二氧化氯预氧化含藻水生物稳定性的变化及作用机理

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湖泊(水库)常作为我国饮用水水源,由于人类活动排入水体的氮、磷等营养元素增多,造成湖泊(水库)富营养化问题突出和藻类水华现象频繁发生。蓝藻和绿藻是湖泊(水库)夏秋季的高发藻种,藻细胞及其代谢产物会给饮用水处理工艺及水质带来一系列问题,主要包括:增加混凝剂投量、堵塞滤池、产生藻毒素和嗅味,以及增加了水中微生物生长需要的碳源,从而降低了饮用水的生物稳定性等。为了强化藻类的去除,通常通过预氧化改变藻类表面形态及Zeta电位,来实现强化混凝高效除藻。但是,预氧化过程可能会破坏藻细胞结构,导致胞内有机物释放,产生大量的可同化有机碳(AOC),从而导致水中病原微生物的大量繁殖。我国广泛使用二氧化氯(ClO2)作为水处理中的预氧化剂,其在氧化处理含藻水过程中AOC的变化规律可以用来快速预测饮用水的生物稳定性。本课题选择实验室培养的铜绿微囊藻和小球藻作为蓝藻和绿藻的代表,主要研究了ClO2氧化含蓝藻水、含绿藻水、胞外有机物(EOM)和胞内有机物(IOM)的过程中AOC的变化规律及主要作用机理,并探究了ClO2氧化含藻实际水体时AOC的形成规律,主要研究结论如下:(1)ClO2氧化含蓝藻水过程AOC的变化表现为两种规律:当ClO2剂量为0.5、1 mg/L时,随氧化时间增长AOC含量不断增大,整个氧化过程都是以蓝藻细胞结构被破坏后IOM的释放为主;当ClO2剂量为2 mg/L时,AOC的变化表现为先增大后降低的规律,前180 s以IOM的释放为主,AOC持续增大;氧化时间为180 s-300 s时,AOC含量有所下降,是由于ClO2将IOM再次氧化降解为不易被微生物利用的物质。(2)ClO2氧化过程中,蓝藻细胞结构和光合作用能力被破坏,蓝藻细胞膜完整性快速降低,引起IOM释放;当藻细胞完整性减小到1%时IOM并没有完全释放出来,胞内物质有延迟释放的现象,DOC的增大能证明蓝藻细胞被破坏。蓝藻细胞光合能力比其膜完整性对ClO2预氧化更加敏感。ClO2氧化蓝藻EOM和IOM时,AOC含量变化均表现为先逐渐增大后降低的趋势,且高剂量(2 mg/L)比低剂量(0.5 mg/L)更快地使AOC升至最大值;随着时间的延长,高剂量ClO2氧化降解的AOC含量也更多,从而降低了AOC的含量。(3)1 mg/L ClO2和Cl2对比氧化蓝藻溶液时,ClO2氧化时AOC的含量不断增大,Cl2氧化时AOC的变化规律是先快速增大后降低;二者产生的AOC最大量分别为1701μg/L和573μg/L。ClO2和Cl2分别氧化蓝藻EOM时,前者AOC含量先增大后减少,后者AOC含量变化不大;Cl O2和Cl2分别氧化蓝藻IOM时,AOC的变化规律相似,都是先增大后降低,但最终Cl2氧化形成的AOC量更少。总之,在保障饮用水生物稳定性方面,Cl2的性能要优于Cl O2。(4)ClO2氧化含绿藻水AOC均呈现先快速增大后略微降低的趋势,且ClO2剂量越高形成和矿化的AOC都越多。绿藻被氧化后AOC的增量较蓝藻更少,是由于绿藻胞内外有机物不含有类富里酸和类腐殖酸物质,而蓝藻中则含有。绿藻IOM中含有可溶性生物代谢产物和芳香结构蛋白质,绿藻EOM仅含有可溶性生物代谢产物。ClO2氧化绿藻和蓝藻细胞时,绿藻细胞膜完整性较蓝藻降低更慢。ClO2氧化绿藻、蓝藻EOM和IOM时,AOC的含量均表现为先增大后降低的规律,且氧化EOM和IOM时,AOC形成量由大到小分别为:蓝藻IOM>绿藻IOM>蓝藻EOM>绿藻EOM。(5)实际水体中的有机物会消耗ClO2,导致破坏藻细胞膜完整性所需的时间比PBS中所消耗的时间更长,且绿藻的细胞膜比蓝藻细胞更难被破坏,同一种藻在四种水质背景下完整性下降速率由快到慢分别为:PBS、滤后水、沉后水、源水;AOC的增量由大到小分别为:PBS、滤后水、沉后水、源水,原因是由于藻类有机物较实际水体中的NOM对AOC的贡献更大,而源水中有机物含量较高,消耗了更多的ClO2,导致作用于藻细胞的氧化剂量减少,所以含藻标液中的AOC增量最大,含藻源水中的AOC增量最少。
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