基本信息
- 项目名称：
- 饮用水源水混凝工艺对蓝藻细胞的破损机理研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 原水中藻类在生长过程中会产生对人体具有毒害作用的微囊藻毒素，严重危害人类健康。水厂在消毒过程中耗费大量消毒剂，造成资源浪费及用水隐患。本文针对饮用水厂常用混凝工艺，研究混凝剂FeCl3、AlCl3的剂量对蓝藻细胞破损机理，预测蓝藻细胞存活率与混凝工艺参数的关系，提出可行方案，为高藻水中蓝藻细胞低破损去除的饮用水处理工艺提供科学依据和技术支持。
- 详细介绍：
- 近年来，我国太湖、巢湖、滇池、玄武湖、东湖等内陆淡水湖泊均多次发生了蓝藻水华，对人们的生活和工农业生产造成了严重的影响，尤其是以这些湖泊为水源的地区，蓝藻水华直接威胁到饮用水的安全。蓝藻水华之所以对饮用水水质产生不利影响，主要是由于蓝藻细胞破损释放藻毒素和藻细胞死亡后，在厌氧条件下分解产生臭味物质等。这些次生代谢物在一定程度上影响了饮用水的味道和气味。更为严重的是某些蓝藻危害人们的健康，例如微囊藻毒素由于具有高急性毒性、强促癌活性以及与人类癌症发生的相关性受到全球的关注。 研究表明，生长旺盛的藻类，大部分的代谢产物在细胞内部。当藻细胞在颗粒去除工艺过程（例如：混凝阶段）中被有效去除时，大部分的藻代谢产物也同时被去除。如果藻细胞被破坏，细胞毒素、味觉和气味物质会释放到胞外或以溶解态溶解到水中。因此，在饮用水生产工艺中，对藻代谢产物（藻类释放物）的控制关键是对蓝藻细胞完整无损的去除。由于常规的混凝、沉淀、过滤、消毒工艺只能部分去除藻毒素等蓝藻释放物，不能满足蓝藻浓度较高水源的处理要求，因此许多研究者把含蓝藻水源水处理工艺的研究重点放在预处理和末端强化。这些研究均对含蓝藻水源水的处理起到了一定积极作用，如氧化（臭氧、氯气、高锰酸钾）或吸附（粉末活性炭或颗粒活性炭）工艺。但是这些方法由于成本太高或者存在二次污染等问题，并没有在饮用水厂得以应用。且不论国内国外，关于如何在饮用水生产工艺过程中通过改进处理工序、调整工艺参数强化蓝藻释放物的去除效果，消除高含量蓝藻水源对饮用水水质的影响研究甚少。 混凝是城市水厂净水工艺不可缺少的单元，也是除藻的主要方法，由于藻类细胞一般都带负电，在水中投加混凝剂以中和藻类表面的负电，使之脱稳而沉淀。FeCl3、AlCl3是饮用水厂常用的混凝剂，具有应用范围广，适应水性广泛，易快速形成大的矾花，沉淀性能好等多方面优势。但在混凝过程中，混凝剂的投加很可能导致藻细胞的破损及藻代谢产物的释放。 本课题针对饮用水厂常用的混凝工艺以及蓝藻的优势种情况，开展混凝工艺FeCl3、AlCl3剂量对蓝藻细胞破损机理的实验研究。通过细胞计数、叶绿素a测定及活性测定等技术综合判定工艺参数和外加化学物质在除藻过程中对蓝藻细胞的破损作用，建立蓝藻细胞及其释放物的反应动力学，预测蓝藻细胞存活率及释放物浓度与混凝工艺参数的关系。为实现蓝藻细胞低破损去除的饮用水处理工艺提供科学依据和技术支持。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 由蓝藻细胞计数、藻活性检测及其代谢产物的定性定量分析所得数据，分析工艺对蓝藻细胞及其代谢产物的去除效果并构建蓝藻细胞生长消解动力学模型及蓝藻细胞代谢产物的释放规律及工艺操作条件和外加化学药剂对蓝藻细胞消解速率的影响。对工艺处理前后蓝藻细胞表面形态结构及其成份变化情况进行对比分析，综合阐明蓝藻细胞的破损机理。调整工艺参数，获取实验室条件下蓝藻去除及避免破损的最佳经验参数。
科学性、先进性及独特之处
- 以蓝藻细胞为研究对象，针对其细胞状态和胞内代谢物释放情况构建蓝藻细胞生长消解动力学模型，为混凝工艺的优化提供新的立足点；通过电镜观察、活性测定及液相色谱等技术综合分析说明混凝工艺对蓝藻细胞的破损作用并探讨其机理，为饮用水水质安全研究提供新的技术路线。
应用价值和现实意义
- 混凝是城市水厂净水工艺不可缺少的单元，由于藻类细胞一般都带负电，在水中投加混凝剂以中和藻类表面的负电，使之脱稳而沉淀。但在混凝过程中，混凝剂的种类、投加量、水利条件等因素都可能导致藻细胞的破损及藻代谢产物的释放。可以为自来水厂等相关部门有针对性地选择水源水高效净化工艺、有效进行饮用水源水应急处理工作等提供重要依据，确保低成本、高效率对饮用水进行处理。可以进一步确保居民饮用水安全。
学术论文摘要
- 近年来，我国太湖、巢湖、滇池、玄武湖、东湖等内陆淡水湖泊均多次发生了蓝藻水华，直接威胁到饮用水的安全。蓝藻水华之所以对饮用水水质产生不利影响，主要是由于蓝藻细胞破损释放藻毒素和藻细胞死亡后，在厌氧条件下分解产生臭味物质等。这些次生代谢物在一定程度上影响了饮用水的味道和气味。更为严重的是某些蓝藻由于具有高急性毒性、强促癌活性以及与人类癌症发生的相关性而受到全球的关注。 常规的处理方法由于成本太高或者存在二次污染等问题，并没有在饮用水厂得以应用。且不论国内国外，关于如何在饮用水生产工艺过程中通过改进处理工序、调整工艺参数强化蓝藻释放物的去除效果，消除高含量蓝藻水源对饮用水水质的影响研究甚少。 本研究针对我国饮用水厂采用的工艺以及蓝藻的优势种情况，开展含有蓝藻细胞及其代谢产物的水源水的处理技术研究，通过建立蓝藻细胞及其释放物的反应动力学，预测蓝藻细胞存活率及释放物浓度与处理时间的关系，优化饮用水处理工艺，初步确立实现蓝藻细胞无破损去除的饮用水处理工艺。本研究为保障人们的饮水健康具有巨大的经济和社会效益。 关键词：蓝藻 饮用水处理工艺 无破损去除
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- 1. C. Chen, et.al., Science of the Total Environment, 2008, 397, 140-147. 2. P.P. Shen, et.al., Environment International, 2003, 29, 641-647. 3. W.J. Ye, et.al., Harmful Algae, 2009, 8, 637-644. 4. S. Golubic, et.al., Toxicon, 2010, 56, 836-841. 5. W. Ruangyuttikarn, et.al., Journal of Chromatography B, 2004, 800, 315-319. 6. R.B. Sotero-Santos, et.al., Ecotoxicology and Environmental Safety, 2006, 64, 163-170. 7. M.K. Rogalus, et.al., Harmful Algae, 2008, 7, 504-514. 8. B.C. Hitzfeld, et.al., Environmental Health Perspectives, 2000, 108, 113-122. 9. C.W.K. Chow, et.al., Water Research, 1998, 32, 808-814. 10. C.W.K. Chow, et.al., Water Research, 1999, 33, 3253-3262.
同类课题研究水平概述
- 针对蓝藻细胞及其代谢产物的定性定量研究及水处理工艺过程中除藻的有效方法研究广泛且深入，但关于混凝工艺中蓝藻细胞的低破损去除研究涉及较少。 养殖藻类处理废水研究：有机废水的处理主要采用厌氧接触法、厌氧污泥法、生物膜法等。目前国外已开始应用高速藻类池塘污水处理系统来生产一些高蛋白的藻类。这一技术具有成本低、能耗少、效率高、收益大等特点，是一项非常有潜力的生态环保工程。高浓度有机废水处理(一般指BOD高于1000mg/L的有机废水)，国内外有利用养殖螺旋藻等微藻使废水净化的报道，Oswald等已成功利用沼气废物或人畜废物生产诸如小球藻或栅裂藻类；Chauhan研究发现，在户外培养螺旋藻时，造纸黑液能促进其生长和提高产量，同时也提高了细胞氮同化酶的活性和利用效率；Fox描述了适合发展中国家利用的农庄式藻类生产系统，目前印度等国家已成功应用。 藻菌共同利用：这种应用体现在高速率藻塘(HRAP)又称高负荷氧化塘，是好气塘中有机负荷最高的一种。通过形成藻菌共生系统(Algae-bacteriasymbioticsystem)来净化废水。藻菌共生系统的最基本的生态功能单元是藻菌共生体，藻类的种类与数量，决定着污水处理系统中能量的流向和食物链的基本结构。Maiti用60%的藻类和40%的细菌组成活性藻，去除水中营养物质效果较好。廖敏等报道了藻菌共生体对砷有良好的去除作用。当今最先进的藻类净化废水系统是与其它工艺结合体系(CombinationHRAPSystem)，此体系弥补了活性污泥沉淀方法不足。P.Ekholm报道，芬兰五个城市的污水处理厂，都有活性污泥过程和磷沉淀及其它消化过程，在2-4周的生物测定中，处理后废水中平均TP的36%（0-67%）可被月牙藻利用，经月芽藻处理后可溶性磷可以全部被除去，进一步提高了系统的处理效率。富营养的主要特征是水体含氮、磷等高浓度营养元素，造成藻类大量繁殖。由于藻类个体小难以除去，因此，目前国内外在治理富营养化水体除净化污水源外，主要采用栽种高等水生植物吸收营养元素及清除底泥等方法。目前欧、美盛行利用生物控制法，即控制浮游动物、食浮游动物的鱼类及底栖动物(贝类等)的数量达到控制藻类生长的水质管理方法，但国内尚未进行这方面研究。
