超声辐射失活藻群特性与消毒副产物耦合机制研究

Toxins from algal blooms is a major water quality issue in source waters and drinking water supplies. Algae as DBP precursors pose difficulties for drinking water treatment facilities running under normal operating conditions. The current emergency treatments for algal removal use advanced oxidation and/or ultrasonic irradiation by breaking up and/or fragmentation in algal cells, which result in release of algal toxins and other intracellular organic matter. These treatment facilities face challenges of not only removing the toxins in subsequent treatment, but doing so to mitigate risks of producing DBPs. Microcystis and Anabaena typically found in Three Gorges Reservoir Region will be used to study the effects of ultrasonic radiation on algae as precursors for DBPs. The apparent characteristics, physicochemical properties, bioactivities of inactivated algae and their pathway as DBP precursors during conventional drinking water treatment processes will be investigated to compare the response to ultrasound under different experimental conditions. A recommended ultrasonic condition will be determined by the released amount of algal toxins and intracellular organic matter from inactivated algae. These results could provide a safe way for algal control and removal, and therefore assist water professionals in removing algae during emergency drinking water treatment.

当前，湖库水源的藻类爆发性生长时有发生，藻类也是饮用水致突消毒副产物的重要前体物之一，对水厂的正常运行与水质安全影响极大。藻类爆发时，水厂的应急处理是一个难题，采用高级氧化技术或传统超声技术去除藻类，使藻群破壁或碎片化，其胞内物及藻毒素逸出，后续处理困难，有一定潜在的安全风险。本项目基于活藻分泌毒素量少，而蓝藻死后或裂解，释放蓝藻毒素多的现象，以三峡库区流域典型藻（微囊藻和鱼腥藻）为对象，控制超声辐射条件，使藻群失活（细胞壁基本完整，仍是活体），系统研究超声辐射控制条件、失活藻群理化特性、净化特性等因子之间的耦合关系与作用机制；包括：失活藻群形态与理化特性、表面特性、生物活性等的表征；失活藻群的净化效能；胞内物质、藻毒素的释放水平和消毒副产物生成特性的耦合关系；前述因子与超声辐射条件的耦合机理和作用机制。为饮用水除藻提供一种安全应急处理技术，对保障饮用水安全，具有重要的理论意义和现实需要。

当前，湖库水源的藻类爆发性生长时有发生，藻类也是饮用水致突消毒副产物的重要前体物之一，对水厂的正常运行与水质安全影响极大。藻类爆发时，水厂的应急处理是一个难题，采用高级氧化技术或传统超声技术去除藻类，使藻群破壁或碎片化，其胞内物及藻毒素逸出，后续处理困难，有一定潜在的安全风险。本项目以三峡库区流域典型藻（微囊藻和鱼腥藻）为对象，研究了以下内容：超声功率，超声频率，超声时间，超声振幅，以及Burst信号超声辐射等不同超声参数对藻细胞的直接去除率，以探究超声对藻细胞的破碎情况；以提高藻去除率ρ、降低单位能耗E和减小藻液UV254值为优化目标，利用NSGA-Ⅱ遗传算法和Matlab软件进行超声除藻系统的多目标优化；表征超声辐射后藻细胞的粒径大小，抗氧化系统，形态结构的变化以及藻细胞的生长抑制等理化特性；超声辐射对藻细胞生长，光合作用，能量代谢，以及细胞膜的损伤等细胞生理状态变化相关基因的差异性表达，确定超声辐射后藻细胞的应激反应；超声辐射后藻细胞物质释放特性，包括胞外有机物TOC，三维荧光，紫外可见吸收光谱，傅里叶红外光谱，氨基酸，多糖，蛋白质及藻毒素等有机物的变化；研究三种典型混凝剂：铝盐（PAC、Al2(SO4)3）和铁盐（Fe Cl3）对于不同含藻原水的处理效果，选择PAC作为混凝剂，投加量为10mg/L，对经过不同参数的超声处理后的原水进行混凝试验，以从混凝效果的角度分析超声参数的选择，更进一步的超声混凝联合试验以及连续流试验的结果表明，超声处理可以明显增加混凝剂在低剂量时的处理效果，以得出超声应用的具体参数设置策略；超声辐射铜绿微囊藻和鱼腥藻氯化反应生成DBPs的生成特性等。为饮用水除藻提供一种安全应急处理技术，对保障饮用水安全，具有重要的理论意义和现实需要。