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基本信息

項(xiàng)目名稱：
飲用水源水混凝工藝對藍(lán)藻細(xì)胞的破損機(jī)理研究
小類：
能源化工
簡介：
原水中藻類在生長過程中會產(chǎn)生對人體具有毒害作用的微囊藻毒素，嚴(yán)重危害人類健康。水廠在消毒過程中耗費(fèi)大量消毒劑，造成資源浪費(fèi)及用水隱患。本文針對飲用水廠常用混凝工藝，研究混凝劑FeCl3、AlCl3的劑量對藍(lán)藻細(xì)胞破損機(jī)理，預(yù)測藍(lán)藻細(xì)胞存活率與混凝工藝參數(shù)的關(guān)系，提出可行方案，為高藻水中藍(lán)藻細(xì)胞低破損去除的飲用水處理工藝提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。
詳細(xì)介紹：
近年來，我國太湖、巢湖、滇池、玄武湖、東湖等內(nèi)陸淡水湖泊均多次發(fā)生了藍(lán)藻水華，對人們的生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的影響，尤其是以這些湖泊為水源的地區(qū)，藍(lán)藻水華直接威脅到飲用水的安全。藍(lán)藻水華之所以對飲用水水質(zhì)產(chǎn)生不利影響，主要是由于藍(lán)藻細(xì)胞破損釋放藻毒素和藻細(xì)胞死亡后，在厭氧條件下分解產(chǎn)生臭味物質(zhì)等。這些次生代謝物在一定程度上影響了飲用水的味道和氣味。更為嚴(yán)重的是某些藍(lán)藻危害人們的健康，例如微囊藻毒素由于具有高急性毒性、強(qiáng)促癌活性以及與人類癌癥發(fā)生的相關(guān)性受到全球的關(guān)注。 研究表明，生長旺盛的藻類，大部分的代謝產(chǎn)物在細(xì)胞內(nèi)部。當(dāng)藻細(xì)胞在顆粒去除工藝過程（例如：混凝階段）中被有效去除時(shí)，大部分的藻代謝產(chǎn)物也同時(shí)被去除。如果藻細(xì)胞被破壞，細(xì)胞毒素、味覺和氣味物質(zhì)會釋放到胞外或以溶解態(tài)溶解到水中。因此，在飲用水生產(chǎn)工藝中，對藻代謝產(chǎn)物（藻類釋放物）的控制關(guān)鍵是對藍(lán)藻細(xì)胞完整無損的去除。由于常規(guī)的混凝、沉淀、過濾、消毒工藝只能部分去除藻毒素等藍(lán)藻釋放物，不能滿足藍(lán)藻濃度較高水源的處理要求，因此許多研究者把含藍(lán)藻水源水處理工藝的研究重點(diǎn)放在預(yù)處理和末端強(qiáng)化。這些研究均對含藍(lán)藻水源水的處理起到了一定積極作用，如氧化（臭氧、氯氣、高錳酸鉀）或吸附（粉末活性炭或顆粒活性炭）工藝。但是這些方法由于成本太高或者存在二次污染等問題，并沒有在飲用水廠得以應(yīng)用。且不論國內(nèi)國外，關(guān)于如何在飲用水生產(chǎn)工藝過程中通過改進(jìn)處理工序、調(diào)整工藝參數(shù)強(qiáng)化藍(lán)藻釋放物的去除效果，消除高含量藍(lán)藻水源對飲用水水質(zhì)的影響研究甚少。 混凝是城市水廠凈水工藝不可缺少的單元，也是除藻的主要方法，由于藻類細(xì)胞一般都帶負(fù)電，在水中投加混凝劑以中和藻類表面的負(fù)電，使之脫穩(wěn)而沉淀。FeCl3、AlCl3是飲用水廠常用的混凝劑，具有應(yīng)用范圍廣，適應(yīng)水性廣泛，易快速形成大的礬花，沉淀性能好等多方面優(yōu)勢。但在混凝過程中，混凝劑的投加很可能導(dǎo)致藻細(xì)胞的破損及藻代謝產(chǎn)物的釋放。 本課題針對飲用水廠常用的混凝工藝以及藍(lán)藻的優(yōu)勢種情況，開展混凝工藝FeCl3、AlCl3劑量對藍(lán)藻細(xì)胞破損機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究。通過細(xì)胞計(jì)數(shù)、葉綠素a測定及活性測定等技術(shù)綜合判定工藝參數(shù)和外加化學(xué)物質(zhì)在除藻過程中對藍(lán)藻細(xì)胞的破損作用，建立藍(lán)藻細(xì)胞及其釋放物的反應(yīng)動力學(xué)，預(yù)測藍(lán)藻細(xì)胞存活率及釋放物濃度與混凝工藝參數(shù)的關(guān)系。為實(shí)現(xiàn)藍(lán)藻細(xì)胞低破損去除的飲用水處理工藝提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

由藍(lán)藻細(xì)胞計(jì)數(shù)、藻活性檢測及其代謝產(chǎn)物的定性定量分析所得數(shù)據(jù)，分析工藝對藍(lán)藻細(xì)胞及其代謝產(chǎn)物的去除效果并構(gòu)建藍(lán)藻細(xì)胞生長消解動力學(xué)模型及藍(lán)藻細(xì)胞代謝產(chǎn)物的釋放規(guī)律及工藝操作條件和外加化學(xué)藥劑對藍(lán)藻細(xì)胞消解速率的影響。對工藝處理前后藍(lán)藻細(xì)胞表面形態(tài)結(jié)構(gòu)及其成份變化情況進(jìn)行對比分析，綜合闡明藍(lán)藻細(xì)胞的破損機(jī)理。調(diào)整工藝參數(shù)，獲取實(shí)驗(yàn)室條件下藍(lán)藻去除及避免破損的最佳經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處

以藍(lán)藻細(xì)胞為研究對象，針對其細(xì)胞狀態(tài)和胞內(nèi)代謝物釋放情況構(gòu)建藍(lán)藻細(xì)胞生長消解動力學(xué)模型，為混凝工藝的優(yōu)化提供新的立足點(diǎn)；通過電鏡觀察、活性測定及液相色譜等技術(shù)綜合分析說明混凝工藝對藍(lán)藻細(xì)胞的破損作用并探討其機(jī)理，為飲用水水質(zhì)安全研究提供新的技術(shù)路線。

應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義

混凝是城市水廠凈水工藝不可缺少的單元，由于藻類細(xì)胞一般都帶負(fù)電，在水中投加混凝劑以中和藻類表面的負(fù)電，使之脫穩(wěn)而沉淀。但在混凝過程中，混凝劑的種類、投加量、水利條件等因素都可能導(dǎo)致藻細(xì)胞的破損及藻代謝產(chǎn)物的釋放?？梢詾樽詠硭畯S等相關(guān)部門有針對性地選擇水源水高效凈化工藝、有效進(jìn)行飲用水源水應(yīng)急處理工作等提供重要依據(jù)，確保低成本、高效率對飲用水進(jìn)行處理?？梢赃M(jìn)一步確保居民飲用水安全。

學(xué)術(shù)論文摘要

近年來，我國太湖、巢湖、滇池、玄武湖、東湖等內(nèi)陸淡水湖泊均多次發(fā)生了藍(lán)藻水華，直接威脅到飲用水的安全。藍(lán)藻水華之所以對飲用水水質(zhì)產(chǎn)生不利影響，主要是由于藍(lán)藻細(xì)胞破損釋放藻毒素和藻細(xì)胞死亡后，在厭氧條件下分解產(chǎn)生臭味物質(zhì)等。這些次生代謝物在一定程度上影響了飲用水的味道和氣味。更為嚴(yán)重的是某些藍(lán)藻由于具有高急性毒性、強(qiáng)促癌活性以及與人類癌癥發(fā)生的相關(guān)性而受到全球的關(guān)注。 常規(guī)的處理方法由于成本太高或者存在二次污染等問題，并沒有在飲用水廠得以應(yīng)用。且不論國內(nèi)國外，關(guān)于如何在飲用水生產(chǎn)工藝過程中通過改進(jìn)處理工序、調(diào)整工藝參數(shù)強(qiáng)化藍(lán)藻釋放物的去除效果，消除高含量藍(lán)藻水源對飲用水水質(zhì)的影響研究甚少。 本研究針對我國飲用水廠采用的工藝以及藍(lán)藻的優(yōu)勢種情況，開展含有藍(lán)藻細(xì)胞及其代謝產(chǎn)物的水源水的處理技術(shù)研究，通過建立藍(lán)藻細(xì)胞及其釋放物的反應(yīng)動力學(xué)，預(yù)測藍(lán)藻細(xì)胞存活率及釋放物濃度與處理時(shí)間的關(guān)系，優(yōu)化飲用水處理工藝，初步確立實(shí)現(xiàn)藍(lán)藻細(xì)胞無破損去除的飲用水處理工藝。本研究為保障人們的飲水健康具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會效益。 關(guān)鍵詞：藍(lán)藻 飲用水處理工藝 無破損去除

獲獎情況

無

鑒定結(jié)果

無

參考文獻(xiàn)

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.

同類課題研究水平概述

針對藍(lán)藻細(xì)胞及其代謝產(chǎn)物的定性定量研究及水處理工藝過程中除藻的有效方法研究廣泛且深入，但關(guān)于混凝工藝中藍(lán)藻細(xì)胞的低破損去除研究涉及較少。 養(yǎng)殖藻類處理廢水研究：有機(jī)廢水的處理主要采用厭氧接觸法、厭氧污泥法、生物膜法等。目前國外已開始應(yīng)用高速藻類池塘污水處理系統(tǒng)來生產(chǎn)一些高蛋白的藻類。這一技術(shù)具有成本低、能耗少、效率高、收益大等特點(diǎn)，是一項(xiàng)非常有潛力的生態(tài)環(huán)保工程。高濃度有機(jī)廢水處理(一般指BOD高于1000mg/L的有機(jī)廢水)，國內(nèi)外有利用養(yǎng)殖螺旋藻等微藻使廢水凈化的報(bào)道，Oswald等已成功利用沼氣廢物或人畜廢物生產(chǎn)諸如小球藻或柵裂藻類；Chauhan研究發(fā)現(xiàn)，在戶外培養(yǎng)螺旋藻時(shí)，造紙黑液能促進(jìn)其生長和提高產(chǎn)量，同時(shí)也提高了細(xì)胞氮同化酶的活性和利用效率；Fox描述了適合發(fā)展中國家利用的農(nóng)莊式藻類生產(chǎn)系統(tǒng)，目前印度等國家已成功應(yīng)用。 藻菌共同利用：這種應(yīng)用體現(xiàn)在高速率藻塘(HRAP)又稱高負(fù)荷氧化塘，是好氣塘中有機(jī)負(fù)荷最高的一種。通過形成藻菌共生系統(tǒng)(Algae-bacteriasymbioticsystem)來凈化廢水。藻菌共生系統(tǒng)的最基本的生態(tài)功能單元是藻菌共生體，藻類的種類與數(shù)量，決定著污水處理系統(tǒng)中能量的流向和食物鏈的基本結(jié)構(gòu)。Maiti用60%的藻類和40%的細(xì)菌組成活性藻，去除水中營養(yǎng)物質(zhì)效果較好。廖敏等報(bào)道了藻菌共生體對砷有良好的去除作用。當(dāng)今最先進(jìn)的藻類凈化廢水系統(tǒng)是與其它工藝結(jié)合體系(CombinationHRAPSystem)，此體系彌補(bǔ)了活性污泥沉淀方法不足。P.Ekholm報(bào)道，芬蘭五個(gè)城市的污水處理廠，都有活性污泥過程和磷沉淀及其它消化過程，在2-4周的生物測定中，處理后廢水中平均TP的36%（0-67%）可被月牙藻利用，經(jīng)月芽藻處理后可溶性磷可以全部被除去，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的處理效率。富營養(yǎng)的主要特征是水體含氮、磷等高濃度營養(yǎng)元素，造成藻類大量繁殖。由于藻類個(gè)體小難以除去，因此，目前國內(nèi)外在治理富營養(yǎng)化水體除凈化污水源外，主要采用栽種高等水生植物吸收營養(yǎng)元素及清除底泥等方法。目前歐、美盛行利用生物控制法，即控制浮游動物、食浮游動物的魚類及底棲動物(貝類等)的數(shù)量達(dá)到控制藻類生長的水質(zhì)管理方法，但國內(nèi)尚未進(jìn)行這方面研究。
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