基于阳离子淀粉的絮凝剂在蓝藻捕集和藻泥脱水中的应用：作用机制及全流程风险评估

《Algal Research》：Cationic starch-based flocculant for cyanobacteria harvesting and algal sludge dewatering: Mechanisms and full-process risk assessment

微囊藻浓缩及污泥脱水协同增效机制与风险控制研究，采用单试剂阴离子淀粉基絮凝剂St-CTA实现蓝藻高效分离与脱水，通过电荷中和及胞外聚合物重构增强絮体密实度，使污泥含水率降至54%，并建立全流程物料衡算与微囊素风险评估体系。

　　

王玲|张润浩|王笛|李永泽|高莉|边波

南京师范大学环境学院，中国南京，210023

摘要

频繁的藻类水华会导致水中毒素迅速积累，威胁饮用水安全。高效的藻类与水分离及后续污泥脱水仍面临重大挑战。基于阳离子淀粉的絮凝剂（St-CTA）已被广泛研究作为潜在的环保型絮凝剂。然而，单一试剂是否能够实现与传统PAC–CPAM系统相当的藻类收集和污泥脱水效果仍不明确。本研究开发了一种使用单一试剂St-CTA的策略，实现了蓝藻浓缩和藻类污泥的脱水，并将微囊藻毒素（MC）风险评估纳入处理流程。结果表明，使用St-CTA进行絮凝（浓度34 mg/L，转速58 rpm，时间10分钟）可去除98.0%的微囊藻，并提高了污泥的脱水性能，经压滤后最终含水量降至54.0%。机制分析表明，St-CTA通过电荷中和和细胞外聚合物物质（EPS）的重构促进了絮体的紧密形成，增加了表面疏水性，促进了结合水向自由水的转化。因此，单一试剂St-CTA工艺实现了藻类的同时去除和污泥的高效脱水。此外，还对整个处理过程中的物质流动进行了分析，并结合微囊藻毒素风险评估，以评估毒素的再分布和环境风险。

引言

近年来，全球地表水体中藻类异常增殖的现象日益频繁[1]、[2]、[3]。有害藻类水华（如蓝藻水华）的发生频率和影响范围均呈显著上升趋势，严重威胁水生生态平衡和人类健康[4]、[5]、[6]。由于沉降效率低和成分复杂，蓝藻水华难以分离[7]、[8]。此外，处理过程中细胞破裂可能导致细胞内毒素大量释放，进一步恶化水质[9]。混凝预处理通常是藻类水处理的关键技术[7]、[10]。值得注意的是，传统的无机絮凝剂（如聚合氯化铝（PAC）和聚合硫酸铁（PFS）需要高剂量才能有效处理蓝藻水华[11]、[12]。这不仅增加了处理成本，还会产生金属离子残留和二次污染风险[13]、[14]，使得处理后的藻类污泥难以作为资源利用。因此，开发具有资源回收潜力的高性能藻类与水分离技术已成为可持续管理蓝藻水华的关键研究方向。

基于生物的絮凝剂因其原料丰富、成本低、环保且可生物降解而成为高效藻类与水分离的理想替代品[15]、[16]、[17]。在天然聚合物中，基于淀粉的絮凝剂（St-CTA）展现出特别的前景。其分子链富含羟基活性位点，便于引入功能性基团[17]、[18]、[19]。此外，淀粉作为世界上最丰富的天然聚合物材料，来源稳定且成本低廉[20]。例如，Mohseni等人使用St-CTA在剂量为5–10 mg/g DS时实现了97%的分离效率[21]。You等人成功制备了阳离子淀粉接枝单宁基捕集剂（TCCs），在剂量为4.0 mg/L时实现了超过90%的微藻收集效率。与传统阳离子淀粉絮凝剂相比，TCCs形成的絮体更密实，成本降低了62%[22]。然而，絮凝处理后的藻类污泥通常含水量较高，导致污泥块体积较大，运输和干燥成本显著增加。考虑到藻细胞本身的低密度特性[23]，絮凝结合气浮（DAF）已成为促进絮体浮力和分离的常用方法[16]、[24]。

在传统的DAF–过滤系统中，通常采用两阶段化学调理策略：气浮阶段使用无机絮凝剂，过滤前添加调理剂[25]。然而，这往往需要高剂量，导致污泥产生量增加及相应的处置问题[26]。虽然我们之前的研究表明单剂量淀粉基絮凝对藻浆浓缩有效[13]，但由于文献数据有限，其对脱水效率的直接影响尚未量化。此外，现有研究主要集中在实验室规模验证，缺乏对复杂含藻水环境的适应性评估。天然藻类系统含有异质的细胞外聚合物物质（EPS）成分和多种水结合状态，这些因素强烈影响絮体结构和脱水性能[27]、[28]、[29]。因此，要实现过程的深度优化和精确控制，仍需深入理解其内在动力学机制[30]。据推测，基于阳离子淀粉的絮凝剂可通过多糖–EPS相互作用调节絮凝动力学和EPS相关的水分布，从而在复杂含藻条件下实现有效的藻类脱水和风险可控的资源利用。Zhang等人利用Python-OpenCV动态絮体跟踪技术揭示了絮体沉降速度与颗粒大小和分形维数之间的相关性[31]。此外，现有的处理评估中很少将营养相关毒素风险纳入考虑[32]。关于微囊藻毒素（MCs）对人类健康和生态影响的评估仍不充分[33]、[34]。这些知识空白限制了蓝绿藻的安全资源利用。因此，开展基于淀粉絮凝剂的试点规模研究对于探索动力学机制、优化工艺参数和建立风险评估系统至关重要。

本文提出了一种基于淀粉衍生絮凝剂St-CTA的单一试剂策略，以实现蓝藻浓缩和藻类污泥的脱水。系统研究了控制藻类分离和脱水的机理，特别关注EPS介导的结合水调节及其与絮体结构和脱水性能的关系。同时，建立了全流程质量流量分析框架，量化了TN、TP和MCs的分布，并评估了营养物回收效率。在此基础上，将微囊藻毒素风险评估纳入整个处理过程，以评估毒素的再分布和暴露风险。本研究为St-CTA在藻类处理中的工程应用提供了理论见解和技术指导，促进了藻类资源的安全利用。

实验部分

实验用水样本

为便于理解，补充材料中的表S1提供了全文使用的重要缩写及其定义列表。本研究中使用的藻类水样采集自江苏省宜兴市周铁镇小泾港成都大桥的蓝绿藻采集点（太湖宜兴段）（图S1）。收集样本中的主要藻类为微囊藻（Microcystis aeruginosa）。化学分析显示，藻类液体中含有...

St-CTA的结构表征

通过FTIR、¹H NMR、XPS、SEM和EDS分析证实了阳离子基团在淀粉主链上的引入（图S1）。在FTIR光谱中，天然淀粉显示出约3415.5、2928.4和1637.3 cm^?1的特征吸收带。相比之下，St-CTA在约1476.9 cm^?1处显示出额外的吸收带，该吸收带归因于季铵基团（–N⁺(CH?)?）的伸缩振动，证实了CTA成功接枝到了淀粉主链上

结论

分析了St-CTA一步法调节蓝藻浓缩和脱水整个过程的有效性和机理，并进一步评估了微囊藻毒素对人类健康和生态的风险。得出以下结论：

(1)

通过单因素实验和RSM优化，确定了最佳St-CTA处理条件：剂量34 mg/L，搅拌速度58 rpm，处理时间10分钟，从而实现了藻类污泥的低含水量

作者贡献声明

王玲：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，数据可视化，实验研究，概念构思。张润浩：撰写 – 审稿与编辑，验证，方法学研究。王笛：撰写 – 审稿与编辑，数据可视化。李永泽：数据可视化，项目监督。高莉：验证。边波：撰写 – 审稿与编辑，项目监督，资源管理，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢江苏省碳达峰和碳中和科技创新专项计划（编号BT2025034）、江苏省社会发展项目（编号BE2022604）以及江苏省社会发展项目（编号BE2025034）的财政支持。