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)注的熱點環(huán)境問題。MCs是水華藻類的次生代謝產(chǎn)物，屬于環(huán)狀多肽，細胞死亡或解體后大量釋放到水體中，危害水質(zhì)安全。MCs具有極高的細胞選擇性和專一生物毒性，機體攝入后可經(jīng)多種途徑轉(zhuǎn)移到肝臟等靶器官。毒素暴露后，肝細胞的氧化應(yīng)激水平顯著提高，同時伴生有DNA損傷、細胞骨架破壞、細胞凋亡現(xiàn)象。鑒于MCs對水環(huán)境安全及人類健康的危害，控制水體藍藻水華和MCs濃度水平

2、，確保飲用水安全供給已經(jīng)成為科學(xué)工作者重點關(guān)注的環(huán)境問題。原水除藻（物理、化學(xué)、生物方式）、化學(xué)混凝、沉淀、過濾、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)限制和認識不足，上述各類工藝尚難以從根本上調(diào)控MCs的產(chǎn)生、釋放和毒性風(fēng)險問題，仍然需要對受MCs污染的原水層層設(shè)防，逐級調(diào)控。本論文從藍藻細胞低破損去除、含藻給水污泥減量化處理、MCs消毒副產(chǎn)物鑒定與毒性評價方面，優(yōu)化了受藍藻水華污染飲

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、作用機制、水質(zhì)標準與檢測方法;詳細介紹了針對營養(yǎng)物質(zhì)、針對水源地藻細胞/MCs和針對給水常規(guī)/深度處理中MCs調(diào)控策略與工藝進展。在文獻綜述的基礎(chǔ)上分析了目前相關(guān)研究存在的問題，提出了基于藍藻細胞低破損去除、含藻給水污泥減量化處理、MCs消毒副產(chǎn)物鑒定與毒性評價

4、研究的飲用水微囊藻毒素污染調(diào)控技術(shù)。
　　論文第二章針對混凝沉淀工藝過程中藍藻細胞的破損與胞內(nèi)毒素釋放問題，通過模擬混凝沉淀工藝，評價了混凝藥劑和工藝運行條件（攪拌速度、時間、靜沉?xí)r間等）對藍藻細胞及其代謝產(chǎn)物的去除效果，在此基礎(chǔ)上考察藍藻細胞代謝產(chǎn)物的釋放規(guī)律，闡明藍藻細胞的破損機理;并對混凝劑劑量、攪拌操作及絮體堆積時間等條件進行了優(yōu)化。在優(yōu)化后的混凝條件下（對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胞都可通過表面電中和被完整去除，混凝劑的投加和攪拌條件并沒有導(dǎo)致MCs的額外釋放。AlCl3混凝絮體中，藻細胞表面能夠形成一種有效保護層，一定程度上減弱了藻細胞的溶解。與AlCl3不同，PACl能夠打破藻細胞外的保護層，顯著加劇藻細胞的破損，使其在絮體堆置2天后

6、即發(fā)生溶解。本研究不僅對傳統(tǒng)飲用水混凝沉淀處理工藝中有效去除藻細胞具有重要意義，對于沉淀污泥處理過程中水資源的循環(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，進一步考察了含藻給水污泥真空過濾脫水過程中機械作用和理化作用對藍藻細胞穩(wěn)定性與MCs釋放特性的影響。基于不同操作條件下過濾效率（過濾時間、平均濾速）、濾液濁度、MCs濃度的變化，明確了機械作用和理化作用對藻細胞完整性的

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

8、，含藻給水污泥過濾效率較高且未增加濾液MCs濃度和濁度，應(yīng)優(yōu)先選擇。污泥堆存時間的延長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。在實際給水廠含藻給水污泥減量化處理時，應(yīng)控制嚴苛的堆存時間（AlCl3給水污泥要求堆存時間不超過4d，PACl給水污泥要求堆存時間不超過2d）。本研究完善了對藍藻細胞胞內(nèi)MCs的歸趨方式的認識，同時具體研究結(jié)果能夠為實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，通過模擬常規(guī)氯消毒工藝條件，在實現(xiàn)MCs氧化去除的同時借鑒微囊藻毒素的傳統(tǒng)制備工藝，實現(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MCs及MC-DBPs進行結(jié)構(gòu)對比解析，進而確定主要MC-DBPs的結(jié)構(gòu)特性與生成機制;同時在色譜制備的基礎(chǔ)上利用蛋白磷酸酶抑制毒性實驗建立和完善MC-D

10、BPs環(huán)境風(fēng)險的評價方法。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，但同時氧化生成多種MC-DBPs。典型DBPs產(chǎn)物類型與分布受MCs類型和消毒劑量的影響與制約。綜合分析MC-DBPs的生成機制，不難發(fā)現(xiàn)MC主要經(jīng)歷Adda共軛二烯雙鍵加成反應(yīng)和部分初級產(chǎn)物的脫水反應(yīng)。蛋白磷酸酶PP1的毒性抑制實驗均證實多數(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對飲用水的二次污染同樣值得關(guān)注。本研究建立的針對MC-DBPs毒性分析評價技術(shù)并不局限于MCLR和MCRR，依據(jù)原水中MCs的分布特征，同樣適用于其它類型毒素消毒副產(chǎn)物毒性的評價與調(diào)控。本研究有助于綜合認識MCs的危害及其調(diào)控策略和提高飲用水質(zhì)量，因而具有重要實際意義和應(yīng)用價值。
　　論文第五章對各研究部分進行了總結(jié)，并分析了“飲用水處