苑寶玲 典久輝
(中科院生態環境研究中心水環境國家重點實驗室，北京 100085)

前　言：

　　高鐵酸鹽作為一種新型的水處理劑，是鐵的六價存在形態，在水中具有極強的氧化性和高效混凝與助凝作用。其在標準狀態下的氧化勢(E°)高達2.20V，甚至高于臭氧(E°=2.07V)。過去的生產實驗研究已經表明高鐵酸鹽可有效去除水中的過剩藻類，而且具有見效快、無殘留毒性和不對飲用水造成二次污染等突出優點[29]。但其對藻類去除的氧化絮凝機制還欠研究，本文將從高鐵酸鹽氧化絮凝后藻類生長溶解氧的變化、藻類生長方式的影響、高鐵氧化還原產物對藻類物質的凝聚沉淀作用和絮凝、沉淀過程中藻類的絮凝形態來闡述高鐵酸鹽去除藻類的作用機制，為解決飲用水除藻問題提供科學依據。

研究方法：

　　燒杯攪拌試驗在JTZ1-6混凝試驗攪拌器上進行。將含藻水轉移至一系列500ml的玻璃燒杯中，依次投加不同量的高鐵酸鉀進行氧化絮凝，以250r/min的轉速快攪1min，以150r/min的轉速攪拌2min，然后以50r/min的轉速慢攪30min，靜置沉淀1h。取上清液250ml，分別盛于250ml有塞的溶解氧瓶中，靜置于是朝陽的窗臺上，室內溫度在20～30℃之間，每天早上8:30和下午3:30各測一次溶解氧。以觀其光合作用和呼吸作用的綜合結果，并以此來判斷殺菌效果。光學顯微鏡、掃描電鏡觀察處理前后藻類形態的變化。通過測定Zeta電位來考察高鐵的強化絮凝作用。
　　Orion Model 862A溶解氧測定儀、Philip Bird JTZ-6攪拌器。JS94F型微電泳儀。
　　水樣中藻類種類主要為顫藻、小球藻。

結果與討論：

　　1.從溶解氧變化考察高鐵酸鹽對藻類的去除效能
　　正常藻類是水體中的初級生產者，白天進行光合作用，釋放出氧氣，夜晚進行呼吸作用，消耗氧氣，通過測定白天和夜晚產生溶解氧量的差異，可以正確判斷殺藻效果。投加高鐵氧化絮凝，隨著高鐵投加量的增加，氧化性增強，大部分藻類被殺死，殘留活藻的數量減少，當高鐵濃度為80mg/L、120mg/L、160mg/L時殺藻效果好，靜置4天后，水中的溶解氧下降至最低點，且早晚溶解氧差值趨于零，明顯殺死了大量的藻類，達到了良好的殺藻效果(如圖1)。
　　2.高鐵酸鹽氧化絮凝對藻類生長方式的影響
　　除藻試驗中，顯微鏡觀察藻類發現，原水中的優勢藻種為顫藻(如圖2)，其次為小球藻。經過高鐵酸鹽預氧化絮凝、沉淀后，小球藻幾乎全部被去除，這與小球藻比重大，細胞密度小，易于通過單純PAC混凝去除的現象是相一致的。顫藻在經過高鐵酸鹽預氧化絮凝后出現斷裂現象，一根細長藻絲被斷裂成幾小段，擾亂了藻類正常的段殖體縊段生長方式，使其繁殖受到影響，從而達到除藻的作用。
　　3.高鐵酸鹽氧化絮凝藻類的掃描電鏡研究
　　采用實驗室人工培養藻液，對高鐵酸鹽氧化絮凝過程中和沉淀后的藻類進行掃描電鏡分析。由圖3可以看出，在處理過程中桿狀的顫藻互相交織在一起構成支架，絮體黏附在支架上，在絮凝過程中將大量的小球藻網撲在交聯的支架上。從沉淀物的SEM分析可知，大量的小球藻被包夾在支架絮團中，顫藻又交織在絮團與絮團之間，隨著絮團共沉淀下來。與以往研究的單純PAC絮凝比較，高鐵的作用機制是增強了顫藻的交聯性和加劇小球藻的收縮聚集作用。對于高鐵是否侵蝕藻類細胞壁，破壞了藻類細胞的完整性還有待通過透射電鏡的進一步分析。
　　4.高鐵酸鹽氧化絮凝藻類過程中凝聚沉淀作用
　　Zeta電位反映帶電粒子的電荷特性和穩定性。Zeta電位越高，膠體越穩定。含藻水形成的濁度多為有機質，耗氧量高，電動電位(ζ)高，且有較高的穩定性，混凝時需投加較多的混凝劑。實驗所用的含藻水的Zeta電位在-10～-20mV，穩定性很高，很難去除。實驗對比了PAC和高鐵酸鹽去除藻類過程中對其Zeta電位和除濁效能的差異。從圖4可以看出，單純使用PAC去除藻類，當PAC投加量達到時，電動電位為-7.6mV。但是當投加少量的高鐵酸鹽進行預氧化，PAC投加60mg/L，絮凝效果大大改善，絮體的電中的能力加強(如圖5)。而且隨著高鐵投加量的增大，帶負電的藻類越來越多的被中和，當高鐵投加量增加到1.2mg/L，藻類去除率達到96%，電動電位值為-1.7mV。這可能是由于高鐵的還原產物Fe³⁺、Fe(OH)₃作為晶核，吸引帶負電的藻類，使其脫穩，從而導致去除率的提高和電動電位的趨零。

結　論：

　　本文從四個方面研究了高鐵酸鹽氧化絮凝去除藻類的作用機制。得出以下結論：從藻類溶解氧變化可以看出，大部分的藻類被高鐵的強氧化性殺死，導致處理后的藻類在幾天的觀察中早晚的溶解氧變化值趨于零。從光學顯微鏡觀察可以看出，高鐵氧化直接導致了藻類細胞的斷裂，影響了顫藻的正常段殖值繁殖方式，從而達到去除藻類的作用。從掃描電鏡觀察可以看出，高鐵的強氧化性和還原產物的強大絮凝作用，使小球藻收縮聚集成團，細長的顫藻之間交聯成絮體支架，網撲小球藻，從而達到共沉淀的去除藻類的作用。從高藻水Zeta電位的變化可以看出，高鐵的還原產物產生明顯強化了PAC的絮凝效果，使穩定性高的藻類脫穩，隨著絮體沉降去除，Zeta電位趨于零。