生物接触氧化预处理水中藻类及其毒素

余冉¹，吕锡武¹，稻森悠平²
（1.东南大学环境工程系，江苏南京210096；2.日本国立环境研究所，日本筑波　305-0053)

　　摘　要：用生物接触氧化法预处理富营养化太湖原水的研究结果表明，该工艺可有效去除原水中85.9%的细胞外藻毒素和84.0%的总藻毒素，对细胞外Microcystin-RR(MRR)和Microcystin-LR(MLR)的去除率分别为81.7%和86.7%，对总MRR和M-LR的去除率分别为80.5%和71.5%，从而可大量节省常规工艺的加药、加氯量，减轻滤池工作负荷，提高出厂水的卫生安全性。
　　关键词：富营养化；蓝藻；藻毒素；生物接触氧化?
　　中图分类号：X505
　　文献标识码：A
　　文章编号：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　材料与方法

1.1 原水水质与试验流程
　　试验在太湖边某城市水厂进行。原水直接取自与太湖相连通的一个小湖湾，试验期间原水水质见表1。
　　采用三级生物接触氧化工艺(各级反应柱尺寸相同)，其流程见图1。

表1　试验期间原水水质 水质指标浊度（NTU） NH₃-N(mg/L) NO₂^--N(mg/L) COD Mn(mg/L) 数值 15～112 0.21～8.27 0.005～0.509 6.08～13.2

　　在验证多级生物反应器处理原水的优越性以及比较气水流向对处理效果影响的同时研究了相同条件下单级气水逆向反应器和单级气水同向反应器对富营养化原水的处理效果。?

1.2　主要测定项目及方法
　　以高效液相色谱法(HPLC)测定水中具有代表意义的MRR、MYR、MLR3种毒素，并采用酶联免疫吸附法测定细胞外藻毒素和总藻毒素(即细胞外毒素和细胞内藻毒素之和)。用计数板显微计数法测定总藻数。由于叶绿素a(Chla)常被作为浮游植物量的指标和计算浮游植物产量的参数，故以此项指标作为藻浓度的参考值(用分光光度法测定水中的Chla)。

2　结果与讨论

2.1　挂膜培养
　　自2001年6月5日开始向反应柱进水。初期每隔12h置换柱内2/3体积的水。挂膜期间保持各反应柱内有充足的溶解氧，进水一周后发现多级生物反应柱的一级柱填料上已附有明显的棕褐色生物膜，但二级柱填料上的生物膜明显较少、生物膜颜色也较淡，而三级柱填料上的生物膜更少。自6月15日开始连续进水，控制HRT为3h左右，至7月5日各反应柱挂膜基本完成，此时对氨氮的去除率＞80%，对CODMn去除率＞20%。挂膜期间水温为24～31℃。
2.2　不同HRT条件下去除效果的比较
　　由自吸泵从太湖中直接将水打入高位水箱，保持各柱中有充足的溶解氧。试验期间水温为25～32℃，pH值为7.8～8.4。在各工况稳定运行一周后开始取样分析，其中多级生物反应器的各级去除率按累计去除率计算。?
2.2.1 对常规指标的去除率比较
　　试验中发现在同样的HRT条件下，三级生物接触氧化反应器去除NH₃-N和NO₂^--N的效率比单级反应器高，两种流向的各单级反应器的处理效果则差别不大。当HRT＞1.5h时对NH₃-N的去除率＞90%，对NO₂^--N的去除率＞95.3%。多级生物反应器对CODMn的去除效率优于单级生物反应器，并且随着HRT的延长对CODMn的去除率逐渐增加，但增幅不大。单级逆流生物反应器去除CODMn的效果与单级同向生物反应器相近，但二者对CODMn的去除率均不高。在HRT为5h时，多级生物反应器对CODMn的去除率仅为32.5%。?
2.2.2 对藻类与Chla的去除率比较
　　多级和单级生物反应器对藻类和Chla去除率的比较见表2。

表2　对Chla与藻类去除效果的比较 项目 HRT=1.5h HRT=2h HRT=3 h Chla 总藻数 Chla 总藻数 Chla 总藻数 浓度(mg/L) 去除率(%) 浓度(10⁶个/L) 去除率(%) 浓度(mg/L) 去除率(%) 浓度(10⁶个/L) 去除率(%) 浓度(mg/L) 去除率(%) 浓度(10⁶个/L) 去除率(%) 原水 0.058 　 24.0 　 0.087 　 75.7 　 0.111 　 56.3 　 一级 0.040 31.0 9.79 59.2 0.026 70.1 8.75 88.4 0.036 67.6 9.09 83.9 二级 0.031 46.6 6.23 74.0 0.021 75.9 9.48 87.5 0.056 49.5 8.68 84.6 三级 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可见，HRT＞1.5h时对Chla的去除率基本稳定在77.5%以上。生物反应器对藻类(主要是蓝藻)的去除效果良好，最低也可达到64.8%的去除率。多级生物反应器对Chla和藻类的处理效果优于单级生物反应器。
2.2.3 对藻毒素的去除率比较
　　藻毒素一般存在于藻细胞体内，只有当藻细胞死亡、破裂后藻毒素才溶出。由于试验是按HRT递减的顺序进行水样处理与检测，故经历了蓝藻暴发性生长的整个过程。从试验结果可以看出，在蓝藻暴发性生长的前期到中期细胞外藻毒素只占总藻毒素浓度的35.6%，但到蓝藻暴发性生长的后期则可占到毒素浓度的65.6%以上。
　　虽然试验用水取自富营养化太湖水，其水质处于不断变化之中，但多级生物反应器对细胞外藻毒素和总藻毒素的去除率和处理稳定性均优于单级生物反应器。当HRT≥2h时对细胞外藻毒素的去除率＞85.9%，对总藻毒素的去除率＞84%，但随着HRT的继续增加，对藻毒素去除率增加的趋势已不明显。
　　在多级生物反应器中第一级对藻毒素去除的贡献最大；第二级对藻毒素的处理效率较稳定，一般可去除12.0%～25.6%的细胞外藻毒素和10.9%～14.4%的总藻毒素；第三级则是多级生物 反应器具有良好、稳定的藻毒素去除效率的最后保证。
2.2.4　对MRR、MYR、MLR去除率的比较
　　MRR、MYR和MLR是富营养化水体中较常见的三种微囊藻毒素，可通过HPLC法测定其浓度。
　　测定结果表明：
　　①原水中的MYR浓度一般低于HPLC的检测范围，故不对其加以讨论。
　　②在蓝藻暴发性生长的前期，水中细胞外MLR和总MLR的浓度均明显高于蓝藻暴发性生长中、后期的MLR浓度。细胞外MRR的浓度在蓝藻暴发性生长期间的变化不大，但总MRR的浓度在蓝藻暴发性生长中期最高。同时MLR在蓝藻暴发性生长的前期，其浓度 明显高于MRR；但到蓝藻暴发性生长的中、后期，其浓度与MRR的浓度相近。
　　③三级生物接触氧化反应器对细胞外和总的MRR、MLR有良好的去除效果，当HRT为4h和5h时出水中已检测不出细胞外的MRR与MLR。各级反应器对这两种藻毒素的去除都能起到较明显的作用，效果也较稳定，对藻毒素的去除率随着HRT的增加而不断提高。当HRT为2h时对细胞外的MRR和MLR的去除率就可分别达到81.7%和86.7%，对总的MRR和MLR的去除率可分别达到80.5%和71.5%；但当HRT＞2h后其去除率增加趋势已较平稳。
　　④单级生物反应器对去除MRR和MLR的效果明显不如多级生物反应器，并且受进水水质的影响而呈现处理效果不稳定，即使延长HRT，也不会提高对其的去除率。?
2.3　不同气水比条件下去除效果的比较
　　根据对不同HRT下试验结果的比较，确定了生物预处理的最佳HRT=2h，并考察了同向流三级生物反应器的各级反应柱内不同气水比对处理效率的影响。
　　试验期间的水温为20～25℃，水的pH值为7.6～8.1，细胞外藻毒素浓度为0.061～0.074μg/L，总藻毒素浓度为0.063～0.107μg/L，所测DO值为各级反应柱高2/3处出水的DO值。各级反应器的气水比与所测DO值见表3。

表3　各工况下各级反应器的气水比与DO 项目 工况1 工况2 工况3

工况4 气水比 DO(mg/L) 气水比 DO(mg/L) 气水比 DO(mg/L) 气水比 DO(mg/L) 一级 2∶1 4.82 1∶1 0.86 1∶1 1.35 2∶1 4.63 二级 0.5∶1 3.74 1∶1 5.12 0.5∶1 5.10 0∶1 3.05 三级 0∶1 3.69 0∶1 5.60 0.5∶1 7.58 1∶1 8.32

　　气水比对细胞外藻毒素和总藻毒素去除率的影响分别见图2、3。?

　　由图2～3可知：
　　①DO的变化对一级柱的细胞外藻毒素的去除率影响不大，但在二级、三级柱内随着DO的增加，对细胞外藻毒素的去除率会有所提高。
　　②改变各生物接触氧化反应柱中的DO值对总藻毒素去除率的变化没有直接的 有规律的影响。?
　　③从总体看，多级生物接触氧化反应器各柱中DO值的改变对藻毒素去除率的影响没有明显的规律性，故在实际操作中需根据处理情况及时调整各级反应柱的气水比。?

3　结语?

　　 用三级生物接触氧化工艺对富营养化原水进行生物预处理取得了良好的效果。当HRT=2h时，该工艺对NH₃-N的去除率＞94%，对NO₂^--N的去除率＞99%，对胞外藻毒素和总藻毒素的去除率分别为85.9%和84.0%，对胞外的MRR和MLR的去除率则分别达到81.7%和86.7%，对总MRR和总MLR的去除率可分别达到80.5%和71.5%。由于这些物质都不易为水厂常规处理工艺所去除，故采用三级生物接触氧化工艺可大大提高出厂水的卫生安全性。

参考文献：

　　［1］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.
　　［2］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净化［J］.水环境学会志，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.
　　［4］吕锡武，稻森悠平，丁国际.有毒蓝藻及藻毒素生物降解的初步研究［J］.中国环境科学，1999，19(2):138-140.

　　作者简介：余冉(1977-)，女，江苏南京人，在读博士生，主要从事环境工程技术研究。
　　电　　话：(025)3792614(O)3793627(H)13016941246
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　　收稿日期：2002-08-23