關(guān)于去除水體中藻類的論文
目前，飲用水源富營養(yǎng)化已經(jīng)成為全球性的問題，由此帶來的水華爆發(fā)以及藻類代謝產(chǎn)物對飲用水處理和水質(zhì)安全帶來了嚴(yán)重的影響。藻類的過度繁殖會產(chǎn)生惡臭和藻毒素[1],對人體健康產(chǎn)生極大威脅。另 外 有 研 究 表 明，當(dāng) 藻 類 數(shù) 量 低 于500 cells/ mL時，不會引起濾池堵塞；當(dāng)藻類數(shù)量為500 ~ 1 000 cells/ mL時，濾池會稍許堵塞；當(dāng)藻類數(shù)量1 000 ~ 2 000 cells/ mL時，濾池出現(xiàn)明顯堵塞；當(dāng)藻類數(shù)量超過2 000 cells/ mL時，濾池出現(xiàn)嚴(yán)重堵塞[2].因此在水華爆發(fā)的時候，過量的藻會堵塞濾池，縮短濾池的過濾周期，造成濾池反沖洗頻繁。
傳統(tǒng)的飲用水處理主要利用混凝/沉淀工藝去除藻細(xì)胞。但由于藻細(xì)胞zeta電位在- 40 mV以上，穩(wěn)定性較高、比重小、難以下沉[3],因此傳統(tǒng)的混凝沉淀法去除藻類的效率非常有限。增大混凝劑的投加量雖然可以強(qiáng)化混凝效果，但會造成成本增大和出水鋁超標(biāo)等問題。而許多學(xué)者的研究已經(jīng)表明采用化學(xué)氧化劑（如CuSO4、含氯化合物、臭氧、高鐵酸鉀、高錳酸鉀等）進(jìn)行預(yù)氧化能很好地強(qiáng)化除藻效果并減少混凝劑投加量[4 - 7].然而，預(yù)氧化也會產(chǎn)生一些負(fù)面影響，因?yàn)轭A(yù)氧化過程中會脅迫藻細(xì)胞釋放胞外有機(jī)物（EOM）和胞內(nèi)有機(jī)物（IOM），而這些有機(jī)物正是消毒副產(chǎn)物（DBPs）的前體物，會增加水質(zhì)具致突變性的危險[8].近幾年有學(xué)者提出適度預(yù)氧化的理念，以達(dá)到既能有效地強(qiáng)化混凝去除藻細(xì)胞又可有效地控制胞內(nèi)有機(jī)物釋放[9].
由于藻細(xì)胞具有活性，其預(yù)氧化強(qiáng)化混凝的過程雖然和一般的無機(jī)膠體和懸浮物的混凝過程相似，但其受到的影響因素更為復(fù)雜。氧化劑、藻細(xì)胞的形態(tài)、水中天然有機(jī)物、藻源有機(jī)物和混凝劑種類等因素都會影響預(yù)氧化強(qiáng)化混凝去除藻類的效果。
本論文綜述了上述因素對預(yù)氧化強(qiáng)化混凝去除水體中藻類的影響，并展望了預(yù)氧化強(qiáng)化混凝去除藻類的應(yīng)用前景。
1氧化劑的種類對預(yù)氧化強(qiáng)化混凝去除藻類的影響
采用氧化劑預(yù)處理會加強(qiáng)混凝作用，并能有效地提高藻類及其胞內(nèi)、外分泌物的去除效率。目前，常用的氧化劑主要包括含氯化合物、臭氧、高錳酸鉀和高鐵酸鉀等。這些氧化劑都能滅活藻細(xì)胞，提高混凝去除藻細(xì)胞的效果，但是不同的氧化劑具有不同的特點(diǎn)。
含氯化合物是目前應(yīng)用最廣泛的預(yù)氧化劑，一般以液氯或次氯酸鈉的形式投加至水體中。不同投加量的含氯化合物對藻類的去除效果具有較大差異。Steynberg等[10]的研究表明當(dāng)氯的投加量為2 mg / L時，預(yù)氯化強(qiáng)化混凝去除衣藻和眼蟲藻的效率分別提高85%和95%.但是Plummer等[4]使用1 mg / L的液氯進(jìn)行預(yù)氯化強(qiáng)化混凝時，綠藻和硅藻的去除效果僅僅提高了10%.導(dǎo)致預(yù)氯化強(qiáng)化混凝去除藻類的效率差別較大的另外一個原因可能是不同實(shí)驗(yàn)所使用的優(yōu)勢藻的種類不同。值得注意的是，采取預(yù)氯化強(qiáng)化混凝去除藻細(xì)胞的過程中存在生成三氯甲烷、鹵乙酸等消毒副產(chǎn)物的風(fēng)險，危害人體健康，在實(shí)際運(yùn)用中，要嚴(yán)格控制含氯化合物的投加量并通過模擬實(shí)驗(yàn)確定較優(yōu)值。
臭氧的氧化還原電位為2. 07 V,在常用的水處理氧化劑中氧化能力最強(qiáng)。臭氧預(yù)氧化有助于滅活藻類、強(qiáng)化混凝。Widrig等[5]的研究表明臭氧預(yù)氧化對三氯化鐵混凝去除藻類具有一定的強(qiáng)化效果，且提高臭氧投加量時混凝效果會進(jìn)一步加強(qiáng)。但是，當(dāng)臭氧投加量過高時，水體中有害物質(zhì)如醛類、酮類、有機(jī)酸、溴酸鹽的濃度會升高。此外，臭氧的發(fā)生裝置昂貴、操作復(fù)雜、運(yùn)行費(fèi)用高等特點(diǎn)都限制了臭氧的實(shí)際應(yīng)用。
高錳酸鉀是一種強(qiáng)氧化劑，水處理中一般使用高錳酸鉀或者高錳酸鉀復(fù)合藥劑（PPC），其對混凝除藻的強(qiáng)化效果非常顯著。Chen等[6]的研究表明，當(dāng)高錳酸鉀的投加量為2 mg / L時，預(yù)氯化強(qiáng)化鋁鹽混凝去除藻細(xì)胞效率提高10% ~ 30%,一方面是因?yàn)楦咤i酸鉀預(yù)氧化會促使藻細(xì)胞聚集，另一方面是預(yù)氧化過程中會形成水合二氧化錳，對后續(xù)混凝過程有一定的促進(jìn)作用。但是，由于高錳酸鉀水溶液呈深紫色，且還原產(chǎn)物為二氧化錳，容易造成出水色度、濁度和余錳超標(biāo)，因此在實(shí)際使用中的投加量必須得到嚴(yán)格控制。
高鐵酸鹽是一種六價鐵的化合物，易溶于水。在水中，高價鐵以FeO2 -4的形式存在，氧化能力介于高錳酸鉀和臭氧之間。高鐵酸鹽對微生物有極強(qiáng)的抑制作用，且具有投加量小、見效快、無毒、無二次污染等優(yōu)點(diǎn)，苑寶鈴等在處理以顫藻為優(yōu)勢藻種的源水時，選用高鐵酸鹽進(jìn)行預(yù)氧化，較好地強(qiáng)化了后續(xù)聚合氯化鋁（PAC）混凝除藻效率，且除藻效果明顯優(yōu)于預(yù)氯化除藻的效果[7].但是高鐵酸鹽在水溶液中穩(wěn)定性較差，受pH、溫度、濃度及雜質(zhì)等因素影響較大，限制了其實(shí)際工程運(yùn)用。
總體來說，含氯化合物由于其經(jīng)濟(jì)性、適用性較好，是目前最為常用的預(yù)氧化劑，但由于其對不同類別的藻屬的強(qiáng)化混凝效果差異較大，因此在實(shí)際運(yùn)用中應(yīng)根據(jù)源水中優(yōu)勢藻屬的類別來選擇，同時含氯化合物的投加量不宜過高，以降低消毒副產(chǎn)物造成的風(fēng)險。高錳酸鉀和臭氧氧化能力較強(qiáng)，對混凝除藻的強(qiáng)化能力顯著，預(yù)氧化過程中也沒有消毒副產(chǎn)物生成，但是它們的使用成本過高限制了在實(shí)際工程中的應(yīng)用。高鐵酸鹽作為一種新興的氧化劑，對混凝除藻有較好的強(qiáng)化作用的同時也能有效除去水中的氯仿前體物，同時不會產(chǎn)生 “三致”物質(zhì)，目前被許多學(xué)者認(rèn)為可取代含氯化合物預(yù)氧化強(qiáng)化混凝除藻。但是高鐵酸鹽在水中穩(wěn)定性較差，實(shí)際工程運(yùn)用中強(qiáng)化除藻效果受水質(zhì)條件影響較大，因此如何保持高鐵酸鹽的穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步研究。
2藻細(xì)胞性質(zhì)對預(yù)氧化強(qiáng)化混凝去除藻類的影響
藻細(xì)胞的性質(zhì)包括形態(tài)、大小、表面電位、活性等，不同藻屬的藻細(xì)胞性質(zhì)都不一樣。藻細(xì)胞的形態(tài)、大小會對混凝效果產(chǎn)生影響，因?yàn)樵寮?xì)胞的形態(tài)和大小決定了藻細(xì)胞的表面積，而已有研究表明藻細(xì)胞的表面積決定了其對混凝劑的需求量。如表1所示，藻細(xì)胞的表面積與混凝劑的需求量成正比，因此當(dāng)混凝條件相同時，藻細(xì)胞的表面積越大，混凝效果越差。另外，雖然藻細(xì)胞在正常水體的pH下都帶負(fù)電，但不同的藻細(xì)胞zeta電位不一樣，而zeta電位越高，藻細(xì)胞越穩(wěn)定，越難與混凝劑形成絮體而被去除[11].儲昭升等研究發(fā)現(xiàn)一些活體的藻細(xì)胞如藍(lán)藻細(xì)胞中存在一種充滿氣體的細(xì)胞器，是剛性、中空蛋白質(zhì)的圓柱體的.氣囊結(jié)構(gòu)，因此可以自由調(diào)節(jié)浮力，使其擁有較高的穩(wěn)定性，不易于沉淀。但當(dāng)藻細(xì)胞失活時，穩(wěn)定性會降低，同時zeta電位也消失，更容易與混凝劑反應(yīng)形成絮體被去除[12].
此外，藻類生長過程中藻細(xì)胞的生理特征結(jié)構(gòu)等性質(zhì)會隨著不同的生長周期而改變，例如表面電負(fù)性、生理活性、胞外分泌物的性質(zhì)和含量以及細(xì)胞外部形態(tài)等的變化，這些生理特征的變化均會影響預(yù)氧化和混凝對藻類的去除作用。張素春[13]采用高錳酸鉀預(yù)氧化強(qiáng)化PAC混凝去除對數(shù)期和衰亡期的藻類時發(fā)現(xiàn)，在相同混凝劑和氧化劑投加量下，對衰亡期藻的去除效果明顯低于對數(shù)期的藻類，主要是因?yàn)樘幱谒ネ銎诘脑逡褐蠥OM比對數(shù)期的更多，且AOM中抑制混凝效果的物質(zhì)更多，從而導(dǎo)致達(dá)到相同效果必須投加更多的混凝劑。
3天然有機(jī)物（NOM）對預(yù)氧化強(qiáng)化混凝去除藻類的影響
天然有機(jī)物主要是一些腐殖質(zhì)類物質(zhì)，從官能團(tuán)而言，主要是由酚類、羧酸類、醇類、胺及嘌呤等組成，所以天然有機(jī)物作為陰離子聚合物，對混凝有一定的干擾作用。當(dāng)水中存在天然有機(jī)物的時候，混凝劑會優(yōu)先和水中的天然有機(jī)物如腐植酸和富里酸反應(yīng)，降低有效投加量。因此天然有機(jī)物的存在會降低混凝效果，而天然有機(jī)物的組成成分決定了它對混凝效果的影響。
Yang等[14]的研究表明，經(jīng)過2 mg / L的ClO2預(yù)氧化后，天然有機(jī)物中親水性有機(jī)物所占比例從50%上升至69%;分子量小于1 KDa的比例從39%上升到53%,而分子量大于30 KDa的比例從24%下降至14%.因此ClO2預(yù)氧化會使天然有機(jī)物中親水有機(jī)物的比例增加，并且會將一些大分子有機(jī)物氧化成小分子有機(jī)物。Vorapot等通過傅立葉紅外光光譜分析得到疏水性有機(jī)物主要由一些大分子芳香族有機(jī)物組成，而親水性的有機(jī)物主要由一些脂類、碳氮化合物（如碳水化合物，多糖和氨基酸）組成[15].因此當(dāng)藻液中存在天然有機(jī)物時，ClO2會優(yōu)先破壞天然有機(jī)物中的芳香結(jié)構(gòu)和共軛結(jié)構(gòu)，將水中天然有機(jī)物中大分子的芳香烴和長鏈脂肪族轉(zhuǎn)換為小分子和親水性有機(jī)物。而混凝效果受水中溶解性有機(jī)物的濃度和分子量的影響較大，當(dāng)溶解性有機(jī)物濃度較高，分子量較小時候，溶解性有機(jī)物會降低混凝去除藻類的效果。因此在預(yù)氧化條件下，NOM的存在會抑制混凝去除藻類的效果。
4藻源有機(jī)物對預(yù)氧化強(qiáng)化混凝去除藻類的影響
藻源有機(jī)物主要是細(xì)胞生長過程中向外界分泌的有機(jī)物，而經(jīng)過預(yù)氧化處理過的藻液中，則還包含預(yù)氧化過程中細(xì)胞內(nèi)部釋放出來的有機(jī)物（IOM）。Wert等[16]研究了ClO2預(yù)氧化對藻細(xì)胞胞內(nèi)有機(jī)物的影響。發(fā)現(xiàn)預(yù)氧化過程中會使藻細(xì)胞釋放微囊藻藻毒素（MCLR）、2甲基異冰片（MIB）和土臭素等胞內(nèi)有機(jī)物。釋放機(jī)理如圖1所示。預(yù)氧化過程中，氧化劑會攻擊細(xì)胞壁，使細(xì)胞破裂，釋放藻源有機(jī)物。
目前，許多研究已經(jīng)證明了藻源有機(jī)物的存在對混凝效果有較大的影響。一般認(rèn)為，藻源有機(jī)物的成分為類蛋白質(zhì)、糖類和脂類，這些物質(zhì)在混凝中表現(xiàn)為陰離子特性，而實(shí)際工程中一般多使用金屬陽離子混凝劑，所以在混凝過程中，混凝劑都會優(yōu)先與它們形成配合物、絡(luò)合物膠體，減少有效投加量。另外藻源有機(jī)物中有一種金屬酶，對金屬陽離子有很強(qiáng)的吸附作用，所以當(dāng)水體中的藻源有機(jī)物濃度過高時，會大大的削弱混凝效果[17].
喬俊蓮等[18]研究了不同混凝劑對EOM移除后的藻液和原藻液的除藻效果，發(fā)現(xiàn)EOM對混凝的影響具有利弊雙重性。在混凝初期，由于混凝劑會優(yōu)先和EOM結(jié)合，使有效投加量降低從而影響混凝效果。而在混凝后期，前面與混凝劑結(jié)合的EOM會增強(qiáng)吸附架橋和網(wǎng)捕作用，形成密實(shí)的絮體，改善了沉降效果。Takaara等[19]通過將胞外有機(jī)物（EOM）和細(xì)胞有機(jī)物（IOM）分別離心提純后，獨(dú)立研究兩者對混凝的影響，分析得到EOM和IOM的存在都會對混凝效果產(chǎn)生抑制作用。分別對EOM和IOM的組成成分進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，IOM中類蛋白質(zhì)物質(zhì)的含量明顯高于EOM.而類蛋白質(zhì)與混凝劑形成絡(luò)合物是抑制混凝效果的一個主要原因。所以IOM對混凝效果的抑制能力明顯強(qiáng)于EOM.因此在實(shí)際工程運(yùn)用中，控制IOM的釋放對后續(xù)混凝效果的影響十分重要。預(yù)氧化應(yīng)該遵從適度預(yù)氧化原則，就是在破壞藻細(xì)胞穩(wěn)定性的前提下，盡量控制細(xì)胞釋放出來過多的IOM,才能達(dá)到最好的混凝效果。
5混凝劑種類對預(yù)氧化強(qiáng)化混凝去除藻類的影響
常用于除藻的混凝劑主要分為簡單無機(jī)混凝劑、聚合無機(jī)混凝劑、聚合有機(jī)混凝劑和生物絮凝劑等。目前，實(shí)際工程中一般選用金屬混凝劑和無機(jī)高分子混凝劑。金屬混凝劑主要包括鐵鹽和鋁鹽，鐵鹽對親水性有機(jī)物和小分子有機(jī)物的去除效果較好，而鋁鹽對大分子有機(jī)物的去除效果較好[20,21].王振紅等[22]的研究表明高錳酸鉀預(yù)氧化后，使用硫酸鐵混凝的除藻效果要優(yōu)于硫酸鋁。主要是因?yàn)轭A(yù)氧化后，水中的小分子有機(jī)物與親水性有機(jī)物的比例會上升，因此預(yù)氧化后，鐵鹽的混凝效果要優(yōu)于鋁鹽。而當(dāng)使用鐵鹽作為混凝劑時，Ma等[23]發(fā)現(xiàn)使用高錳酸鉀預(yù)氧化后，投加相同劑量的二價態(tài)鐵鹽混凝去除銅綠微囊藻的效果要明顯優(yōu)于三價態(tài)鐵鹽，其分別對KMnO4Fe（II）和KMnO4Fe（III）混凝過程產(chǎn)生的絮體進(jìn)行生長動力學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)使用二價態(tài)鐵鹽混凝時，絮體的生長速度和平均粒徑大小明顯優(yōu)于三價態(tài)鐵鹽混凝，主要是由于二價鐵在氧化劑存在的條件下被氧化成三價鐵，而新生成的三價鐵活性較預(yù)先配置好的三價鐵強(qiáng)，混凝效果更好。另外許多研究也表明無機(jī)高分子混凝劑的效果普遍要優(yōu)于金屬混凝劑[24],但是高分子混凝劑相對普通金屬混凝劑價格要高，在實(shí)際運(yùn)用中還需要根據(jù)處理需求進(jìn)行選擇。
常規(guī)絮凝劑的大量使用會給環(huán)境和人類健康帶來一些問題，如人體中鋁含量過高就可能引起阿爾茨海默氏病。因此，尋找無毒的混凝劑代替常規(guī)的金屬混凝劑成為了一個研究熱點(diǎn)。Anderson[25]早在1997年就提出了粘土是最有前景的絮凝除藻材料，近年來我國也有學(xué)者將改性后的粘土作為混凝劑處理藻細(xì)胞并取得了良好的效果[26].另外，生物絮凝劑由于其具有安全性和無二次污染的優(yōu)點(diǎn)，也有望替代傳統(tǒng)絮凝劑。
6小結(jié)
目前，我國水體富營養(yǎng)化情況依然十分嚴(yán)峻�？梢灶A(yù)見的是，在沒有一種更加經(jīng)濟(jì)高效的新型除藻工藝被開發(fā)出來前，預(yù)氧化強(qiáng)化混凝工藝在今后很長一段時間內(nèi)仍將是應(yīng)對水體富營養(yǎng)化導(dǎo)致的藻類爆發(fā)的首選處理手段。預(yù)氧化強(qiáng)化混凝去除藻類的機(jī)理十分復(fù)雜，是物理、化學(xué)和生物反應(yīng)協(xié)同作用的結(jié)果，受到的影響因素較為混雜。本文主要綜述了氧化劑、藻細(xì)胞的形態(tài)、水中天然有機(jī)物、藻源有機(jī)物和混凝劑種類五個主要因素對強(qiáng)化混凝去除藻類效果的影響，得到如下主要結(jié)論及建議：
�。�1）不同藻屬的性質(zhì)如形態(tài)、大小、表面電位、活性等存在較大的差異，因此采用不同的氧化劑預(yù)氧化不同性質(zhì)的藻類，對后續(xù)混凝效果的影響也不盡相同。針對源水中優(yōu)勢藻種的類別，應(yīng)合理選擇氧化劑的種類。
�。�2）預(yù)氧化過程中，藻細(xì)胞會向水體中釋放藻源有機(jī)物，混凝劑會優(yōu)先與它們反應(yīng)形成配合物、絡(luò)合物膠體，減少有效投加量。因此，運(yùn)用預(yù)氧化強(qiáng)化混凝處理高濃度藻水的關(guān)鍵是控制預(yù)氧化效果，進(jìn)行適度預(yù)氧化，達(dá)到既能滅活藻細(xì)胞又能盡量降低藻源有機(jī)物的釋放的效果。
�。�3）對于水體中天然有機(jī)物的分布、成分以及轉(zhuǎn)化規(guī)律需要展開深入的研究，揭示水源水質(zhì)的特征對混凝效果影響的規(guī)律，進(jìn)一步對水中天然有機(jī)物如腐植酸、富里酸、蛋白質(zhì)以及多糖類物質(zhì)等的削弱或優(yōu)化混凝過程加以研究。
�。�4）對于既定的水質(zhì)體系，在水質(zhì)特征和優(yōu)勢藻屬確定的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行混凝劑的優(yōu)化選擇，建立預(yù)氧化過程和混凝過程之間的優(yōu)化集成，形成最優(yōu)的預(yù)氧化 混凝系統(tǒng)，達(dá)到經(jīng)濟(jì)性和高效性的統(tǒng)一。
�。�5）未來的研究方向應(yīng)針對不同的水質(zhì)體系，探索使用不同的氧化劑和混凝劑，提高預(yù)氧化 混凝工藝去除藻類的效果，建立系統(tǒng)完善的數(shù)據(jù)庫，得到最優(yōu)化的工藝條件，為實(shí)際工程運(yùn)用提供技術(shù)指導(dǎo)。
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