飲用水處理工藝中微囊藻毒素污染調(diào)控技術(shù)的優(yōu)化研究.pdf

1、藍(lán)藻水華引發(fā)的微囊藻毒素(Microcystins，MCs)次生污染已成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)環(huán)境問(wèn)題。MCs是水華藻類(lèi)的次生代謝產(chǎn)物，屬于環(huán)狀多肽，細(xì)胞死亡或解體后大量釋放到水體中，危害水質(zhì)安全。MCs具有極高的細(xì)胞選擇性和專(zhuān)一生物毒性，機(jī)體攝入后可經(jīng)多種途徑轉(zhuǎn)移到肝臟等靶器官。毒素暴露后，肝細(xì)胞的氧化應(yīng)激水平顯著提高，同時(shí)伴生有DNA損傷、細(xì)胞骨架破壞、細(xì)胞凋亡現(xiàn)象。鑒于MCs對(duì)水環(huán)境安全及人類(lèi)健康的危害，控制水體藍(lán)藻水華和MCs濃度水平

2、，確保飲用水安全供給已經(jīng)成為科學(xué)工作者重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題。原水除藻（物理、化學(xué)、生物方式）、化學(xué)混凝、沉淀、過(guò)濾、消毒、活性炭吸附、生物降解等工藝陸續(xù)應(yīng)用于MCs的調(diào)控并且獲得了明顯的成效。但是由于技術(shù)限制和認(rèn)識(shí)不足，上述各類(lèi)工藝尚難以從根本上調(diào)控MCs的產(chǎn)生、釋放和毒性風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，仍然需要對(duì)受MCs污染的原水層層設(shè)防，逐級(jí)調(diào)控。本論文從藍(lán)藻細(xì)胞低破損去除、含藻給水污泥減量化處理、MCs消毒副產(chǎn)物鑒定與毒性評(píng)價(jià)方面，優(yōu)化了受藍(lán)藻水華污染飲

3、用水的處理工藝，為MCs的有效調(diào)控提供新的技術(shù)支持。論文主要包括以下五部分:
　　論文第一章闡述了微囊藻毒素的理化特性、生成機(jī)制與污染現(xiàn)狀;歸納了微囊藻毒素典型的生物毒性、作用機(jī)制、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)方法;詳細(xì)介紹了針對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、針對(duì)水源地藻細(xì)胞/MCs和針對(duì)給水常規(guī)/深度處理中MCs調(diào)控策略與工藝進(jìn)展。在文獻(xiàn)綜述的基礎(chǔ)上分析了目前相關(guān)研究存在的問(wèn)題，提出了基于藍(lán)藻細(xì)胞低破損去除、含藻給水污泥減量化處理、MCs消毒副產(chǎn)物鑒定與毒性評(píng)價(jià)

4、研究的飲用水微囊藻毒素污染調(diào)控技術(shù)。
　　論文第二章針對(duì)混凝沉淀工藝過(guò)程中藍(lán)藻細(xì)胞的破損與胞內(nèi)毒素釋放問(wèn)題，通過(guò)模擬混凝沉淀工藝，評(píng)價(jià)了混凝藥劑和工藝運(yùn)行條件（攪拌速度、時(shí)間、靜沉?xí)r間等）對(duì)藍(lán)藻細(xì)胞及其代謝產(chǎn)物的去除效果，在此基礎(chǔ)上考察藍(lán)藻細(xì)胞代謝產(chǎn)物的釋放規(guī)律，闡明藍(lán)藻細(xì)胞的破損機(jī)理;并對(duì)混凝劑劑量、攪拌操作及絮體堆積時(shí)間等條件進(jìn)行了優(yōu)化。在優(yōu)化后的混凝條件下（對(duì)AlCl3而言最優(yōu)條件為15 mg/L，快攪250 r/min、1

5、 min，慢攪20 r/min、20 min;對(duì)PACl而言最優(yōu)條件為4 mg/L，快攪150 r/min、2 min，慢攪40 r/min、30 min)，幾乎所有銅綠微囊藻細(xì)胞都可通過(guò)表面電中和被完整去除，混凝劑的投加和攪拌條件并沒(méi)有導(dǎo)致MCs的額外釋放。AlCl3混凝絮體中，藻細(xì)胞表面能夠形成一種有效保護(hù)層，一定程度上減弱了藻細(xì)胞的溶解。與AlCl3不同，PACl能夠打破藻細(xì)胞外的保護(hù)層，顯著加劇藻細(xì)胞的破損，使其在絮體堆置2天后

6、即發(fā)生溶解。本研究不僅對(duì)傳統(tǒng)飲用水混凝沉淀處理工藝中有效去除藻細(xì)胞具有重要意義，對(duì)于沉淀污泥處理過(guò)程中水資源的循環(huán)利用和二次污染防治同樣具有重要的指導(dǎo)意義。
　　論文第三章在混凝沉淀凈化處理含藻原水工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考察了含藻給水污泥真空過(guò)濾脫水過(guò)程中機(jī)械作用和理化作用對(duì)藍(lán)藻細(xì)胞穩(wěn)定性與MCs釋放特性的影響?；诓煌僮鳁l件下過(guò)濾效率（過(guò)濾時(shí)間、平均濾速）、濾液濁度、MCs濃度的變化，明確了機(jī)械作用和理化作用對(duì)藻細(xì)胞完整性的

7、具體影響，并據(jù)此對(duì)過(guò)濾操作條件進(jìn)行優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)載樣量對(duì)污泥脫水特性影響顯著，污泥在過(guò)濾介質(zhì)表面逐漸堆積，不僅降低濾速且對(duì)藻細(xì)胞具有明顯的擠壓破壞，實(shí)際操作中應(yīng)避免污泥層的形成，以提高濾速同時(shí)減少M(fèi)Cs釋放。含藻給水污泥過(guò)濾脫水時(shí)應(yīng)選擇親水性過(guò)濾介質(zhì)，在保證較高過(guò)濾效率的條件下盡可能降低介質(zhì)孔度。盡管正壓過(guò)濾效率略有提高，卻會(huì)造成絮體和藻細(xì)胞破損，從減少M(fèi)Cs釋放的角度來(lái)講，應(yīng)選擇低破壞性的真空過(guò)濾技術(shù)。在合適的推動(dòng)力作用下（高真空度）

8、，含藻給水污泥過(guò)濾效率較高且未增加濾液MCs濃度和濁度，應(yīng)優(yōu)先選擇。污泥堆存時(shí)間的延長(zhǎng)雖有利于提高污泥脫水效率，卻顯著提高了濾液MCs濃度和濁度。在實(shí)際給水廠含藻給水污泥減量化處理時(shí)，應(yīng)控制嚴(yán)苛的堆存時(shí)間（AlCl3給水污泥要求堆存時(shí)間不超過(guò)4d，PACl給水污泥要求堆存時(shí)間不超過(guò)2d）。本研究完善了對(duì)藍(lán)藻細(xì)胞胞內(nèi)MCs的歸趨方式的認(rèn)識(shí)，同時(shí)具體研究結(jié)果能夠?yàn)閷?shí)際給水廠含藻給水污泥的減量化處理和含泥水資源化利用提供借鑒和參考。
　

9、　論文第四章以典型毒素MCLR和MCRR作為飲用水中微囊藻毒素調(diào)控研究的契入點(diǎn)，通過(guò)模擬常規(guī)氯消毒工藝條件，在實(shí)現(xiàn)MCs氧化去除的同時(shí)借鑒微囊藻毒素的傳統(tǒng)制備工藝，實(shí)現(xiàn)MCs消毒副產(chǎn)物(MC-DBPs)的分離純化，并利用液相色譜-質(zhì)譜(LC/MS)、質(zhì)譜-質(zhì)譜聯(lián)用(MS/MS)等技術(shù)對(duì)MCs及MC-DBPs進(jìn)行結(jié)構(gòu)對(duì)比解析，進(jìn)而確定主要MC-DBPs的結(jié)構(gòu)特性與生成機(jī)制;同時(shí)在色譜制備的基礎(chǔ)上利用蛋白磷酸酶抑制毒性實(shí)驗(yàn)建立和完善MC-D

10、BPs環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)方法。研究表明在不同消毒模式下， MCs能夠穩(wěn)定消減至WHO規(guī)定的限值(1.0μg/L)以下，但同時(shí)氧化生成多種MC-DBPs。典型DBPs產(chǎn)物類(lèi)型與分布受MCs類(lèi)型和消毒劑量的影響與制約。綜合分析MC-DBPs的生成機(jī)制，不難發(fā)現(xiàn)MC主要經(jīng)歷Adda共軛二烯雙鍵加成反應(yīng)和部分初級(jí)產(chǎn)物的脫水反應(yīng)。蛋白磷酸酶PP1的毒性抑制實(shí)驗(yàn)均證實(shí)多數(shù)MC-DBPs的生物毒性較原毒素有明顯下降，但殘余的生物毒性依然不能忽視。盡管消毒

11、處理可有效調(diào)控MCs的濃度水平，但綜合考慮MC-DBPs的含量變化和潛在生物毒性，MC-DBPs對(duì)飲用水的二次污染同樣值得關(guān)注。本研究建立的針對(duì)MC-DBPs毒性分析評(píng)價(jià)技術(shù)并不局限于MCLR和MCRR，依據(jù)原水中MCs的分布特征，同樣適用于其它類(lèi)型毒素消毒副產(chǎn)物毒性的評(píng)價(jià)與調(diào)控。本研究有助于綜合認(rèn)識(shí)MCs的危害及其調(diào)控策略和提高飲用水質(zhì)量，因而具有重要實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。
　　論文第五章對(duì)各研究部分進(jìn)行了總結(jié)，并分析了“飲用水處