发布于 2017年08月12日
概述高藻水处理技术
近年来, 日益严重的水体富营养化问题已成为全球性的环境问题.水体的富营养化会导致水体中藻类的大量生长繁殖, 不仅会破坏水体的生态平衡, 而且会严重地干扰水处理过程.例如, 原水中的大量藻类会堵塞滤床、恶化水质、堵塞或腐蚀管道、增大混凝剂投加量、产生嗅味、藻毒素以及消毒副产物的前驱物等.
目前国内大多数水厂仍然采用传统的混凝-沉淀-过滤-消毒工艺, 然而常规的净水工艺主要以去除水中颗粒物为主, 通常不能有效净化含藻水体.以超滤为核心的组合工艺是代替传统工艺的最佳选择之一, 超滤膜技术能有效去除水体中的悬浮颗粒病原体以及内分泌干扰物等.然而, 藻类引起严重的膜污染问题是限制超滤技术在高藻水处理应用中最大障碍.预处理技术被认为是降低膜污染的有效途径, 常用的预处理技术有混凝预处理、氧化预处理、吸附预处理等.预氧化过程可能使藻细胞破碎, 释放藻类胞内有机物, 导致饮用水的生物安全性降低以及消毒副产物的增加, 威胁人类健康.混凝预处理技术操作简便、成本低廉、绿色环保、并且能有效提高出水水质, 因此, 混凝作为超滤过程的预处理技术得到了越来越多的应用, 并且混凝效率直接影响着出水水质, 进而影响超滤过程.有研究表明, 混凝剂的Al形态对于混凝-超滤过程具有重要影响, Al13可产生粒径较大的絮体, 且形成的絮体具有较大的强度与密实度, 膜通量达到最优条件时, Al13投加量较聚合氯化铝(PACl)有明显的下降.并且藻类胞外有机物(EOM)种类对混凝-超滤过程同样有着重要影响, Qu等的研究表明EOM的主要组成是高分子量以及亲水性的有机物, 包括蛋白质、多糖以及腐殖酸类物质. EOM可引起严重的膜污染, 疏水性有机物会吸附在膜表面形成不可逆污染, 同时滤饼层含有的亲水性有机物可导致快速的膜污染. Zhou等的研究表明不可逆污染随pH值的下降而上升, Ca2+的存在可导致严重的通量下降及不可逆污染.
综上所述, 目前关于藻类有机物种类和混凝剂种类对混凝-超滤过程的研究已经较为充分, 但是对于不同形态藻细胞对混凝-超滤过程的影响机制的阐述并不充分.因此, 本研究以实验室配置的高藻水为实验原水, 以3种不同形态藻细胞为处理对象, 分析了不同的混凝剂对3种形态藻细胞的去除效率以及出水对超滤膜污染的机制, 以期为水厂在藻类暴发阶段保证优质的饮用水供应提供指导.
1 材料与方法1.1 主要实验仪器
浊度仪(2100N, Turbidimeter, HACH, USA); pH计(MP220, pH Meter, Mettler-Toledo, Switzerland); UV-8500紫外/可见分光光度计(上海天美公司); 马尔文激光粒度分析仪(Laser Particle Analyzer, Mastersizer 2000, Malvern, UK); MY3000-6G智能型混凝搅拌仪(武汉梅宇有限公司); 扫描电子显微镜(HITACHI SU8020 FE-SEM, Japan); 高速冷冻离心机(Aantij26XP, Beckman Coulter. Inc. USA).
1.2 藻种培养及水样配置1.2.1 藻种培养
铜绿微囊藻(蓝藻)、小球藻(绿藻)、小环藻(硅藻)均购置于中国科学院武汉水生生物研究所.铜绿微囊藻和小球藻采用BG11培养基进行培养, 小环藻采用CSI培养基进行培养, 无菌条件下接种至玻璃锥形瓶中, 放在人工气候箱中培养, 培养条件：温度25℃±1℃, 光照强度2 000 lx, 光暗比(L:D)=12h:12h.定期进行细胞计数, 绘制藻类生长曲线, 待藻种达到稳定期后用于实验.
1.2.2 藻细胞的分离
为了更好地保持藻细胞的完整性以及高效分离藻的胞外有机物, 选择分离方法为：将原藻液置于高速冷冻离心机中, 设置离心温度4℃, 4 000 r·min-1, 时间5 min, 待离心完成后上清液即为藻类胞外溶解性有机物; 使用0.6% NaCl溶液将离心管底藻细胞重新溶解, 40℃水浴加热20 min再次离心, 设置离心温度4℃, 离心力10 000 r·min-1, 时间15 min, 待离心完成后上清液即为藻类胞外黏附性有机物; 再次使用0.6% NaCl溶液将离心管底藻细胞重新溶解即可得到实验所需裸藻细胞.
1.2.3 水样配置
藻类的藻细胞密度与悬浮液在680 nm处的吸光度具有良好的线性关系, 因此本研究以含藻水在680 nm处的吸光度值作为藻细胞密度的度量标准.为方便藻细胞之间对比, 3种藻细胞均用去离子水稀释至680处的吸光度值为0.300, 并加入5.0 mmol·L-1 NaNO3和4.0 mmol·L-1 NaHCO3提供离子强度和碱度, 使用盐酸(0.1 mmol·L-1)和氢氧化钠(0.1 mmol·L-1)溶液调节pH=8.5.
1.3 混凝剂的选择
本实验选用Al2(SO4)3、Al13以及Al30这3种铝系混凝剂.采用Ferron络合比色法对混凝剂中铝形态分布进行测定, Ferron逐时络合比色法将聚合铝中铝的形态分为：单体态Ala(反应时间<1.0 min)、Alb(反应时间在1~120 min)、Alc(不反应).
1.4 实验方法1.4.1 混凝实验
使用六联混凝搅拌仪进行烧杯实验, 加入混凝剂后以200 r·min-1快速搅拌90 s, 40 r·min-1慢速搅拌10 min, 沉淀30 min后于上清液下2.0 cm处取样测量浊度及藻细胞吸光度值, 计算浊度以及藻细胞的去除率.
1.4.2 超滤实验
在3种藻体系中, 分别选择在3种混凝剂的最佳投加量下进行超滤实验, 并且选择在混凝结束后不经沉淀直接进行超滤实验.超滤杯购自Millipore, 型号为Amicon 8400.平板超滤膜(100×103)购自安德膜科技有限公司(北京), 材质为聚偏氟乙烯(PVDF).超滤实验过程中, 固定压力为0.1 MPa, 超滤时间为1 800 s.超滤过程结束后, 将PVDF膜自然干燥, 使用扫描电子显微镜对膜表面情况进行分析.
1.4.3 絮体特征
为了更好地了解每种混凝剂的作用机制, 本实验使用马尔文激光粒度仪对絮体形成过程进行在线监测, 以D50(μm)代表絮体的平均粒径.并且针对已形成的絮体增大搅拌强度至200 r·min-1 (持续5.0 min), 随后再次以40 r·min-1转速(持续10 min)使絮体再生, 考察絮体的强度因子和恢复因子.欢迎了解更多关于与的相关信息，欢迎前来了解咨询。