7时,纳米Fe₃O₄的表面电位呈现负电性。

　　 混凝剂投加量对于微囊藻毒素的去除效果见图4。对于单独投加PACl组,当PACl的投加量从10mg/L上升到20mg/L时,混凝后上清液中藻毒素含量不仅没有降低,反而升高了。但是当混凝剂的投加量继续增加,PACl投加量大于30mg/L时,混凝后上清液藻毒素含量会随着混凝剂投加量的增加而减少。这是因为虽然一方面PACl通过对藻细胞的混凝,在除藻的同时也可以去除一部分藻毒素;但另一方面快速搅拌混凝过程会破坏藻细胞,引起胞内藻毒素释放,混凝剂本身虽然不破坏藻细胞,但却可以导致藻体胶质被解体,使得藻细胞失水变形,从而释放胞内藻毒素^[13]。在PACl与纳米Fe₃O₄共同投加的条件下(PACl∶Fe₃O₄=4∶1),混凝后上清液中藻毒素含量一直随着混凝剂的增加而减少。当PACl+Fe₃O₄的投加量等于20 mg/L时,虽然对藻毒素的去除率只有20%,但是与PACl单独投加(去除率为-13%)相比较,去除率还是得到明显的增加。当PACl+Fe₃O₄的投加量等于50 mg/L时,对藻毒素的去除率约为30%。因为随着纳米Fe₃O₄投加量的增大,纳米Fe₃O₄与藻毒素接触的表面位点增多,使得吸附去除的能力增大。因此,随着混凝剂的投加,剩余藻毒素整体呈现下降的趋势,但是在投加纳米Fe₃O₄的条件下,可以提高藻毒素的去除效率。

　　 在利用纳米Fe₃O₄作为助凝剂去除藻毒素过程中,pH对于去除效果有明显影响。由图5 可知,单独投加PACl,无论藻液为酸性、碱性或是中性,混凝后水体中的剩余藻毒素含量均大于原藻液中藻毒素含量(53.06μg/L)。当PACl与纳米Fe₃O₄共同投加时,在pH 7 和pH 5 的条件下,PACl与纳米Fe₃O₄共同作用对藻毒素具有一定的去除率,当pH5时,去除率接近于35%,但随着pH的增大,尤其当pH>7时,纳米Fe₃O₄作为助凝剂对藻毒素的去除作用消失。 由图3 可知,当pH ≤7 时,纳米Fe₃O₄表面呈现出正电性;当pH>7时,纳米Fe₃O₄表面呈现出负电性。 由于藻毒素的表面是负电性^[14],因此在pH≤7的条件下,纳米Fe₃O₄可能通过静电引力作用去除藻毒素^[15]。当pH>7 时,纳米Fe₃O₄与藻毒素的表面都呈现负电性,二者不会因为静电吸引而相互作用,因此纳米Fe₃O₄在pH>7的条件下不会去除藻毒素。 由此可见,纳米Fe₃O₄作为助凝剂去除藻毒素只有在中性和酸性条件下才具有明显效果。

　　 为了比较Fe₃O₄尺寸在混凝过程中对藻毒素去除的影响,将20nm、100nm和微米级的Fe₃O₄分别作为助凝剂混凝去除藻液中的藻毒素。由图6可知,在不同的混凝剂(PACl∶Fe₃O₄=4∶1)投加量下,Fe₃O₄尺寸越小,藻液中藻毒素的去除率越高。当投加量为50mg/L时,20nm Fe₃O₄组对藻毒素的去除率与微米级Fe₃O₄组比较,去除率提高了20%左右。由图7可知,当pH≤7时,Fe₃O₄尺寸越小,藻液中的藻毒素去除率越高。在pH=5时,20nm Fe₃O₄组对藻毒素的去除率与微米级Fe₃O₄组比较,去除率提高了15%左右。纳米级粒子具有小尺寸效应与表面效应,纳米粒子的粒径越小,纳米粒子的表面效应能量越大^[16]。当纳米Fe₃O₄的尺寸很小时,位于表面的原子所占的体积分数较大,能够产生更大的表面能,随着Fe₃O₄尺寸的减小,比表面积会随之加大,表面原子数以及比例也会增大^[17]。比如Shen等报道了利用不同尺寸的Fe₃O₄吸附4种金属离子Ni(II)、Cu(II)、Cd(II)、Cr(VI),都体现了更小尺寸的Fe₃O₄对金属离子的去除效率更大^[10]。因此在本研究中Fe₃O₄的粒径越小,越有利于在混凝过程中去除藻毒素。

　　 纳米Fe₃O₄能够提高传统混凝剂PACl对水体中铜绿微囊藻毒素的去除效果,并且pH、混凝剂浓度以及纳米Fe₃O₄尺寸对藻毒素的去除效果有明显影响。

　　 (1)由于藻毒素和纳米Fe₃O₄之间的静电作用,纳米Fe₃O₄只有在中性或者酸性条件下对藻毒素具有去除效果。

　　 (2)在不同PACl浓度下,纳米Fe₃O₄均能提高藻毒素去除效果。