摘要：常規(guī)凈水工藝不能有效去除飲用水中微囊藻毒素(MC)，對居民健康具有潛在危害。采用生物活性炭深度處理工藝去除飲用水中微囊藻毒素，HRT為1.5h時，CODMn和UV254的去除率分別為55.3%和35.1%;MC-RR、MC-YR和MC-LR的去除率分別為60.57%、63.30%和68.79%。原水中較高濃度的易生物降解有機物抑制生物活性炭工藝對MC的去除。生物活性炭工藝中微生物降解去除大部分MC，同時使吸附飽和的活性炭得到一定程度的再生，部分MC通過吸附作用被去除。

關(guān)鍵詞：微囊藻毒素 生物活性炭 飲用水處理

微囊藻毒素(Microcystins，簡稱MC)主要由富營養(yǎng)化淡水水體中發(fā)生普遍的微囊藻(Microcystis)“水華”產(chǎn)生，它在細(xì)胞內(nèi)合成，細(xì)胞破裂后釋放出來[1]。MC是一類具有生物活性的七肽單環(huán)肝毒素[2]，是由7個氨基酸組成的環(huán)狀多肽，分子量都在1000左右。 目前 已從不同微囊藻菌株中分離、鑒定了60多種MC結(jié)構(gòu)[3]。MC作用的靶器官為肝臟，具有極高的細(xì)胞選擇性和專一生物活性[4]。流行病學(xué)調(diào)查表明，我國江蘇海門、啟東和廣西扶綏地區(qū)的原發(fā)肝癌發(fā)病率高與當(dāng)?shù)鼐用耖L期飲用含微量MC的淺灘水和河流水有關(guān)，而當(dāng)?shù)仫嬘蒙罹用竦脑l(fā)肝癌發(fā)病率則相當(dāng)?shù)蚚5]。

MC化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，在 自然 水體中通常能存在1周至數(shù)周，并且傳統(tǒng)凈水工藝不能有效去除藻毒素[6]，導(dǎo)致我國多個以富營養(yǎng)化水為原水的自來水廠出廠水中檢測到超過標(biāo)準(zhǔn)的MC[7]。目前藻毒素的水處理技術(shù)主要包括活性炭吸附、光降解與光催化氧化、臭氧氧化、化學(xué)藥劑氧化、膜濾及生物降解等，它們均有各自的優(yōu)點與局限性[8]。本文考察生物活性炭(Biological Activated Carbon，簡稱BAC)工藝去除飲用水中MC的 影響 因素與 規(guī)律 ，探討MC的去除途徑。

1 材料與 方法

1.1 試驗裝置

生物活性炭反應(yīng)器由有機玻璃制成，內(nèi)裝平均顆粒尺寸為2×5mm的柱狀活性炭。在活性炭層上部的進(jìn)水區(qū)設(shè)微孔曝氣頭一只，由無油氣泵供氣。試驗水樣由MP-3N型恒流泵從配水箱送至BAC柱。

1.2 微囊藻毒素的提取與試驗水樣的配制

藻華暴發(fā)期間，在中科院南京地湖所太湖湖泊生態(tài)系統(tǒng) 研究 站2#監(jiān)測點附近收集藍(lán)藻水華，濃縮后冷凍備用。取一定量的藍(lán)藻，融化后加入75%的甲醇，20MHz超聲波間歇振蕩30min，破碎藻細(xì)胞?；旌弦涸俳?jīng)振蕩器振蕩30min后，離心20min(5000rpm)，收集上清液。管底物質(zhì)重復(fù)上述步驟，上清液合并。合并后的上清液經(jīng)0.45µm whatman GF/C玻璃纖維膜過濾，得到藍(lán)藻粗提取液。

太湖富營養(yǎng)化水經(jīng)混凝、沉淀、砂濾后投加適量藍(lán)藻粗提取液作為試驗用水。

1.3 試驗方法與條件

1.3.1 水力停留時間(HRT)影響試驗

BAC反應(yīng)器中生物膜成熟后，考察HRT對MC去除的影響。試驗中，HRT由4h逐漸調(diào)至1h，每次調(diào)整HRT后穩(wěn)定運行5d以上，再連續(xù)2天按停留時間間隔取進(jìn)出水水樣 分析 ，結(jié)果取均值。試驗期間水溫23~27℃。

1.3.2 易生物降解有機物影響試驗

上述試驗用水加入不同量的葡萄糖，配成不同的試驗水樣。根據(jù)第一階段試驗結(jié)果確定BAC反應(yīng)器的HRT。試驗由進(jìn)水高CODMn濃度向低CODMn濃度進(jìn)行，每一濃度的水樣穩(wěn)定運行4~5d后，取樣分析。

1.3.3 微囊藻毒素的去除途徑研究

準(zhǔn)備4個1L試劑瓶，分別向3個瓶中加入800mL未用過的顆?；钚蕴?GAC)、生物活性炭(BAC)和滅活后生物活性炭(滅活BAC)，第4瓶作空白對照。三種活性炭均為同種顆粒炭，其中生物活性炭取自運行5個多月的BAC反應(yīng)器，滅活生物活性炭是將取自BAC反應(yīng)器中的生物活性炭在滅菌鍋內(nèi)高溫高壓滅菌1h制備而成。向4個瓶中加入曝氣后的試驗用水至1000mL刻度，置于振蕩器上振蕩并計時，于不同的反應(yīng)時間從4個瓶中各取60mL水樣測定MC濃度。

1.4 分析方法

微囊藻毒素-RR、YR、LR(分別簡稱MC-RR、MC-YR、MC-LR)：HPLC法測定，分析儀器與方法見 參考 文獻(xiàn) [9];UV254：紫外分光光度法;CODMn：酸性高錳酸鉀法。

。

2 結(jié)果與 分析

2.1 HRT對微囊藻毒素去除的 影響

表1與圖2表明，隨著HRT的增加，CODMn、UV254與各微囊藻毒素的去除率相應(yīng)提高，并與試驗水樣溶解氧的消耗率正相關(guān)，表明微生物降解是有機物與MC去除的重要途徑。一定HRT范圍內(nèi)，微生物對有機物與MC的降解隨HRT的增加更為充分;但當(dāng)HRT增大到一定值后，生物活性炭反應(yīng)器中DO供應(yīng)不足，系統(tǒng)中微生物、有機污染物、溶解氧與活性炭的相互作用達(dá)到了平衡，去除率逐漸趨于穩(wěn)定。綜合BAC工藝對 CODMn、UV254及MC的去除效果，適宜水力停留時間取1.5~2h。

2.2 易生物降解有機物對MC去除的影響

BAC工藝HRT=1.5h，不同原水的MC去除率與CODMn的去除率關(guān)系如圖3。圖中MC濃度為MC-RR、MC-LR與MC-YR三種微囊藻毒素濃度之和。

當(dāng)進(jìn)水CODMn濃度由2.91mg/L增加到3.60mg/L時，CODMn的去除率和MC的去除率均出現(xiàn)上升;此后隨著進(jìn)水CODMn濃度的進(jìn)一步增加，CODMn的去除率仍不斷提高，但MC的去除率開始降低。

低濃度MC與CODMn在生物反應(yīng)器內(nèi)同時被降解，可能既有MC降解菌的降解作用，也可能有異養(yǎng)微生物的協(xié)同同化作用[9,10]。當(dāng)有機物降解菌與藻毒素降解菌是不同菌種時，易降解有機物含量增加，相應(yīng)的異養(yǎng)微生物活性增強，由于微生物種群的競爭，如對DO的競爭，BAC柱中MC降解菌的活性受到抑制，使MC的去除率下降。當(dāng)?shù)蜐舛萂C是在異養(yǎng)微生物的協(xié)同同化作用下被降解時，若比MC更易被微生物利用的有機物增加，將優(yōu)先被異養(yǎng)微生物降解，微生物對MC的同化作用減弱，使MC的去除率下降。由于原水中易生物降解有機物含量過高，抑制MC的去除，進(jìn)入BAC系統(tǒng)的原水必須控制易生物降解溶解性有機物的含量，可通過兩級生物活性炭或原水的生物預(yù)處理來控制。

2.3 MC在BAC工藝中的去除途徑

表2中MC濃度是MC-RR、MC-LR與MC-YR三種微囊藻毒素濃度之和。結(jié)果表明， MC在各種活性炭中的去除率隨時間的延長而增加，當(dāng)反應(yīng)時間大于1.5h后，MC去除率增加趨緩。各種活性炭對MC的去除率大小依次為：GAC>BAC>滅活BAC。

未使用過的活性炭具有較強的吸附作用，能有效去除MC;掛膜成熟后的BAC，活性炭的表面及大孔附著大量微生物，MC通過生物降解與活性炭吸附而去除;滅活BAC由于微生物已失活，因此通過吸附作用去除MC。滅活BAC在高壓滅菌鍋內(nèi)滅菌時不能使活性炭再生，它對MC的吸附能力即為BAC對MC的吸附能力。通常活性炭運行5個多月后已基本吸附飽和，而此時BAC仍能吸附有機物，意味著附著于活性炭上的微生物具有再生活性炭的能力，即被活性炭吸附的部分有機物被微生物降解。另一方面，滅活 BAC對MC的去除率遠(yuǎn)小于BAC，滅活BAC對MC的去除率在HRT= 180 min時，也只有12.98%，而BAC在HRT=180 min時，去除率可達(dá)47.14%。由此表明，BAC反應(yīng)器中微生物降解對MC的去除作用，較活性炭吸附MC的去除作用更大。然而，BAC中分別被這兩種途徑去除的MC的比例很難確定，因為BAC中被吸附的MC又會被微生物降解，BAC可以繼續(xù)吸附MC，而滅活BAC吸附MC后不再具有生物再生功能。MC被吸附后又被生物降解這一現(xiàn)象表明：運行較長時間的BAC對MC的去除，最終都是通過微生物的降解實現(xiàn)的。GAC與BAC相比，去除效率更高，但前者的吸附作用易因活性炭飽和而失效，后者則通過微生物與活性炭的協(xié)同作用延長了活性炭的運行周期，有效降低了凈水成本。

3 結(jié)論

3.1 BAC工藝可作為飲用水中MC的深度處理工藝，適宜的HRT為1.5~2h。

3.2 原水中較高濃度的易生物降解有機物抑制BAC工藝對MC的去除，進(jìn)入BAC系統(tǒng)的原水必須控制易生物降解有機物的含量。

3.3 生物活性炭運行初期，主要通過吸附作用去除MC，生物膜成熟后，主要通過微生物的降解去除MC。微生物降解同時使吸附飽和的活性炭得到一定程度的再生，可以通過吸附作用去除部分MC。

參考 文獻(xiàn)

[1] Carmichael W W. Toxic microcystis and the environment In: Watanabe M F: Toxic microcystis[M]. Boca Raton: CRC Press,1996,2-4

[2] Carmichael W W. The toxins of cyanobacteria. Sci Am[J],1994,270:64-72

[3] Hitzfeld B C, Hoger S J, Dietrich D R. Cyanobacterial toxins: removal during drinking water treatment, and human risk assessment. Environ Health Perspect[J], 2000,108(Suppl 1):113-122

[4] 吳偉,瞿建宏,陳家長,等.藻毒素對魚類肝臟的毒 理學(xué) 效應(yīng). 中國 環(huán)境 科學(xué) [J],2002,22(1):67-70

[5] Ueno Y, Nagata S, Tsutsumi T, et al. Detection of microcystins, a blue-green algal hepatotoxins, in drinking water sampled in Haimen and Fusui, endemic areas of primary liver cancer in china, by highly sensitive immunoassay. Carcinogenesis[J],1996,17:1317-1321

[6] Lambert T W, Holmes C F B, Hrudey S E. Microcystin class of toxins: health effects and safety of drinking water supplies. Environ Rev[J],1994,2:167-186

[7] 董傳輝,俞順章,陳剛等.江蘇幾個地區(qū)與某湖周圍水廠不同類型水微囊藻毒素調(diào)查.環(huán)境與健康雜志[J], 1998,15(3):111-113

[8] 朱光燦,呂錫武.去除藻毒素的水處理技術(shù)進(jìn)展.中國給水排水[J], 2003,19(8):36-39

[9] 朱光燦,呂錫武.不同流態(tài)生物膜反應(yīng)器對微囊藻毒素的降解特性.中國環(huán)境科學(xué)[J],2003,23(3):267-271

[10] Jones G J, Bourne D G, Robert L, et al. Degradation of the cyanobacterial hepatotoxin microcystin by aquatic bacteria. Natural Toxins[J],1994,2:228-235

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