余冉¹，呂錫武¹，稻森悠平²
（1.東南大學(xué)環(huán)境工程系，江蘇南京210096；2.日本國立環(huán)境研究所，日本筑波　305-0053)

　　摘　要：用生物接觸氧化法預(yù)處理富營養(yǎng)化太湖原水的研究結(jié)果表明，該工藝可有效去除原水中85.9%的細(xì)胞外藻毒素和84.0%的總藻毒素，對(duì)細(xì)胞外Microcystin-RR(MRR)和Microcystin-LR(MLR)的去除率分別為81.7%和86.7%，對(duì)總MRR和M-LR的去除率分別為80.5%和71.5%，從而可大量節(jié)省常規(guī)工藝的加藥、加氯量，減輕濾池工作負(fù)荷，提高出廠水的衛(wèi)生安全性。
　　關(guān)鍵詞：富營養(yǎng)化；藍(lán)藻；藻毒素；生物接觸氧化?
　　中圖分類號(hào)：X505
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　文章編號(hào)：1000-4602(2002)12

Use of Biological Contact Oxidation Process for Pretreatment of Algae and Microcystine in Water
YU Ran¹,LV Xi-wu¹,Yuhei Inamori²?

( 1.Dept of Environmental Engineering,　Southeast University, Nanjing 210096,China; 2.National Institute for Environmental Studies, Tsukuba 305-0053,Japan)

　　Abstract：Study was made on the use of biological contact oxidation process for pretreatment of eutrophic water in Taihu Lake.The result showed that the process can effectively remove 85.9% of extracellular microcystins and 84.0% of total microcystins from raw water. The removal rate of extracellular Microcystin-RR (M-RR) and Mic recystin-LR (M-LR) can reach 81.7% and 86.7% respectively;　the removal rate of to tal M-RR and total M-LR is 80.5% and 71.5% respectively,and thus saving a lot of chemical and chlorine dosage,reducing the working load of filter,and improving the safety of finished water.?
　　Keywords:eutrophication;blue-green algae;microcystin;biological contact oxidation

1　材料與方法

1.1 原水水質(zhì)與試驗(yàn)流程
　　試驗(yàn)在太湖邊某城市水廠進(jìn)行。原水直接取自與太湖相連通的一個(gè)小湖灣，試驗(yàn)期間原水水質(zhì)見表1。
　　采用三級(jí)生物接觸氧化工藝(各級(jí)反應(yīng)柱尺寸相同)，其流程見圖1。

表1　試驗(yàn)期間原水水質(zhì) 水質(zhì)指標(biāo)濁度（NTU） NH₃-N(mg/L) NO₂^--N(mg/L) COD Mn(mg/L) 數(shù)值 15～112 0.21～8.27 0.005～0.509 6.08～13.2

　　在驗(yàn)證多級(jí)生物反應(yīng)器處理原水的優(yōu)越性以及比較氣水流向?qū)μ幚硇Ч绊懙耐瑫r(shí)研究了相同條件下單級(jí)氣水逆向反應(yīng)器和單級(jí)氣水同向反應(yīng)器對(duì)富營養(yǎng)化原水的處理效果。?

1.2　主要測定項(xiàng)目及方法
　　以高效液相色譜法(HPLC)測定水中具有代表意義的MRR、MYR、MLR3種毒素，并采用酶聯(lián)免疫吸附法測定細(xì)胞外藻毒素和總藻毒素(即細(xì)胞外毒素和細(xì)胞內(nèi)藻毒素之和)。用計(jì)數(shù)板顯微計(jì)數(shù)法測定總藻數(shù)。由于葉綠素a(Chla)常被作為浮游植物量的指標(biāo)和計(jì)算浮游植物產(chǎn)量的參數(shù)，故以此項(xiàng)指標(biāo)作為藻濃度的參考值(用分光光度法測定水中的Chla)。

2　結(jié)果與討論

2.1　掛膜培養(yǎng)
　　自2001年6月5日開始向反應(yīng)柱進(jìn)水。初期每隔12h置換柱內(nèi)2/3體積的水。掛膜期間保持各反應(yīng)柱內(nèi)有充足的溶解氧，進(jìn)水一周后發(fā)現(xiàn)多級(jí)生物反應(yīng)柱的一級(jí)柱填料上已附有明顯的棕褐色生物膜，但二級(jí)柱填料上的生物膜明顯較少、生物膜顏色也較淡，而三級(jí)柱填料上的生物膜更少。自6月15日開始連續(xù)進(jìn)水，控制HRT為3h左右，至7月5日各反應(yīng)柱掛膜基本完成，此時(shí)對(duì)氨氮的去除率＞80%，對(duì)CODMn去除率＞20%。掛膜期間水溫為24～31℃。
2.2　不同HRT條件下去除效果的比較
　　由自吸泵從太湖中直接將水打入高位水箱，保持各柱中有充足的溶解氧。試驗(yàn)期間水溫為25～32℃，pH值為7.8～8.4。在各工況穩(wěn)定運(yùn)行一周后開始取樣分析，其中多級(jí)生物反應(yīng)器的各級(jí)去除率按累計(jì)去除率計(jì)算。?
2.2.1 對(duì)常規(guī)指標(biāo)的去除率比較
　　試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在同樣的HRT條件下，三級(jí)生物接觸氧化反應(yīng)器去除NH₃-N和NO₂^--N的效率比單級(jí)反應(yīng)器高，兩種流向的各單級(jí)反應(yīng)器的處理效果則差別不大。當(dāng)HRT＞1.5h時(shí)對(duì)NH₃-N的去除率＞90%，對(duì)NO₂^--N的去除率＞95.3%。多級(jí)生物反應(yīng)器對(duì)CODMn的去除效率優(yōu)于單級(jí)生物反應(yīng)器，并且隨著HRT的延長對(duì)CODMn的去除率逐漸增加，但增幅不大。單級(jí)逆流生物反應(yīng)器去除CODMn的效果與單級(jí)同向生物反應(yīng)器相近，但二者對(duì)CODMn的去除率均不高。在HRT為5h時(shí)，多級(jí)生物反應(yīng)器對(duì)CODMn的去除率僅為32.5%。?
2.2.2 對(duì)藻類與Chla的去除率比較
　　多級(jí)和單級(jí)生物反應(yīng)器對(duì)藻類和Chla去除率的比較見表2。

表2　對(duì)Chla與藻類去除效果的比較 項(xiàng)目 HRT=1.5h HRT=2h HRT=3 h Chla 總藻數(shù) Chla 總藻數(shù) Chla 總藻數(shù) 濃度(mg/L) 去除率(%) 濃度(10⁶個(gè)/L) 去除率(%) 濃度(mg/L) 去除率(%) 濃度(10⁶個(gè)/L) 去除率(%) 濃度(mg/L) 去除率(%) 濃度(10⁶個(gè)/L) 去除率(%) 原水 0.058 　 24.0 　 0.087 　 75.7 　 0.111 　 56.3 　 一級(jí) 0.040 31.0 9.79 59.2 0.026 70.1 8.75 88.4 0.036 67.6 9.09 83.9 二級(jí) 0.031 46.6 6.23 74.0 0.021 75.9 9.48 87.5 0.056 49.5 8.68 84.6 三級(jí) 0.031 46.6 4.90 79.6 0.017 80.5 6.10 91.9 0.025 77.5 5.75 89.8 逆向 0.023 60.3 6.00 75.0 0.020 77.0 10.9 85.6 0.025 77.5 5.66 90.0 同向 0.020 65.5 8.46 64.8 0.025 71.3 10.9 85.6 0.031 72.1 6.76 88.0

　　由表2可見，HRT＞1.5h時(shí)對(duì)Chla的去除率基本穩(wěn)定在77.5%以上。生物反應(yīng)器對(duì)藻類(主要是藍(lán)藻)的去除效果良好，最低也可達(dá)到64.8%的去除率。多級(jí)生物反應(yīng)器對(duì)Chla和藻類的處理效果優(yōu)于單級(jí)生物反應(yīng)器。
2.2.3 對(duì)藻毒素的去除率比較
　　藻毒素一般存在于藻細(xì)胞體內(nèi)，只有當(dāng)藻細(xì)胞死亡、破裂后藻毒素才溶出。由于試驗(yàn)是按HRT遞減的順序進(jìn)行水樣處理與檢測，故經(jīng)歷了藍(lán)藻暴發(fā)性生長的整個(gè)過程。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在藍(lán)藻暴發(fā)性生長的前期到中期細(xì)胞外藻毒素只占總藻毒素濃度的35.6%，但到藍(lán)藻暴發(fā)性生長的后期則可占到毒素濃度的65.6%以上。
　　雖然試驗(yàn)用水取自富營養(yǎng)化太湖水，其水質(zhì)處于不斷變化之中，但多級(jí)生物反應(yīng)器對(duì)細(xì)胞外藻毒素和總藻毒素的去除率和處理穩(wěn)定性均優(yōu)于單級(jí)生物反應(yīng)器。當(dāng)HRT≥2h時(shí)對(duì)細(xì)胞外藻毒素的去除率＞85.9%，對(duì)總藻毒素的去除率＞84%，但隨著HRT的繼續(xù)增加，對(duì)藻毒素去除率增加的趨勢已不明顯。
　　在多級(jí)生物反應(yīng)器中第一級(jí)對(duì)藻毒素去除的貢獻(xiàn)最大；第二級(jí)對(duì)藻毒素的處理效率較穩(wěn)定，一般可去除12.0%～25.6%的細(xì)胞外藻毒素和10.9%～14.4%的總藻毒素；第三級(jí)則是多級(jí)生物 反應(yīng)器具有良好、穩(wěn)定的藻毒素去除效率的最后保證。
2.2.4　對(duì)MRR、MYR、MLR去除率的比較
　　MRR、MYR和MLR是富營養(yǎng)化水體中較常見的三種微囊藻毒素，可通過HPLC法測定其濃度。
　　測定結(jié)果表明：
　　①原水中的MYR濃度一般低于HPLC的檢測范圍，故不對(duì)其加以討論。
　?、谠谒{(lán)藻暴發(fā)性生長的前期，水中細(xì)胞外MLR和總MLR的濃度均明顯高于藍(lán)藻暴發(fā)性生長中、后期的MLR濃度。細(xì)胞外MRR的濃度在藍(lán)藻暴發(fā)性生長期間的變化不大，但總MRR的濃度在藍(lán)藻暴發(fā)性生長中期最高。同時(shí)MLR在藍(lán)藻暴發(fā)性生長的前期，其濃度 明顯高于MRR；但到藍(lán)藻暴發(fā)性生長的中、后期，其濃度與MRR的濃度相近。
　?、廴?jí)生物接觸氧化反應(yīng)器對(duì)細(xì)胞外和總的MRR、MLR有良好的去除效果，當(dāng)HRT為4h和5h時(shí)出水中已檢測不出細(xì)胞外的MRR與MLR。各級(jí)反應(yīng)器對(duì)這兩種藻毒素的去除都能起到較明顯的作用，效果也較穩(wěn)定，對(duì)藻毒素的去除率隨著HRT的增加而不斷提高。當(dāng)HRT為2h時(shí)對(duì)細(xì)胞外的MRR和MLR的去除率就可分別達(dá)到81.7%和86.7%，對(duì)總的MRR和MLR的去除率可分別達(dá)到80.5%和71.5%；但當(dāng)HRT＞2h后其去除率增加趨勢已較平穩(wěn)。
　　④單級(jí)生物反應(yīng)器對(duì)去除MRR和MLR的效果明顯不如多級(jí)生物反應(yīng)器，并且受進(jìn)水水質(zhì)的影響而呈現(xiàn)處理效果不穩(wěn)定，即使延長HRT，也不會(huì)提高對(duì)其的去除率。?
2.3　不同氣水比條件下去除效果的比較
　　根據(jù)對(duì)不同HRT下試驗(yàn)結(jié)果的比較，確定了生物預(yù)處理的最佳HRT=2h，并考察了同向流三級(jí)生物反應(yīng)器的各級(jí)反應(yīng)柱內(nèi)不同氣水比對(duì)處理效率的影響。
　　試驗(yàn)期間的水溫為20～25℃，水的pH值為7.6～8.1，細(xì)胞外藻毒素濃度為0.061～0.074μg/L，總藻毒素濃度為0.063～0.107μg/L，所測DO值為各級(jí)反應(yīng)柱高2/3處出水的DO值。各級(jí)反應(yīng)器的氣水比與所測DO值見表3。

表3　各工況下各級(jí)反應(yīng)器的氣水比與DO 項(xiàng)目 工況1 工況2 工況3

工況4 氣水比 DO(mg/L) 氣水比 DO(mg/L) 氣水比 DO(mg/L) 氣水比 DO(mg/L) 一級(jí) 2∶1 4.82 1∶1 0.86 1∶1 1.35 2∶1 4.63 二級(jí) 0.5∶1 3.74 1∶1 5.12 0.5∶1 5.10 0∶1 3.05 三級(jí) 0∶1 3.69 0∶1 5.60 0.5∶1 7.58 1∶1 8.32

　　氣水比對(duì)細(xì)胞外藻毒素和總藻毒素去除率的影響分別見圖2、3。?

　　由圖2～3可知：
　?、貲O的變化對(duì)一級(jí)柱的細(xì)胞外藻毒素的去除率影響不大，但在二級(jí)、三級(jí)柱內(nèi)隨著DO的增加，對(duì)細(xì)胞外藻毒素的去除率會(huì)有所提高。
　?、诟淖兏魃锝佑|氧化反應(yīng)柱中的DO值對(duì)總藻毒素去除率的變化沒有直接的 有規(guī)律的影響。?
　?、蹚目傮w看，多級(jí)生物接觸氧化反應(yīng)器各柱中DO值的改變對(duì)藻毒素去除率的影響沒有明顯的規(guī)律性，故在實(shí)際操作中需根據(jù)處理情況及時(shí)調(diào)整各級(jí)反應(yīng)柱的氣水比。?

3　結(jié)語?

　　 用三級(jí)生物接觸氧化工藝對(duì)富營養(yǎng)化原水進(jìn)行生物預(yù)處理取得了良好的效果。當(dāng)HRT=2h時(shí)，該工藝對(duì)NH₃-N的去除率＞94%，對(duì)NO₂^--N的去除率＞99%，對(duì)胞外藻毒素和總藻毒素的去除率分別為85.9%和84.0%，對(duì)胞外的MRR和MLR的去除率則分別達(dá)到81.7%和86.7%，對(duì)總MRR和總MLR的去除率可分別達(dá)到80.5%和71.5%。由于這些物質(zhì)都不易為水廠常規(guī)處理工藝所去除，故采用三級(jí)生物接觸氧化工藝可大大提高出廠水的衛(wèi)生安全性。

參考文獻(xiàn)：

　?。?］Lambert TW,Holmes CFB,Hrudey SE.Microcystin class of toxins:health effects and safety of drinking water supplies［J］.Environ Rev,1994,2:167-1 86.
　?。?］稻森悠平，秋元里乃.生物膜の有用微生物によるアオユの分解高度凈化［J］.水環(huán)境學(xué)會(huì)志，1994，17(9):19-23
　　［3］Linda A Lawton,Benjamin J P A Cornish,Andrew W R Macdonald.Removal of cyanobacterial toxins(microcystins)and cyanobacterial cells from drinking water using domestic waterfilter［J］.Wat Res,1998,32(3):633-638.
　?。?］呂錫武，稻森悠平，丁國際.有毒藍(lán)藻及藻毒素生物降解的初步研究［J］.中國環(huán)境科學(xué)，1999，19(2):138-140.

　　作者簡介：余冉(1977-)，女，江蘇南京人，在讀博士生，主要從事環(huán)境工程技術(shù)研究。
　　電　　話：(025)3792614(O)3793627(H)13016941246
　　E-mail:xiwulu@publicl.ptt.js.cn
　　收稿日期：2002-08-23