（环境工程专业论文）曝气生物滤池预处理水源水中微囊藻毒素的研究.pdf

东华大学学位论文原创性声明s 丫l l l f l l l z l l l l l r l l l l l l l 3 l l l l l l 5 l l l l l l 5 l j 8 l l l m 6 i i l 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对 所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者虢穆恕义 日期：加川年z 月。乙钐日 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本版权书。 不保密眵 一豁翟姒艚撕繇御 嗍洲砌7 日 日期卅j 年朋矿 曝气生物滤池预处理水源水中微囊藻毒素的研究 摘要 由于环境污染，近年来水体富营养化程度日益加剧，蓝藻水华频 繁爆发，所带来的最主要危害之一是某些蓝藻细胞产生并向水体中释 放多种不同类型的藻毒素，其中微囊藻毒素( m i c r o c y s t i n ，m c ) 是一类 出现频率最高、产生量最大和造成危害最严重的藻毒素种类。肝癌的 高发率与这些毒素成正相关关系，直接威胁人类的健康和生存，所以 必须对藻毒素进行控制。 我国给水厂的传统工艺是混凝、沉淀、过滤，但这个工艺难以去 除饮用水中高稳定性的微囊藻毒素，所以必须对常规工艺进行强化， 这是控制微囊藻毒素的一个策略。其次是进行深度净化，可以有效地 去除藻毒素，但水华藻毒素污染的发生往往有一定的阶段性和突发 性，而这两种策略的处理效能和应急能力都有限，所以最为安全、有 效的策略是对水源水进行预处理，将微囊藻毒素消除在给水处理工艺 的源头，使其不进入后续给水处理系统。 目前国内外针对微囊藻毒素的研究大多集中于对微囊藻毒素降 解菌的筛选上，而如何将筛选的菌种行之有效地应用于工艺运行中， 还未见报道。本课题在筛选微囊藻毒素降解菌的基础上，将筛选的菌 株工程化，接种至曝气生物滤池中，拟实现水源水中微囊藻毒素的快 速吸附及快速降解，并提出曝气生物过滤去除微囊藻毒素的水源水预 处理新技术，将微囊藻毒素消除在给水处理工艺的源头，为我国的饮 用水安全及水源水突发性污染控制提供先进可行的技术方法。通过研 究，本论文得到以下重要结论： ( 1 ) 以m c l r 和m c r r 为唯一碳源和氮源，蓝藻爆发期的上海 市淀山湖表层水体为菌株来源，采用经典的细菌筛选方法，得到能够 降解m c l r 和m c r r 的菌株d h u 一2 8 和d h u 。3 8 。根据分离菌株的细胞 形态结构、生理生化特征及其1 6 sr d n a 基因序列分析鉴定降解菌， 结果为菌株d h u 一2 8 属于嗜麦芽寡养单胞菌( s t e n o t r o p h o m o n a s m a l t o p h i l i a ) ，菌株d h u 3 8 属于荧光假单胞菌( p s e u d o m o n a s f l u o r e s c e n s ) ，在g e n b a n k 中的登录号分别为：h m 0 4 7 51 2 、h m 0 4 7 515 。 ( 2 ) 在温度为1 9 1 2 8 6 ，进水p h 值为7 2 3 7 4 6 ，气水比为 1 5 ：1 ，水力停留时间为2 6 h 的条件下，陶粒曝气生物滤池( b a f ) 进水流量为0 3 5 l h ，水力负荷为o 2 8 m 3 ( m 2 h ) ，纤维球b a f 进水流量 为0 4 3 l h ，水力负荷为o 3 4 m 3 ( m 2 h ) 。陶粒b a f 和纤维球b a f 对m c l r 和m c r r 的去除率均随着水力停留时间的增长和气水比的升高而增 加，陶粒b a f 对m c l r 和m c r r 的平均去除率分别为5 0 9 禾1 1 5 9 ，高 效纤维球b a f 对m c l r 和m c r r 的平均去除率分别为5 4 6 和6 2 6 ， 纤维球b a f 对m c l r 和m c i 水的去除率均优于陶粒b a f 。 ( 3 ) 滤床对m c l r 和m c r r 的去除作用主要发生在沿进水端的 前6 0 c m 范围内，在这段填料层内，反应器对m c l r 的去除率为4 8 3 ， 占总去除率的8 5 6 ，反应器对m c r r 的去除率为6 2 5 ，占总去除率 的9 2 5 ，在填料层6 0 c m 过后增长率趋于平缓。 ( 4 ) 接种工程菌的b a f 对m c l r 和m c r r 的平均去除率分别为 i i 5 0 和1 6 0 左右，而未接种工程菌的b a f 对m c l r 和m c r r 的平均去 除率只有1 5 左右，接近于空床滤料层对m c l r 和m c i 水的吸附性能， 说明曝气生物滤池对m c l r 禾l l m c r r 的去除作用主要与工程菌的投 加有关，通过工程菌自身的新陈代谢作用来降解m c l r 和m c r r ，而 未接种工程菌b a f 对m c l r 和m c r r 的去除主要依靠滤料本身的吸附 性能。 关键词：微囊藻毒素、降解菌、曝气生物滤池 i i i t h es t u d yo np r e t r e a t i n gm i c r o c y s t i n si n m i c r o p o l l u t e ds o u r c ew a t e rb y b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w a t e re u t r o p h i c a t i o nd e g r e ei n t e n s i f i e sd a yb yd a yb e c a u s eo fe n v i r o n m e n t a l p o l l u t i o n c y a n o b a c t e r i ab l o o mo u t b r e a k sf i e q u e n t l y a n di t sm a i nh a r mi st or e l e a s em a n y d i f f e r e n ta l g a et o x i n si n t ow a t e r m i c r o c y s t i n ( m c ) i st h em o s to c c u r e n c ea n dh a r m f u la l g a e t o x i n s h i g hi n c i d e n c eo fc a r c i n o m ah a sp o s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t ht h e s et o x i n sa n di td i r e c t l y t h r e a t sh u m a nh e a l t h s oc o n t r o lo f a l g a et o x i n sa r en e c e s s a r y c o n v e n t i o n a lf e e dw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s e ss u c ha s c o a g u l a t i o n ，s e d i m e n t a t i o na n d f i l t r a t i o nc a nn o t c o m p l e t e l yr e m o v em i c r o c y s t i n s i nw a t e r s oc o n v e n t i o n a l p r o c e s s e s a u g m e n t a t i o ni sas t r a t e g yt oc o n t r o la l g a et o x i n s s e c o n d l y , d e 印p u r i f i c a t i o nc a ne f f e c t i v e l y r e m o v ea l g a et o x i n s b u tc y a n o b a c t e r i ab l o o mp o l l u t i o nh a sc e r t a i ns t a g ea n da b r u p t n e s sc h a r a c t e r t h e r e f o r e ，t h em o s ts a f ea n de f f e c t i v es t r a t e g yi st oe l i m i n a t em i c r o c y s t i n si nt h ew a t e rt h r o u g h t h es o u r c ew a t e rp r e t r e a t m e n tp r o c e s s ，s ot h a ti td o e sn o te n t e rt h ef o l l o w - u pw a t e rt r e a t m e n t s y s t e m s c u r r e n t l y , s t u d ya th o m ea n d a b r o a df o rm c sw a sc o n c e n t r a t e do ni s o l a t i o no fm c s d e g r a d i n gb a c t e r i u m h o wt ou s ei np r o c e s so p e r a t i o nw i t hm c sd e g r a d i n gb a c t e r i u mh a sn o t b e e nr e p o r t e d b a c t e r i u ma r ee n g i n e e r e di nb i o l o g i c a la e r a t e df i l t e rb a s e do ni s o l a t i o no fm c s d e g r a d i n gb a c t e r i u mi nt h i st o p i c r a p i da d s o r p t i o na n dd e g r a d a t i o no fm c sa r er e a l i z e da n dn e w t e c h n o l o g yo f t h es o u r c ew a t e rp r e t r e a t m e n ti sp r e s e n t e d m i c r o c y s t i n sa r ee l i m i n a t e di nt h ew a t e r t h r o u g ht h es o u r c ew a t e rp r e t r e a t m e n tp r o c e s ss ot h a tp r o t e c t i n gd r i n k i n gw a t e rs a f e t y t h r o u g h r e s e a r c h e s ，o b t a i n i n gt h ef o l l o w i n gm a i nc o n c l u s i o n sa n do u t c o m e s ： ( 1 ) t h r o u g hc l a s s i c a lb a c t e r i ai s o l a t i o nm e t h o d , d e g r a d i n gb a c t e r i u md h u 一2 8a n dd h u 38 o fm c l ra n dm c r rw e r eo b t a i n e dw i t hm c l ra n dm c r ra ss o l ec a r b o na n dn i t r o g e n s o u r c e sa n dt h es u r f a c ew a t e r si nd i a ns h a nh u ，s h a n g h a ia ss t r a i n o r i g i n b a s e do ns t r a i n s m o r p h o l o g y , p h y s i o l o g ya n dp h y l o g e n e t i ca n a l y s i so f16 sr d n as e q u e n c e ，s t r a i nd h u 2 8w a s i d e n t i f i e dt ob ec l o s e l yr e l a t e dt os t e n o t r o p h o m o n a s ( g e n b a n ka c c e s s i o nn u m b e ri sh m 0 4 7 512 ) a n ds t r a i nd h u 一3 8w a si d e n t i f i e dt ob ec l o s e l yr e l a t e dt op s e u d o m o n a s f l u o r e s c e n s ( g e n b a n k a c c e s s i o nn u m b e ri sh m 0 4 7 515 ) ( 2 ) u n d e rt h ec o n d i t i o no f1 9 1 2 8 6 。c ，p h7 2 3 - 7 4 6 ，g a s w a t e rr a t i o1 5 ：l a n dh y d r a u l i c r e t e n t i o nt i m e2 6 h ，f l o wr a t ea n dh y d r a u l i cl o a d i n go ft h ec e r a m i cb a fw e r er e s p e c t i v e l y 0 3 5 l ha n d0 2 8 m 。( m 2 h ) a n df l o wr a t ea n dh y d r a u l i cl o a d i n go fh i g h p e r f o r m a n c ef i b e rb a l l i v b a fw e r er e s p e c t i v e l yo 4 3 “ha n d0 3 4 m 3 ( m 2 h 、w i t ht h eg r o w t ho fh r ta n dt h ei n e a s eo f g a s w a t e rr a t i o ，r e m o v a lr a t e so fm c l ra n dm c r rh a v ei n c r e a s e d t h ea v e r a g er e m o v a lr a t e so f m c l ra n dm c r rw e r er e s p e c t i v e l y5 0 9 a n d5 9 i nt h ec e r a m i cb a er e m o v a lr a t e so f m c l ra n dm c r rw e r er e s p e c t i v e l y5 4 6 a n d6 2 6 i nh i g h p e r f o r m a n c ef i b e rb a l lb a e ( 3 ) t h er e m o v a lo fm c l ra n dm c r rm a i n l yo c c u r r e di nt h el o c a t i o no f6 0 c mi nb a e d u r i n gt h el o c a t i o n ，t h ea v e r a g er e m o v a lr a t e so fm c l r a n dm c r rw e r er e s p e c t i v e l y4 8 3 a n d6 2 5 a c c o u n t e df o r8 5 6 a n d9 2 5 o ft o t a lr e m o v a lr a t e g r o w t hr a t eb e c a m ef l a ta f t e r t h e1 0 c a t i o no f 6 0 c mi nb a e ( 4 ) t h ea v e r a g er e m o v a lr a t e so fm c l ra n dm c r rw e r er e s p e c t i v e l y5 0 a n d6 0 i n b a fi n o c u l a t e de n g i n e e r i n gb a c t e r i a t h ea v e r a g er e m o v a lr a t e so fm c l ra n dm c r rw e r e a b o u t15 i nb a ei tc l o s e dt ot h er e m o v a le f f e c to fe m p t yb e df i l t e rl a y e r a d s o r p t i o np r o p e r t i e so fm c l ra n dm c r ri nb a fs h o w e dt h a tr e m o v a lo fm c l ra n d m c r rm a i n l yr e l a t e dt oa d d i n go fe n g i n e e r i n gb a c t e r i a t h r o u g hm e t a b o l i s mo fe n g i n e e r i n g b a c t e r i a ，m c sw e r ed e g r a d e d ，r e m o v a lo fm c l ra n dm c r ri nb a fn o n i n o c u l a t e de n g i n e e r i n g b a c t e r i am a i n l yd e p e n do na d s o r p t i o np r o p e r t i e so ff i l t e r c h e n gq i y u e ( e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ) s u p e r v i s e db yx u eg a n g k e yw o r d s ：m i c r o c y s t i n ，d e 静a d i n gb a c t e r i u m ，b i o l o g i c a la e r a t e df i l t e r 、j 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 1 1 水体富营养化的危害一1 1 1 2 微囊藻毒素的产生、结构与危害2 1 1 3 研究目的与意义一4 1 2 微囊藻毒素处理技术4 1 2 1 活性炭吸附4 1 2 2 臭氧氧化4 1 2 3 光降解与光催化氧化一5 1 2 4 生物降解5 1 3 曝气生物滤池预处理技术6 1 3 ，1 曝气生物滤池的工艺原理一6 1 3 2 曝气生物滤池的工艺特点一6 1 3 3 曝气生物滤池技术应用和研究现状7 1 4 本论文研究内容、技术路线以及创新点8 1 4 1 研究内容8 1 4 2 技术路线8 1 4 3 创新点9 第二章微囊藻毒素的来源及高效液相色谱分析10 2 1 微囊藻毒素测定仪器与试剂1 0 2 2 铜绿微囊藻的培养和藻毒素的提取10 2 2 1 藻种一1 0 2 2 2 培养基10 2 2 3 培养条件11 2 2 4 微囊藻毒素的提取11 2 3 微囊藻毒素的分析1 2 2 - 3 1 标准溶液的储存及配制1 2 2 3 2 最大吸收波长的确定1 2 2 3 3 流动相的选择1 2 2 3 4 流动相配比的选择1 2 2 3 5 色谱分析条件1 4 2 3 6 标准曲线的绘制1 4 2 3 7 样品预处理15 2 3 8 方法的回收率及精密度1 6 2 - 3 9 实际水样的检测1 7 2 4 本章小结18 第三章微囊藻毒素降解工程菌的筛选、鉴定及降解特性研究1 9 3 1 材料与方法1 9 3 1 1 试验材料1 9 3 1 2 试验方法1 9 3 2 菌种的鉴定2 0 3 2 1 菌落形态2 0 3 2 2 电镜扫描2 0 3 2 - 3 菌株的生理生化鉴定2 0 3 2 41 6 s r d n ap c r 扩增、测序及系统发育分析2 1 3 3 菌种降解特性研究2 3 3 3 1 实验方法2 3 3 3 2 菌株d h u 一2 8 对m c l r 的降解特性2 4 3 3 3 菌株d h u 3 8 对m c s 的降解特性2 7 3 4 本章小结3l 第四章曝气生物滤池的启动挂膜及对常规污染物的去除研究3 2 4 1 实验材料及装置3 2 4 1 1 曝气生物滤池的填料及其参数3 2 4 1 2 实验装置3 3 4 2 曝气生物滤池的启动挂膜及生物相的分析3 6 4 3 挂膜期间曝气生物滤池的运行效果3 9 4 4 系统稳定运行时接种工程菌的b a f 对常规污染物的去除效果研究一4 0 4 4 1 在不同水力停留时间下b a f 对常规污染物的去除效果4 0 4 4 2 在不同气水比下b a f 对常规污染物的去除效果4 4 4 5 本章小结4 9 第五章微囊藻毒素降解工程菌的工艺运行研究5 0 5 1 曝气生物滤池空床动态吸附试验5 0 5 2 接种工程菌b a f 对m c l r 的去除研究5 2 5 2 1 水力停留时间对m c l r 去除效果的影响5 2 5 2 2 不同气水比对m c l r 去除效果的影响5 4 5 2 3m c l r 的去除率随滤料层高度的变化5 6 5 3 接种工程菌b a f 对m c r r 的去除研究一5 7 5 3 1 不同水力停留时间对m c r r 去除效果的影响5 7 5 3 2 不同气水比对m c r r 去除效果的影响5 9 5 3 3m c r r 的去除率随滤料层高度的变化6 0 5 4 接种工程菌前后b a f 对m c l r 和m c r r 的去除对比研究6 1 5 5 滤池的反冲洗6 3 5 5 1 反冲洗方式的确定6 3 5 5 2 反冲洗周期的确定6 3 5 5 3 反冲洗时间及强度的确定6 4 5 6 本章小结6 5 第六章结论与建议6 6 6 1 结论6 6 6 2 建议6 8 参考文献7 0 攻读硕士学位期问的研究成果7 4 致谢7 5 曝气生物滤池预处理水源水中微囊藻毒素的研究 东华大学论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 水体富营养化的危害 富营养化是指氮、磷等无机营养物大量进入相对封闭、水流缓慢的水体，引 起藻类和其它水生植物大量繁殖，水体溶解氧下降，水质恶化，其它水生生物大 量死亡的现象 1 】。富营养化现象是湖泊的主要环境问题，造成多方面的危害。 1 1 1 1 对水体与环境的影响 ( 1 ) 使水味变得腥臭难闻：富营养化水体中的一些藻类能够散发出腥味异臭， 向湖泊四周的空气扩散，直接影响、烦扰人们的正常生活，给人以不舒适感觉。 ( 2 ) 降低水体的透明度：富营养化水体中的蓝藻、绿藻等优势藻浮在湖水表 面，形成一层绿色浮渣，使湖水浑浊，透明度明显降低，富营养化严重的水体透 明度仅有0 2 米，湖水感官性状大大下降【2 】。 ( 3 ) 影响水体的溶解氧：在水体表面，藻类可获得充足的阳光、充足的二氧 化碳进行光合作用而放出氧气，故水面溶解氧充足。但在湖泊深层，由于表面藻 类密集，阳光难以透入，藻类的光合作用明显受抑制而减弱，使溶解氧来源减少。 1 1 1 2 又v j 饮用水生产的影响 ( 1 ) 对水厂运行的影响：由于水中微小藻类的密度小，故不易在混凝沉淀中 去除。大量未除去的藻类进入滤池，会造成滤池堵塞，使其运行周期缩短，反冲 洗水量增加，严重时可能引起水厂被迫停产。同时，由于水中大量藻类、有机物 和氨氮的存在，使得混凝剂和消毒剂用量大大增加，增加了制水成本。而藻类及 其产生的有机物还是饮用水消毒副产物的重要前体物之一，消毒剂用量的增加会 导致水中消毒副产物含量的进一步增加，降低饮水安全性【3 】。 ( 2 ) 对饮用水水质的影响： a ) 藻类致臭。水中产生臭昧的微生物主要是放线菌、藻类和真菌。在藻类大 量繁殖的水体中，藻类一般是主要的致臭微生物。藻类产生的臭味很难用常规净 水工艺去除，使城市供水中出现不愉快气味，引起用户对水质感官上的不满 4 】。 b ) 藻类产生毒素。某些藻类在一定的环境下会产生毒素【5 。在所有的淡水藻 类中，毒性最强、污染范围最广且最严重的藻类多为引起水华的蓝藻门，大部分 的蓝藻种属会产生藻毒素【6 。其中的微囊藻毒素是一种分布最广、最复杂、被研 究的最深入的毒素，是一种强烈的肝肿瘤促进剂【7 。这些毒素进入水体中若被牲 畜饮入体内，可引起胃肠炎症，人若饮用也会发生消化道炎症、肝癌和脾脏疾病 等，剂量过度时可导致死亡。 曝气生物滤池预处理水源水中微囊藻毒素的研究 东华大学论文 c ) 藻类和有机物是消毒副产物的前体物。水中有机物是产生消毒副产物的母 体物质，在氯消毒过程中不但会产生挥发性较强的三卤甲烷，而且会产生危害更 大、沸点较高的卤乙酸等三致性更强的卤代有机物，使饮用水致突变性提高，饮 用水安全性下降哺j 。 1 1 2 微囊藻毒素的产生、结构与危害 l - 1 2 1 微囊藻毒素的产生 富营养化水体中形成“水华”的蓝藻具有毒性。研究表明世界各地2 5 7 0 的蓝藻水华可产生毒素 9 】。有毒性的藻类主要有7 个属：鱼腥藻属、束丝藻属、 腔球藻属、胶刺藻属、微囊藻属、节球藻属及念珠藻属。其中主要产生毒性的蓝 藻是鱼腥藻、束丝藻和微囊藻属中的某些品系【10 1 。微囊藻水华是淡水水体中危 害最严重的一类，由于这类水华发生普遍，持续时间长，而且多数产毒，危害性 大，因而倍受人们的关注【1 1 1 。微囊藻毒素( m i c r o c y s t i n ，简称m c ) 由于其毒性较 大，分布广泛，是目前研究较多的一族有毒的化合物。微囊藻毒素主要由铜绿微 囊藻( m i c r o c y s t i sa e r u g i n o s a ) 产生，其它种类的微囊藻，如绿色微囊藻、惠氏微囊 藻以及鱼腥藻、念珠藻、颤藻的一些种或株系也能产生这些毒素【1 引。 1 1 2 2 微囊藻毒素的结构 微囊藻毒素是一类具有生物活性的七肽单环肝毒素，是由7 个氨基酸组成 的环状多肽，分子量在1 0 0 0 左右。m c 的一般结构为环( d 一丙氨酸( a l a ) 一l - x 一赤一 b 甲基一d 甲基天冬氨酸( m a s p ) 一l y a d d a d 一异谷氨酸( g l u ) n 一甲基脱氢丙氨酸 ( m d h a ) ) ，见图1 1 1 3 。其中n 一甲基脱氢丙氨酸( m d h a ) 为一种特殊氨基酸，含有 q ，1 3 不饱和双键；a d d a 是另一种特殊的2 0 个碳原子的氨基酸，结构为：3 一氨基 一9 甲氧基一2 ，6 ，8 一三甲基一1 0 一苯基癸一4 ，6 二烯酸，是微囊藻毒素生物活性表达所必 须的，研究表明去除a d d a 后毒素的毒性降低 1 4 ；由于位置2 和4 的2 个l 一氨基酸的 不同及m a s p 和a d d a 的甲基化去甲基化产生的差异，可以形成多种不同的异构体 【”1 。目前，至少有8 0 多种异构体己被分离和鉴定。当图1 中4 位置的氨基酸( y ) 为 精氨酸( a r g i n i n e ) ，2 位置的氨基酸( x ) 分别为l ，r 和y 即亮氨酸、精氨酸和酪氨酸 时，所表示的m c 就为m c l r ，r r 和y r 【l6 | 。 m c 直径约3 n m ，分子量为9 0 0 11 0 0 t 。”。由于环状结构和间隔双键，m c 性质 较为稳定，具有水溶性和耐热性。m c 极易溶解于水，在水中的溶解度达lg m 以 上，易溶于甲醇或丙酮，不挥发，抗p h 变化。研究表明，j 哿m c 3 j h 热到3 0 0 ， 仍不失活，不挥发，甚至在高压灭菌1 2 1 条件下，灭菌3 0 m i n 仍不分解。 水环境中藻毒素自然降解过程是十分缓慢，即使在阳光下也较稳定，但在蓝 藻色素存在的条件下或在微生物的作用下，光降解速度加快。虽然m c 是多肽类 物质，但普通的蛋白水解酶不能将其水解引。 曝气生物滤池预处理水源水中微囊藻毒素的研究 东华大学论文 ( 4 )m a s p ( 3 ) 图1 1 微囊藻毒素分子结构 f i g 1 1t h em o l e c u l a rs t r u c t u r eo fm c s ( 2 ) 1 1 2 3 微囊藻毒素的危害 18 7 8 年f r a n c i s 首次发现含有泡沫节球藻( n o d u l a r i as p u m i g e n a ) 水体能够引起 家畜和禽类中毒死亡，以后有关藻类水体引起的野生动物、鱼类、家畜、家禽及 宠物中毒、死亡的事件在许多国家都有报导，其中微囊藻水体的危害最严重、广 泛 1 9 】。 研究表明，微囊藻毒素是具有自我强化机制作用的生态生长调节素，可帮助 蓝藻产生尽可能多的子代，从而使产毒藻株密度增加，获得竞争优势，从而影响 水生植物种群的多样性【20 1 。v a s c o n c e l o s 在有毒的铜绿微囊藻水华中放养贻贝 ( m y t i l u s g a l l o p r o v i n v i a l i s ) ，1 6 d 后，发现该贝类能富集微囊藻毒素浓度达1 0 5 u g g 干重，最高富集浓度可达：至l j l 6 u g g l 【2 ，这些毒素可通过食物链对人类健康造成 潜在的危害。微囊藻毒素对鱼类也有很大影响，含一定浓度藻毒素的水体可使鱼 卵变异，鱼类行为及生长异常，水华暴发也常使大量鱼类死亡。动物饮用了含藻 毒素的水后，会出现腹泻、乏力、厌食、呕吐、嗜睡，口眼分泌物增多等症状， 甚至死亡。人类饮用或直接接触藻类污染的水体会引起皮肤反应、结膜炎、鼻炎、 呕吐、腹泻、胃肠炎等病症 2 2 l 。1 9 9 6 年巴西一透析中心，因透析液遭微囊藻毒 素污染，导致1 3 0 名病人中有1 1 6 人出现异常症状，并有2 6 人最终死亡，这是迄今 为止世界上第一例因藻毒素引起人类死亡的报道【2 引。微囊藻毒素一l r 被认为是目 前发现的最强的肝脏肿瘤促进剂。小鼠皮下注射微囊藻毒素一l r ，半致死量为 4 7 u g k g ( 体重) ，而氰化钠为4 3 m g k g 【24 1 。由此可见，水体中微囊藻毒素的存在将 对人群健康构成潜在危害。 曝气生物滤池预处理水源水中微囊藻毒素的研究 东华大学论文 1 1 3 研究目的与意义 富营养化水体暴发的蓝藻多数具有毒性，其释放的藻毒素是强烈的肝脏肿瘤 促进剂，世界各地都有动物或人类饮用或接触含藻毒素水而中毒甚至死亡的报 道。国内外的饮用水水源地在藻华暴发期，曾检测出较高浓度的藻毒素。这些藻 毒素在水体中降解较慢，通常会滞留数天至数周，因此必然会进入饮用水制水工 艺。然而常规制水工艺不能有效去除水中的藻毒素，在国内外的自来水厂出水中， 特别是我国太湖地区自来水厂的出水中多次检测出超过浓度限值的微囊藻毒素， 对人类健康带来严重威胁。 水源污染与水体富营养化对饮用水净化技术提出了新的要求，常规净水工艺 己不能保障安全饮用水的供给。本文目的在于探索藻毒素的有效处理方法与降解 机制，为从富营养化水源制取安全饮用水，合理选择富营养化水处理工艺提供理 论依据和方法指导。研究成果对指导以富营养化水为原水的自来水厂安全优质供 水具有重要的理论意义，对保障人民群众身体健康具有十分重要的社会意义。 1 2 微囊藻毒素处理技术 微囊藻毒素分子量较大，属于难降解的生物有机毒素，传统水处理工艺如混 凝、沉淀、过滤等不能有效的去除藻毒素，水体藻毒素污染己成为一个世界性难 题。各国专家学者在消除藻毒素污染方面进行了广泛研究，目前报道的较新的微 囊藻毒素处理技术包括：活性炭吸附、臭氧氧化、光降解与光催化氧化、生物降 解等。 1 2 1 活性炭吸附 活性炭吸附是目前研究较多的去除微囊藻毒素的工艺之一，常用的活性炭滤 料主要有颗粒活性炭和粉末活性炭。大量文献证实，活性炭可有效去除污染水体 的m c 2 52 6 , 2 7 。目前研究者将活性炭吸附工艺改进后去除m c ，效果显著。朱光灿 等【2 8 采用生物活性炭工艺去除饮用水中m c ，结果表明，h r t 为1 5 h 时对m c r r 、 m c y r 、m c l r 的去除率分别为6 0 5 7 、6 3 3 0 和6 8 7 9 。刘成等【2 9 】研究发现， 粉末活性炭与氯同时投加可以大大提高微囊藻毒素的去除率，原因可能是粉末活 性炭表面的官能团与h c i o 作用催化了微囊藻毒素的去除。但活性炭吸附m c 需要 较长的接触时间，而且这种方法的水处理成本较高，因为活性炭再生特别是毒素 脱附相对比较困难【3 0 】。另外，m c 吸附到活性炭上的几率也不明确，它有可能被 活性炭表面的生物膜降解而表现出安全性，也有可能被再次释放到水体中对健康 造成危害p 1 | 。 1 2 2 臭氧氧化 o ，是一种强氧化剂，其氧化能力在天然元素中仅次于氟【3 2 1 ，它可以通过与 有机物双键的迅速氧化反应生成羰基化合物。当0 3 作用于m c 时，m c 中a d d a 上 4 曝气生物滤池预处理水源水中微囊藻毒素的研究 东华大学论文 的双键被氧化打开而使其毒性消失。r o s i t a n o 掣3 3 】研究发现，0 3 对m c 有较好的 去除效果，在与水接触5 m i n ，水中残余0 3 质量浓度为0 5 m g l 的条件下，对m c l r 的去除率可达1 0 0 ；同时，该过程是0 3 分子直接作用于m c l r 双键的结果，而 非h o 。所致。o ，氧化性强，消毒效果好，产生的有害消毒副产物少。最重要的是， 利用o ，氧化水中的m c 不会引起藻类细胞的裂解，因而较其他化学氧化剂具有更 为广阔的应用前景。但利用0 3 来去除淡水中藻毒素受藻毒素浓度以及o ，浓度、 作用时问的影响，并需要保持水中有一定量的o 。残留，才会有较好的效果1 3 4 | 。 1 2 3 光降解与光催化氧化 紫外线能够破坏m c 的侧链a d d a 基团的共轭双键，从而使藻毒素降解为低毒 或无毒的产物【3 川。其效果与紫外线的强度及照射时间有关，在最大紫外吸收波 长( 2 3 8 2 5 4 n m ) 时降解最快。陈伟等 3 6 】研究了m c 在两种紫外光照射下的光降解行 为，结果表明，波长短、能量大的u v c 是降解m c 较好的光源，对环境水体中低 含量的m c 具有很强的去除能力，且光照强度、温度、酸度是影h 晌j m c 降解效率 的重要因素。 光催化氧化是比光降解更为有效的降解m c 的方法。目前最普遍的是用 t i 0 2 h 2 0 2 作为催化剂，在t i 0 2 作催化剂的条件下藻毒素能达到良好的去除效果， 而一定量h 2 0 2 的存在可以显著加强催化作用。陈晓国等【37 j 研究发现太阳光多孔 t i 0 2 膜体系对水中微m c r r 具有较好的去除效果，m c r r 主要通过光催化氧化作 用被去除，t i 0 2 膜的镀膜次数和溶液p h 对反应有一定影响，偏酸性环境更有利 于m c r r 的降解。 1 2 4 生物降解 生物降解作用是藻毒素在自然水体中转化的主要途径，尤其就其成本和 对环境影响程度而言，生物降解技术较其他藻毒素去除方法更有优势。 微生物降解是一条可行的途径 38 1 ，国外已有很多对微囊藻毒素的微生物降 解进行的研究，j o n e s 3 9 】于1 9 9 4 年最先从澳大利皿马兰比季河中筛选出一株能够 降解m c 的鞘氨醇单胞菌( s p h i n g o m o n a ss p a c m 一3 9 6 2 ) ；a m em a r i av a l e r i a 4 0 从蓝藻爆发期的圣罗克河水样中提取到一支菌株，3 6 d x 时能将2 0 0ug m 的m c r r 降解完全，通过16 sr d n a 测序鉴定，这支菌株属于鞘氨醇单胞菌属。l i o n e lh o 等 4 l 】从生物活性砂滤池中筛选到能够高效降解藻毒素的菌株，通过分子鉴定， 该菌株属于鞘氨醇单胞菌；h a r a d ak 掣4 2 】分离出一株菌种，鞘氨醇单胞菌，用 此菌种降解m c l r 以分离出独立的a d d a 基团；国内李现尧等【4 3 】从腐烂的蓝藻中 富集分离到一株微囊藻毒素辅助降解菌藤黄微球菌。 曝气生物滤池预处理水源水中微囊藻毒素的研究东华大学论文 1 3 曝气生物滤池预处理技术 1 3 1 曝气生物滤池的工艺原理 曝气生物滤池( b a f ) 是一种高负荷淹没式固定膜三相反应器，是将过滤技 术和接触氧化法有机结合的统一体。曝气生物滤池采用粒径较小的粒状填料