饮用水中微囊藻毒素去除技术研究进展.pdf

? 贵州化工 Guizhou Che m ical Industry 2009年 12月 第 34卷第 6期 饮用水中微囊藻毒素去除技术研究进展 王伟涛 (开封市环境科研设计所, 河南 开封, 475001) ? ? 摘? 要? 富营养化湖泊中的微囊藻毒素对环境和人类健康的危害已成为全球关注的重大环境问题之一。而 传统的的饮用水处理工艺难以将其彻底去除, 探寻处理饮用水中微囊藻毒素的新技术越来越迫切。本文就微囊藻 毒素无害化处理的研究进展作综述。 关键词? 微囊藻毒素? 饮用水? 净水技术 中图分类号? X52? ? ? 文献标识码? A? ? ? 文章编号?1008- 9411( 2009) 06- 0040- 03? 1? 前? 言 囊藻毒素 ( m icrocystins , MCs)是有毒蓝藻产生 的代谢物, 是 ? 水华 ?中出现频率最高、 产生量最大 和危害最严重的藻毒素。MCs通过与蛋白磷酸酶中 丝氨酸 /苏氨酸亚基结合, 能够特异性地抑制蛋白磷 酸酶 PP1和 PP2A活性, 相应增加蛋白激酶的活性, 从而导致细胞内多种蛋白质高度磷酸化, 打破了磷 酸化和脱磷酸化的平衡, 并通过细胞信号系统放大 这种生化效应。MCs可改变多种酶活性, 引起细胞 内一系列生理生化反应紊乱, 导致肝细胞损伤, 甚至 促进肿瘤的发生。世界卫生组织推荐的饮用水中藻 毒素以 MC- LR代表的标准值为 1 . 0?g? L - 1。 因此, 采取有效手段消除水中藻毒素已成为水 环境科学领域新的热点、 难点研究课题。 2? 饮用水中微囊藻毒素去除技术 ?混凝沉淀 - 过滤 - 加氯消毒 ?传统饮用水处 理工艺对胞外溶解性 MCs去除效果较差, 尤其是水 华爆发期, 不能满足短时间内高效去除的要求。因 此, 国内外对 MCs去除方法进行了较多研究, 已取 得了很大的进展。目前研究较多的 MCs去除方法 为物理法、 化学法和生物法。 2 . 1? 物理法去除 MCs 2 . 1 . 1? 机械除藻法 ? 去除 MCs的物理方法主要包 括机械除藻法、 物理吸附法、 膜过滤法等。 2 . 1 . 2? 吸附法? 大量研究结果证明, 活性炭可成功 应用于饮用水中 MCs的去除, 但吸附效能受活性炭 孔径、 营养底物竞争性吸附和 p H 值的影响。有研 究报道 1: 具有高比率中孔和大孔的活性炭对 MC - LR的吸附能力较强, 活性炭在高 p H 值条件下对 MC- LR的吸附能力高于中性条件下。 闫海 2对碳纳米管和高岭土等黏土矿物对 MCs 的吸附作用研究结果表明: 碳纳米管对 MC- RR和 MC- LR有很强的吸附能力, 是高岭土、 海泡石和滑 石等黏土矿物对 MC - RR和 MC- LR吸附量的 5 倍左右。 2 . 1. 3? 膜过滤法 ? 目前许多国家用反渗透 ( Re? verse Osmosis , RO) 技术来处理饮用水。研究发现 RO对 MC- LR和 MC- RR的截留率大于 95 % ; 超 滤 ( Ultrafiltration , UF)对 MCs的去除达 98 % ; 纳滤可 完全去除水中的 MCs 3。聚醚砜膜通过疏水相互作 用可吸附 MC- LR, 当颗粒活性炭与聚醚砜膜联用 时可比单独使用聚醚砜膜吸附作用能更强的去除 MC- LR 4, 但成本太高。 2 . 2? 化学法去除 MCs 2 . 2. 1? 氯氧化法? 氯溶于水中形成次氯酸, 次氯酸 质子化后, 和微囊藻毒素 Adda基团上一个碳碳双键 发生水解反应, 形成氯醇类有机物, 经亲核取代, 形 成藻毒素中间体。在高藻原水中存在丰富的有机 质, 它们可与氯作用可生成消毒副产物, 增加饮用水 的致突变性。研究结果表明: 应用小鼠生物检定方 法检测, 氯化过程可消除急性毒性, 但仍可检测到动 物进行性的肝损伤。 2 . 2. 2? 臭氧 ( O3)氧化 ? 臭氧对 MCs的去除效果是 O3分子作用于 MC- LR双键的结果, 而非 ? OH 的 氧化结果。大量研究报道均表明: O3氧化法虽然存 在利用率低, 有效氧化能力不足, 氧化产物不明确等 缺点, 但其作为一种有效净水方法, 仍具有良好应用 前景。 2 . 2. 3? 高锰酸钾氧化法 ? 高锰酸钾在消除 MCs毒 性方面是十分有效的。但目前关于它破坏 MCs机 理的研究较少, 并且经高锰酸盐处理后的 MCs降解 副产物也不明确。 2 . 2. 4? 其它氧化法 ? 苑宝玲 5研究表明 Fenton试 剂催化氧化 MC- LR, 生成相对稳定的中间产物, 异 ?40? ? 2009年 12月 第 34卷第 6期 ? ? ? 王伟涛: 饮用水中微囊藻毒素去除技术研究进展 构化 Adda基团共轭双键结构, 降低其毒性。王金 丽 6对 T i/RuO 2阳极电氧化降解 MC- LR的研究结 果显示: 其对饮用水中 MC的去除具有良好的效果, 但氧化机理需做深度研究。 2 . 2 . 5? 光催化降解? 目前, MCs光降解的研究多集 中在采用催化剂 T iO2进行光催化降解。天然水体 中 MC- LR光解速率非常低, 半衰期为 90 d 120 d 。但 MCs在 T i O2、 腐殖质或蓝藻色素等光敏剂或 催化剂条件下, 可迅速发生光降解, , Dong KL 7报道 应用 T i O2做光催化剂来降解 MC- LR, 毒素降解都 很迅速, 半衰期小于 5m in 。 2 . 3? 生物法除 MCs 2 . 3 . 1? 微生物降解法 微生物降解是 MCs天然降解 的主要途径, 在细菌等微生物作用下, 改变 MCs结 构中 Adda侧链结构, 降低其毒性。MCs化学结构 非常稳定, 因此只有一些特殊的微生物才具备降解 毒素的能力。 李祝 8认为: 与其它水生生物相比, 细菌具有较 高的降解效率, 在生物降解中起主导作用, 可以通过 微生物降解去除 MCs。金丽娜 9研究了滇池水环境 中 MC的生物降解, 发现藻毒素的生物降解速度随 反应温度和沉积物量的增加而提高。 目前也有利用基因工程构建培育工程菌, 抑制 藻类水华的爆发或加速降解水中的 MCs 。但利用改 良微生物法去除藻毒素在实际应用中存在较多的问 题, 人为增加某些特殊菌群可能会引起当地生态系 统失衡, 或引入新物种威胁当地的生态环境安全。 2 . 3 . 2? 生物膜法除 MCs? 生物膜可机械截留、 吸 附、 捕食、 微生物降解掉水中的藻类和藻毒素, 许多 国家将生物膜法作为饮用水预处理技术。朱光 灿 10实验结果显示: 三阶反应器对胞外 MC- LR、 MC- RR与总 MC- LR、 MC- RR的去除率分别为 86. 7 %、 81 . 7 % 与 71 . 5 % 、 80 . 5 %。宋向阳 11 考察 了移动床生物膜反应器 (MBBR) 与陶粒生物滤池 ( BF)对 MC- LR的去除能力, 结果显示两种生物膜 反应器去除率分别为 56 % 和 63 % 。但在藻细胞负 荷较高时, 欲取得良好的除藻和 MCs效果, 需结合 其它工艺。 2 . 3 . 3? 水生植物去除 MCs? 水生植物对饮用水中 MC去除机理: ? 通过同藻类竞争光和营养物质, 或 通过根系向水中分泌有机物质来抑制藻类的繁殖, 在减少水源中 MC的生成量; ? 同时某些水生植物 对 MC还具有较强的蓄积效果, 去除水源中的 MC。 Jasser 12发现沉水植物对蓝藻有显著克制作 用; 篦齿眼子菜对斜生栅藻, 铜绿微囊藻具有化感作 用。宋海亮 13水生植物滤床 ( HFB)在太湖湖滨进 行的中试研究结果表明: 7至 9月份, 该系统对总 MC平均去除率为 59 . 4%, 在水源地藻毒素污染控 制方面具有应用价值。水生植物法适用于修复已污 染的水库、 河流和湖泊, 从源头治理水华的爆发和抑 制藻毒素的生成。 2 . 3. 4? 傍河取水技术去除 MCs ? 傍河取水 ( River? bank Filtration , RBF)就是在河流岸边的滩地打井取 水, 变直接从河道取水为开采河滩地下水, 河水中 MCs经土壤过滤、 微生物降解、 吸附以及与地下水混 合稀释等作用而减少或去除。 Fallow fieldH J 14试验结果表明: 有机碳含量高 (占 2. 9 % )和粘土含量高 ( 16 . 1 % )的土壤对 MC- LR具有最高的去除率, 沙壤土 (含沙量为 98 . 5 % ) 对 MCs几乎无去除作用。土壤质地是影响傍河取 水对 MCs去除效果的主要因素之一。应对傍河取 水技术对 MC去除机理、 效果和影响因素做进一步 研究, 尤其观测该种方法是否可在短期内去除饮用 水源水中高浓度 MCs , 为水华爆发时有效去除 MCs 的可行性提供科学依据。 3. 结论 物理法不需考虑副产物的生成, 但对截留或吸 附后藻毒素的处置应高度重视, 这类技术的应用必 须采取安全严密的监控措施。 化学法对水中藻毒素的去除率一般可达到 90 % 以上, 但大多化学法都存在一定的局限性。光 催化法有望成为一种经济高效的净化技术。 生物法中的傍河取水技术无须特殊的设备, 对 MCs去除率高, 可将其做为去除饮用水中 MCs优先 考虑的方法。 参考文献 1 HuangW J , Cheng BL, Cheng YL. 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(收稿日期 2009- 09- 14) 作者简介: 王伟涛, 男, 40岁, 开封市环科所高级工程师。 Research development on technology of removing m icrocystins from drinking water Wang Weitao ( Kai feng Institute of Environ m ental Science and Design , H enan , Kaifeng ,475001) Abstract : The hazards ofm icrocystins existing in eutrophic lakes on the environ m ent and hu m an health has be? come a global concern environ m ental problems. The traditional drinking water treat ment process is difficult to thor? oughly removeMCs ,it is urgently to explore advanced drinking water treatment technology. This paper on m icro? cystins harm less treat ment research progress . Key words : M icrocystins;drinking water ; water purification technology (上接 35页 ) Chem ical behavior of lead in environment and prevention measures ? ? Take the lead poisoning event i