不同生長階段的水華魚腥藻模擬配水混凝處理效果

糜自棟，趙 亮，宋武昌，陳發(fā)明，孫韶華，賈瑞寶,*

(1.山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250101；2.山東省城市供排水水質(zhì)監(jiān)測中心，山東濟(jì)南 250101)

水庫水體富營養(yǎng)化容易引起藍(lán)藻水華暴發(fā)，控制和去除水體中的藻類以保證用水安全已成為水處理行業(yè)普遍關(guān)注的問題[1-3]。藻類暴發(fā)會導(dǎo)致水體缺氧、渾濁度升高、混凝劑投加量增加、膜污染、配水系統(tǒng)微生物滋生等，藻類還會釋放藻毒素和大量的藻類有機(jī)物(AOM)。AOM主要由細(xì)胞外有機(jī)物(EOM)和細(xì)胞內(nèi)有機(jī)物質(zhì)(IOM)組成，含有的大量有機(jī)氮會影響氯化和氯胺化的消毒效果并導(dǎo)致消毒副產(chǎn)物(DBPs)的生成。這些問題嚴(yán)重影響水廠處理工藝效率，導(dǎo)致水廠處理工藝的有效壽命降低，引發(fā)水質(zhì)安全問題[4-7]。

鵲山水庫是濟(jì)南市重要的水源地之一，屬于中營養(yǎng)型的引黃水庫，水體中總氮、總磷等指標(biāo)時有超標(biāo)，夏、秋季水溫較高、光照充足，曾因水華暴發(fā)致使水廠濾池堵塞，出廠水異味明顯增加，嚴(yán)重影響了該地區(qū)水廠的供水水質(zhì)[8-9]。目前，高藻水的處理方法有化學(xué)法、生物法、物理法。臭氧等預(yù)氧化處理能夠快速殺藻，但可能會引起藻類應(yīng)激反應(yīng)或細(xì)胞膜破損，從而導(dǎo)致產(chǎn)生嗅味化合物和釋放IOM。生物法所需周期較長[10-11]。混凝是一種有效且運(yùn)用廣泛的物理除藻技術(shù)，具有較高的安全性[12-13]，但當(dāng)混凝劑投加量超過一定濃度時，水中膠體會產(chǎn)生再穩(wěn)現(xiàn)象影響凝聚性，導(dǎo)致混凝效果降低。投加過量的混凝劑并不能有效提高混凝除藻效率，反而會增加水處理成本，且研究表明長期飲用含鋁超標(biāo)水會引起中樞神經(jīng)功能紊亂，增加患阿爾茨海默病的幾率[14-16]。因此，針對水源地高藻水的水質(zhì)條件來優(yōu)化混凝除藻工藝，對水廠保證和提高高藻期供水水質(zhì)具有重要意義。

本文選取不同生長階段的水華魚腥藻作為藍(lán)藻代表，模擬鵲山水庫高藻水體，對比了聚合氯化鋁(PAC)、氯化鐵(FeCl3)、硫酸鋁[Al2(SO4)3]這3種混凝劑對高藻水的混凝處理效果。主要考察了不同類型混凝劑對高藻水中藻細(xì)胞和有機(jī)物的去除效果以及pH對溶解性有機(jī)碳(DOC)去除能力的影響，并研究了3種常用混凝劑對藻源型三鹵甲烷與N-亞硝基二甲胺(NDMA)消毒副產(chǎn)物前體物的去除特性，可為高藻水水廠的混凝處理工藝的優(yōu)化調(diào)整提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

水華魚腥藻購自武漢水生生物研究所，采用BG11培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)條件：溫度為(25±1)℃、光照強(qiáng)度為3 000 lx、光暗比為12 h∶12 h。試驗(yàn)所用PAC為化學(xué)純，F(xiàn)eCl3和Al2(SO4)3為分析純，產(chǎn)自天津市廣成化工有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

對培養(yǎng)的水華魚腥藻每2 d取樣1次，測定685 nm處吸光度值(OD685)，按一定的稀釋倍數(shù)逐級稀釋，在顯微鏡下計數(shù)。水華魚腥藻不同培養(yǎng)時間的OD685及藻密度如圖1所示。水華魚腥藻的指數(shù)生長期為2～28 d、穩(wěn)定期為28～34 d、34 d后進(jìn)入衰亡期。本試驗(yàn)選取的指數(shù)期、穩(wěn)定期、衰亡期的藻細(xì)胞分別取自第14、30、38 d，平均藻細(xì)胞含量分別為280.33×104、433.47×104、412.13×104cells/mL。

圖1 水華魚腥藻不同培養(yǎng)時間的OD685及藻密度

本試驗(yàn)采用單因素試驗(yàn)法，使用六聯(lián)攪拌儀進(jìn)行混凝燒杯試驗(yàn)。分別取PAC、FeCl3、Al2(SO4)3粉末使用去離子水配制成10 g/L的混凝劑溶液，混凝劑投加量分別控制在2、4、6、8、10 mg/L。試驗(yàn)用水為濟(jì)南鵲山水庫原水加藻配水，將水樣中藻類總數(shù)控制在107cells/L。除了探究pH對混凝效果的試驗(yàn)外，其余水樣使用NaOH和HCl調(diào)節(jié)初始pH值為8±0.1。不同混凝劑分別配制1 L水樣，混合階段轉(zhuǎn)速為200 r/min，攪拌時間為0.5 min；混凝階段先以200 r/min快速攪拌0.5 min，再調(diào)至50 r/min攪拌15 min；靜置30 min后取上清液進(jìn)行試驗(yàn)分析。

1.3 分析方法與儀器

培養(yǎng)箱采用上海博迅實(shí)業(yè)液晶屏程控光照培養(yǎng)箱BSG-400；藻細(xì)胞計數(shù)使用奧林巴斯BX41顯微鏡，采用北京普利特有限公司0.1 mL浮游計數(shù)框(CC-F)；混凝裝置采用六聯(lián)攪拌儀(TA6系列)；pH采用Five Easy plus pH計測定；OD685、UV254使用TU-1810紫外可見分光光度計測定；DOC使用島津總有機(jī)碳分析儀TOC-V CPH測定；葉綠素a采用分光光度法測定；三鹵甲烷生成勢采用島津GC-2010測定；NDMA采用固相萃取+氣象色譜質(zhì)譜聯(lián)用(SPE+GCMS)檢測。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同混凝劑對藻細(xì)胞去除效果

Hua等[17]研究表明，當(dāng)藻類濃度維持在一定范圍時，藻類的細(xì)胞數(shù)量與OD685存在線性關(guān)系，因此，可通過測量樣品反應(yīng)前后的OD685來判斷藻類細(xì)胞的去除效果。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，3種混凝劑在不同投加量對穩(wěn)定期藻細(xì)胞的去除率均在88%以上，指數(shù)期和穩(wěn)定期藻細(xì)胞的去除率相近且高于衰亡期。在最佳的投加劑量下，PAC、FeCl3、Al2(SO4)3對水華魚腥藻位于指數(shù)期藻細(xì)胞的去除率分別為95.00%、92.10%、90.20%；對位于穩(wěn)定期藻細(xì)胞的去除率分別為92.80%、90.20%、92.50%；對位于衰亡期藻細(xì)胞的去除率分別為88.90%、87.50%、88.10%。試驗(yàn)結(jié)果表明，3種混凝劑對藻細(xì)胞代表的大分子有機(jī)物均有較好的去除效果，且PAC去除藻細(xì)胞效果相對優(yōu)于其他兩種混凝劑，其在6 mg/L的投加量下對含3種不同生長階段魚腥藻的高藻水中藻細(xì)胞均有較好的去除效果。3種混凝劑在投加量為2 mg/L時衰亡期的去除率為71.11%、70.00%、64.29%，明顯低于其他兩個生長階段，隨混凝劑投加量增加，衰亡期的去除率先明顯提升后趨于穩(wěn)定，與其他生長期藻細(xì)胞去除效果差異減小。3種混凝劑分別在6、8、8 mg/L的投加量下達(dá)到衰亡期去除率的最大值，此時相較于指數(shù)期去除率分別低3.90%、5.00%、2.40%，衰亡期會降低混凝對藻細(xì)胞的去除效果，這可能與衰亡期水體中所含藻細(xì)胞分泌的EOM含量較高抑制了混凝效果有關(guān)[18]。

圖2 不同混凝劑對藻細(xì)胞去除效果

2.2 不同混凝劑對有機(jī)物去除效果

UV254是難揮發(fā)性總有機(jī)碳和總?cè)u甲烷生成量的良好替代參數(shù)，主要表征的是水中溶解性的具有共軛結(jié)構(gòu)或芳香結(jié)構(gòu)的不飽和有機(jī)物。DOC以碳的含量來表示水體中有機(jī)物質(zhì)的總量，其大小可以用來評價水體中有機(jī)物污染的程度，因此，使用UV254和DOC表征高藻水中有機(jī)物。

所配高藻水中的有機(jī)物含量如表1所示，衰亡期有機(jī)物含量略高其他兩個生長階段。通過對比分析，研究了3種不同混凝劑混凝對含不同生長階段藻類的高藻水中有機(jī)物的去除效果。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，混凝劑對不同生長階段UV254的去除率高于DOC去除率，表明3種混凝劑對芳香結(jié)構(gòu)的不飽和有機(jī)物去除率高于對其他溶解性有機(jī)物組分的去除率。相同投加量下3種混凝劑對有機(jī)物的去除效果為PAC>FeCl3≈Al2(SO4)3，PAC對UV254和DOC的最高去除率分別為59.80%和52.00%。3種混凝劑投加量從2 mg/L增加到6 mg/L，可有效提高混凝劑對高藻水中有機(jī)物的去除效果，對衰亡期有機(jī)物的去除率提升較為明顯；投加量從6 mg/L增加到10 mg/L，對高藻水中有機(jī)物的去除效果提升不明顯。6 mg/L投加量條件下，3種混凝劑對不同生長階段UV254的平均去除率為51.30%、47.00%、46.90%，對DOC的平均去除率為46.10%、41.60%、43.40%?；炷齽χ笖?shù)期和穩(wěn)定期的有機(jī)物去除效果均優(yōu)于衰亡期，這可能與藻類衰亡過程中腐殖質(zhì)等芳香族化合物、藻類溶解性有機(jī)物釋放以及藻表面Zeta電位較高抑制了混凝效果有關(guān)[19-20]。

表1 不同生長階段高藻水中有機(jī)物含量

圖3 不同混凝劑對有機(jī)物的去除率

張忠祥等[21]研究表明，高鐵酸鉀預(yù)氧化強(qiáng)化混凝可進(jìn)一步提高UV254的去除效果；朱宸等[22]、陳雯婧等[23]研究表明，高藻水在經(jīng)過預(yù)壓力處理和超聲波強(qiáng)化混凝除藻后，可進(jìn)一步提高DOC的去除效果，而通過高錳酸鉀和次氯酸鈉預(yù)氧化處理會破壞藻細(xì)胞導(dǎo)致DOC增加，高錳酸鉀預(yù)氧化處理增幅相對較小。因此，可以根據(jù)不同水處理要求，選擇合適的預(yù)處理工藝進(jìn)一步增強(qiáng)混凝對有機(jī)物的去除效果。

2.3 pH對混凝效果的影響

原水水體中的pH會對混凝劑的水解狀態(tài)存在一定程度的影響，從而影響混凝效果和去除效率。試驗(yàn)用HCl和NaOH溶液分別將高藻水pH值調(diào)至5、6、7、8、9，3種混凝劑的投加量均控制在6 mg/L，考察不同pH對混凝劑處理含不同生長階段水華魚腥藻的高藻水的影響，處理效果以DOC的去除率表示。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示：PAC、FeCl3混凝處理效果受pH變化的影響較小，對水華魚腥藻不同生長階段DOC的平均去除率分別為45.80%、41.00%；Al2(SO4)3混凝劑對水華魚腥藻DOC的去除效果受pH的影響較為明顯，衰亡期pH值從9降至5時，藻的最高去除率下降了22.40%左右，其產(chǎn)生下降的主要原因是衰亡期胞內(nèi)有機(jī)物的釋放和低pH影響混凝劑的水解。本試驗(yàn)表明，將原水pH調(diào)節(jié)控制在弱堿性范圍內(nèi)可達(dá)到較好的混凝除藻效果，同時，還可以減緩供水管網(wǎng)在酸性條件下被腐蝕。本試驗(yàn)混凝劑的最佳pH適用范圍與文獻(xiàn)中報道的數(shù)據(jù)并不完全一致，其主要原因在于所選用的待處理水質(zhì)不同，無機(jī)混凝劑的最佳pH適用范圍不僅與混凝劑本身的理化特性有關(guān)，而且與待處理水的水質(zhì)有關(guān)[24]。因此，在實(shí)際的水處理運(yùn)行過程中，需要針對不同混凝劑和水源條件，優(yōu)選出最佳pH范圍。

圖4 混凝劑在不同pH值下對DOC的去除效果

2.4 不同混凝劑對消毒副產(chǎn)物前體物去除效果

飲用水中消毒副產(chǎn)物大都具有“三致”(致癌、致畸形、致突變)毒性，含氮消毒副產(chǎn)物毒性遠(yuǎn)高于三鹵甲烷消毒副產(chǎn)物，藻類有機(jī)物是消毒副產(chǎn)物的重要前體物。試驗(yàn)選取3種常見的三鹵甲烷(CHCl3、CHBrCl2、CHBr2Cl)以及NDMA前體物為研究對象，針對3種混凝劑對高藻水中消毒副產(chǎn)物前體物的去除效果進(jìn)行研究，根據(jù)上述混凝劑對高藻水的處理效果，將混凝劑投加量設(shè)定為6 mg/L，模擬高藻水的pH值控制在8.0±0.1。

2.4.1 三鹵甲烷前體物

高藻水中三鹵甲烷前體物濃度如表2所示，高藻水中3種三鹵甲烷前體物濃度為CHCl3>CHBrCl2>CHBr2Cl；CHCl3、CHBrCl2前體物濃度在不同生長階段為衰亡期>穩(wěn)定期>指數(shù)期，CHBr2Cl前體物濃度在不同生長階段差別不大。

表2 不同生長階段高藻水中三鹵甲烷前體物濃度

3種混凝劑對含不同生長階段藻類的高藻水中三鹵甲烷前體物的去除效果如圖5所示。高藻水中藻類生長階段對3種混凝劑的三鹵甲烷前體物去除效果無明顯影響。3種混凝劑中對含量較高的CHCl3前體物的去除率最高，PAC、FeCl3、Al2(SO4)3對不同生長階段CHCl3前體物平均去除率為55.62%、50.21%、26.15%，Al2(SO4)3的對CHCl3前體物的去除率相對較低；PAC在61.90%的最高去除率下可將CHCl3前體物質(zhì)量濃度降至0.363 mg/L左右，《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)中CHCl3的限值為0.06 mg/L，表明高藻水經(jīng)混凝后還需其他工藝進(jìn)一步處理CHCl3前體物。3種混凝劑對CHBrCl2前體物去除率較低，平均去除率為33.80%、28.10%、26.20%，對CHBr2Cl前體物基本無去除效果，平均去除率為6.10%、5.50%、7.50%。但投加3種混凝劑反應(yīng)后的CHBrCl2前體物平均含量分別為0.058 4、0.057 3、0.059 4 mg/L，均低于0.06 mg/L，反應(yīng)后CHBr2Cl平均含量均遠(yuǎn)低于0.1 mg/L，表明混凝處理產(chǎn)水的這兩項(xiàng)指標(biāo)濃度符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

圖5 混凝劑對高藻水中三鹵甲烷前體物的去除效果

2.4.2 NDMA前體物

所配高藻水中NDMA前體物質(zhì)量濃度為衰亡期(694.7～721.3 ng/L)>穩(wěn)定期(652.5～682.5 ng/L)>指數(shù)期(612.5～632.8 ng/L)。通過對比分析，研究了3種不同混凝劑混凝對含不同生長階段藻類的高藻水中NDMA前體物的去除效果。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，NDMA前體物濃度遠(yuǎn)低于三鹵甲烷前體物濃度，衰亡期水華魚腥藻的NDMA前體物濃度略高于指數(shù)期和穩(wěn)定期，最高可達(dá)721.3 ng/L。3種混凝劑對水華魚腥藻的NDMA前體物去除率明顯低于三鹵甲烷類前體物的去除率，PAC、FeCl3、Al2(SO4)3混凝劑對水華魚腥藻的NDMA前體物平均去除分別為26.40%、25.30%、24.30%，其中，PAC對位于穩(wěn)定期水華魚腥藻的NDMA前體物去除率最高可達(dá)29.20%。在氯化和氯胺化過程中，藻類細(xì)胞含蛋白質(zhì)，氨基酸和胺類等形式的有機(jī)氮會影響消毒效率并導(dǎo)致生成含氮DBPs(N-DBPs)，與天然有機(jī)物(NOM)的氯化相比，藻細(xì)胞EOM和IOM的氯化產(chǎn)生了更多的N-DBPs，EOM和IOM氯胺化生成的N-DBPs含量遠(yuǎn)低于NOM[4]。

圖6 混凝劑對高藻水中NDMA前體物的去除效果

3 結(jié)論

(1)PAC、FeCl3、Al2(SO4)3這3種水廠常用混凝劑在不同投加量下對指數(shù)期和穩(wěn)定期藻細(xì)胞均有較高的去除效果，去除率在88.00%以上，3種混凝劑投加量分別增加到6、8、8 mg/L可明顯提升衰亡期藻細(xì)胞的去除能力。

(2)相同投加量下3種混凝劑對有機(jī)物的去除效果為PAC>FeCl3≈Al2(SO4)3，PAC對UV254、DOC的最高去除率分別為59.80%、52.00%；投加量為6 mg/L時，3種混凝劑對不同生長階段UV254的平均去除率為51.30%、47.00%、46.90%，對DOC的平均去除率為46.10%、41.60%、43.40%；混凝劑對指數(shù)期和穩(wěn)定期的有機(jī)物去除效果均優(yōu)于衰亡期。

(3)PAC和FeCl3混凝效果受pH變化的影響較小，對藻的平均去除率分別為45.80%和41.00%；Al2(SO4)3混凝效果受pH變化的影響較為明顯，衰亡期pH值從9.0降至5.0時藻的最高去除率下降了22.40%左右。

(4)衰亡期消毒副產(chǎn)物前體物濃度相對高于其他兩個生長階段，3種混凝劑在投加量為6 mg/L及高藻水pH值為8.0±0.1條件下，PAC對消毒副產(chǎn)物前體物的去除效果相對最好。其對CHCl3前體物去除率最高，平均去除率為55.62%；對CHBrCl2前體物、NDMA前體物的去除率相對較低，平均去除率分別為33.80%、26.40%；對CHBr2Cl前體物的去除率最低，平均去除率為6.1%。