壳聚糖—氯化铝双絮凝工艺处理饮用水源水中有毒蓝藻调控技术研究

发布时间：2018-02-27 11:39

  本文关键词： 蓝藻水华 微囊藻毒素 藻类有机物 饮用水处理 壳聚糖-氯化铝　出处：《山东大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：蓝藻水华已经在全球很多国家和地区爆发,并且具有越来越严重的趋势。有害蓝藻的大量增生不仅会影响水体颜色、气味,产生的藻毒素还会对人体、动物及水生生态产生不利影响。铜绿微囊藻产生的微囊藻毒素是目前一种产量最多,毒性最大的蓝藻毒素,对人体的健康产生严重威胁。另外,铜绿微囊藻产生的其它藻类有机物同样对饮用水安全造成威胁,因为这些物质是氯消毒副产物的前体物。通常情况下,大部分藻类有机物包括藻毒素在内存在于细胞内,被称为胞内有机物,当细胞破损后胞内有机物会释放到胞外环境中成为胞外有机物。然而,对于溶解性有机物(包括藻毒素)的去除要比去除铜绿微囊藻细胞困难得多。因此,利用一种方法完整无破损去除铜绿微囊藻细胞的同时去除胞外微囊藻毒素和其它藻类代谢产物对于减少藻毒素及消毒副产物前体物有重要的意义。混凝是饮用水处理工艺中去除蓝藻细胞的重要处理单元。而以往研究表明,常规的混凝剂无法同时达到无破损去除蓝藻及其胞外代谢产物的目的。天然有机高分子混凝剂的使用为高效去除蓝藻及其代谢产物提供了新的选择,然而其相对高昂的价格使其单独应用存在限制。因此,本论文将有机壳聚糖和无机氯化铝混凝剂结合,制备双絮凝剂和复合混凝剂,从蓝藻细胞和胞外藻毒素及胞外有机物去除、含藻给水污泥脱水性能、藻类相关消毒副产物控制方面进行评价和工艺优化,获得了壳聚糖-氯化铝混凝工艺进行受蓝藻水华污染的源水处理的饮用水生产工艺,为蓝藻及其代谢产物的有效调控提供新的技术支持。本文得到的主要研究结论如下:(1)考察了壳聚糖混凝工艺过程对铜绿微囊藻FACHB-905细胞完整性的影响,并对混凝剂剂量、机械搅拌及底泥堆置时间等条件进行了优化,获得了壳聚糖高效无破损去除蓝藻和胞外微囊藻毒素的工艺。结果表明:壳聚糖投加量7.3 mg/L,快搅速度227 rpm,快搅时间2 min,慢搅速度19 rpm,慢搅时间12 min获得最优去除效果。在混凝过程中,几乎所有藻细胞都可通过电中和以及吸附架桥作用被壳聚糖完整去除;在絮体堆置过程中我们发现,壳聚糖絮体能够保护藻细胞,而壳聚糖的降解会加剧藻细胞的破损并在打破胞外聚合物对细胞的保护作用后导致胞内微囊藻毒素的大量释放。单纯的机械搅拌能够导致藻细胞的破损提前于自然溶解,但这种破损作用远弱于混凝剂壳聚糖对藻细胞造成的影响。壳聚糖能够显著加剧铜绿微囊藻细胞的破损,并使其在絮体堆置4天后即发生破损。(2)综合考察了氯化铝与壳聚糖结合的双混凝剂及复合混凝剂对蓝藻细胞及胞外代谢产物去除的影响。壳聚糖-氯化铝复合混凝剂通过按比例混合氯化铝与壳聚糖获得;两种双混凝剂通过改变氯化铝和壳聚糖添加顺序获得。实验结果表明:由于具有更强的电中和以及吸附架桥能力,复合混凝剂壳聚糖-氯化铝对铜绿微囊藻细胞的去除效果强于通过改变氯化铝和壳聚糖获得的两种双混凝剂以及壳聚糖混凝剂和氯化铝混凝剂单独使用。由于具有较强的电中和以及吸附架桥能力,壳聚糖和氯化铝双絮凝剂/复合混凝剂具有理想的胞外聚合物去除作用。三种混凝剂在复合混凝剂壳聚糖-氯化铝组成为壳聚糖2.5 mg/L和氯化铝7.5 mg/L时取得最佳混凝效果,实现藻细胞无破损去除97.8%,有效的去除胞外藻毒素(53.08%)以及胞外聚合物。(3)研究了壳聚糖-氯化铝混凝含藻底泥中蓝藻及藻类代谢产物的变化特性。结果表明,微囊藻毒素可以吸附在壳聚糖-氯化铝混凝剂上长达6天,且该过程中微囊藻毒素的生物降解速率降低。壳聚糖-氯化铝絮体对铜绿微囊藻细胞表现出保护作用,之后絮体的降解有利于藻细胞的生长。壳聚糖-氯化铝混凝剂可以吸附胞外有机物,且在4天内,胞外有机物无明显释放,因此消毒副产物前驱物可以忽略不计。4天后混凝体系中残余铝浓度迅速降至100.9 μg/L。以16S rDNA为基础的PCR-DGGE分析表明,相关的菌群浓度(如蜡样芽胞杆菌,假单胞菌以及伯克氏菌等MCs降解菌)在前4天内降低,之后升高。总的来说,壳聚糖-氯化铝混凝可在0-4天内通过吸附作用降低藻毒素和藻类有机物浓度,但由于6天后壳聚糖-氯化铝逐渐被降解,使藻毒素和藻类有机物的浓度不能持续降低。本研究建议对底泥在4天内进行处置,以减少次生代谢物对上层清液的污染。(4)研究了壳聚糖-氯化铝混凝剂强化混凝形成的含蓝藻底泥脱水性能;揭示了影响含蓝藻底泥脱水性能的物化机理。在含蓝藻底泥的脱水过程中,过滤压力与胞外藻毒素和胞外有机物(多糖、蛋白质、腐殖酸物质)的去除效率呈负相关,但过滤压力不会造成蓝藻细胞的破裂。使用壳聚糖-氯化铝混凝形成的底泥脱水性能最好,其次是壳聚糖底泥,氯化铝底泥脱水性能最差。壳聚糖-氯化铝在混凝阶段对胞外有机物的去除效果最好,并且壳聚糖-氯化铝底泥形成的滤饼层对于胞外有机物的去除更为有效,脱水作用后滤液中的胞外有机物含量也最低。总之,为了提高过滤效率并且减少能源消耗,建议在含蓝藻底泥的过滤过程中选用低压过滤。发现絮体大小比絮体紧实度更能影响底泥的脱水效率。可溶性胞外聚合物中的蛋白质类似物含量与含蓝藻底泥的脱水性能呈负相关,而结合性胞外聚合物与底泥脱水性能没有明显的关系。壳聚糖-氯化铝复合混凝剂提高了混凝的电中和能力和吸附架桥能力,从而使得絮体结构紧密,粒径增大,提高了脱水性能。(5)揭示了藻类相关消毒副产物的生成机制。使用新型壳聚糖-氯化铝复合混凝剂使碳、氮消毒副产物的去除率分别能达到63.54%和71%。壳聚糖混凝剂去除效果低于壳聚糖-氯化铝复合混凝剂,但优于氯化铝混凝剂去除效果。氯化铝和壳聚糖对碳消毒副产物前体物去除率分别达到38.02%及50.75%,对含氮消毒副产物前体物去除率分别为33.26%和42.27%。壳聚糖-氯化铝表现出优异的消毒副产物前体物去除率主要归功于壳聚糖和氯化铝的协同作用,能够提高壳聚糖-氯化铝的吸附和电中和作用。壳聚糖-氯化铝能有效的去除水体中小分子和大分子的藻类有机物,而氯化铝混凝剂对小分子藻类有机物去除效果并不明显。特别对于强致癌作用的N-亚硝基二甲基胺,氯化铝混凝并不能降低N-亚硝基二甲基胺的生成,而由于壳聚糖-氯化铝能有效去除芳香族胺和脂肪族胺使N-亚硝基二甲基胺的生成量降低至少72%。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TU991.2
，

本文编号：1542515