余冉¹，呂錫武¹，稻森悠平²
（1.東南大學環境工程系，江蘇南京210096；2.日本國立環境研究所，日本筑波　305-0053)

　　摘　要：用生物接觸氧化法預處理富營養化太湖原水的研究結果表明，該工藝可有效去除原水中85.9%的細胞外藻毒素和84.0%的總藻毒素，對細胞外Microcystin-RR(MRR)和Microcystin-LR(MLR)的去除率分別為81.7%和86.7%，對總MRR和M-LR的去除率分別為80.5%和71.5%，從而可大量節省常規工藝的加藥、加氯量，減輕濾池工作負荷，提高出廠水的衛生安全性。
　　關鍵詞：富營養化；藍藻；藻毒素；生物接觸氧化?
　　中圖分類號：X505
　　文獻標識碼：A
　　文章編號：1000-4602(2002)12

Use of Biological Contact Oxidation Process for Pretreatment of Algae and Microcystine in Water
YU Ran¹,LV Xi-wu¹,Yuhei Inamori²?

( 1.Dept of Environmental Engineering,　Southeast University, Nanjing 210096,China; 2.National Institute for Environmental Studies, Tsukuba 305-0053,Japan)

　　Abstract：Study was made on the use of biological contact oxidation process for pretreatment of eutrophic water in Taihu Lake.The result showed that the process can effectively remove 85.9% of extracellular microcystins and 84.0% of total microcystins from raw water. The removal rate of extracellular Microcystin-RR (M-RR) and Mic recystin-LR (M-LR) can reach 81.7% and 86.7% respectively;　the removal rate of to tal M-RR and total M-LR is 80.5% and 71.5% respectively,and thus saving a lot of chemical and chlorine dosage,reducing the working load of filter,and improving the safety of finished water.?
　　Keywords:eutrophication;blue-green algae;microcystin;biological contact oxidation

1　材料與方法

1.1 原水水質與試驗流程
　　試驗在太湖邊某城市水廠進行。原水直接取自與太湖相連通的一個小湖灣，試驗期間原水水質見表1。
　　采用三級生物接觸氧化工藝(各級反應柱尺寸相同)，其流程見圖1。

表1　試驗期間原水水質 水質指標濁度（NTU） NH₃-N(mg/L) NO₂^--N(mg/L) COD Mn(mg/L) 數值 15～112 0.21～8.27 0.005～0.509 6.08～13.2

　　在驗證多級生物反應器處理原水的優越性以及比較氣水流向對處理效果影響的同時研究了相同條件下單級氣水逆向反應器和單級氣水同向反應器對富營養化原水的處理效果。?

1.2　主要測定項目及方法
　　以高效液相色譜法(HPLC)測定水中具有代表意義的MRR、MYR、MLR3種毒素，并采用酶聯免疫吸附法測定細胞外藻毒素和總藻毒素(即細胞外毒素和細胞內藻毒素之和)。用計數板顯微計數法測定總藻數。由于葉綠素a(Chla)常被作為浮游植物量的指標和計算浮游植物產量的參數，故以此項指標作為藻濃度的參考值(用分光光度法測定水中的Chla)。

2　結果與討論

2.1　掛膜培養
　　自2001年6月5日開始向反應柱進水。初期每隔12h置換柱內2/3體積的水。掛膜期間保持各反應柱內有充足的溶解氧，進水一周后發現多級生物反應柱的一級柱填料上已附有明顯的棕褐色生物膜，但二級柱填料上的生物膜明顯較少、生物膜顏色也較淡，而三級柱填料上的生物膜更少。自6月15日開始連續進水，控制HRT為3h左右，至7月5日各反應柱掛膜基本完成，此時對氨氮的去除率＞80%，對CODMn去除率＞20%。掛膜期間水溫為24～31℃。
2.2　不同HRT條件下去除效果的比較
　　由自吸泵從太湖中直接將水打入高位水箱，保持各柱中有充足的溶解氧。試驗期間水溫為25～32℃，pH值為7.8～8.4。在各工況穩定運行一周后開始取樣分析，其中多級生物反應器的各級去除率按累計去除率計算。?
2.2.1 對常規指標的去除率比較
　　試驗中發現在同樣的HRT條件下，三級生物接觸氧化反應器去除NH₃-N和NO₂^--N的效率比單級反應器高，兩種流向的各單級反應器的處理效果則差別不大。當HRT＞1.5h時對NH₃-N的去除率＞90%，對NO₂^--N的去除率＞95.3%。多級生物反應器對CODMn的去除效率優于單級生物反應器，并且隨著HRT的延長對CODMn的去除率逐漸增加，但增幅不大。單級逆流生物反應器去除CODMn的效果與單級同向生物反應器相近，但二者對CODMn的去除率均不高。在HRT為5h時，多級生物反應器對CODMn的去除率僅為32.5%。?
2.2.2 對藻類與Chla的去除率比較
　　多級和單級生物反應器對藻類和Chla去除率的比較見表2。

表2　對Chla與藻類去除效果的比較 項目 HRT=1.5h HRT=2h HRT=3 h Chla 總藻數 Chla 總藻數 Chla 總藻數 濃度(mg/L) 去除率(%) 濃度(10⁶個/L) 去除率(%) 濃度(mg/L) 去除率(%) 濃度(10⁶個/L) 去除率(%) 濃度(mg/L) 去除率(%) 濃度(10⁶個/L) 去除率(%) 原水 0.058 　 24.0 　 0.087 　 75.7 　 0.111 　 56.3 　 一級 0.040 31.0 9.79 59.2 0.026 70.1 8.75 88.4 0.036 67.6 9.09 83.9 二級 0.031 46.6 6.23 74.0 0.021 75.9 9.48 87.5 0.056 49.5 8.68 84.6 三級 0.031 46.6 4.90 79.6 0.017 80.5 6.10 91.9 0.025 77.5 5.75 89.8 逆向 0.023 60.3 6.00 75.0 0.020 77.0 10.9 85.6 0.025 77.5 5.66 90.0 同向 0.020 65.5 8.46 64.8 0.025 71.3 10.9 85.6 0.031 72.1 6.76 88.0

　　由表2可見，HRT＞1.5h時對Chla的去除率基本穩定在77.5%以上。生物反應器對藻類(主要是藍藻)的去除效果良好，最低也可達到64.8%的去除率。多級生物反應器對Chla和藻類的處理效果優于單級生物反應器。
2.2.3 對藻毒素的去除率比較
　　藻毒素一般存在于藻細胞體內，只有當藻細胞死亡、破裂后藻毒素才溶出。由于試驗是按HRT遞減的順序進行水樣處理與檢測，故經歷了藍藻暴發性生長的整個過程。從試驗結果可以看出，在藍藻暴發性生長的前期到中期細胞外藻毒素只占總藻毒素濃度的35.6%，但到藍藻暴發性生長的后期則可占到毒素濃度的65.6%以上。
　　雖然試驗用水取自富營養化太湖水，其水質處于不斷變化之中，但多級生物反應器對細胞外藻毒素和總藻毒素的去除率和處理穩定性均優于單級生物反應器。當HRT≥2h時對細胞外藻毒素的去除率＞85.9%，對總藻毒素的去除率＞84%，但隨著HRT的繼續增加，對藻毒素去除率增加的趨勢已不明顯。
　　在多級生物反應器中第一級對藻毒素去除的貢獻最大；第二級對藻毒素的處理效率較穩定，一般可去除12.0%～25.6%的細胞外藻毒素和10.9%～14.4%的總藻毒素；第三級則是多級生物 反應器具有良好、穩定的藻毒素去除效率的最后保證。
2.2.4　對MRR、MYR、MLR去除率的比較
　　MRR、MYR和MLR是富營養化水體中較常見的三種微囊藻毒素，可通過HPLC法測定其濃度。
　　測定結果表明：
　?、僭械腗YR濃度一般低于HPLC的檢測范圍，故不對其加以討論。
　?、谠谒{藻暴發性生長的前期，水中細胞外MLR和總MLR的濃度均明顯高于藍藻暴發性生長中、后期的MLR濃度。細胞外MRR的濃度在藍藻暴發性生長期間的變化不大，但總MRR的濃度在藍藻暴發性生長中期最高。同時MLR在藍藻暴發性生長的前期，其濃度 明顯高于MRR；但到藍藻暴發性生長的中、后期，其濃度與MRR的濃度相近。
　?、廴壣锝佑|氧化反應器對細胞外和總的MRR、MLR有良好的去除效果，當HRT為4h和5h時出水中已檢測不出細胞外的MRR與MLR。各級反應器對這兩種藻毒素的去除都能起到較明顯的作用，效果也較穩定，對藻毒素的去除率隨著HRT的增加而不斷提高。當HRT為2h時對細胞外的MRR和MLR的去除率就可分別達到81.7%和86.7%，對總的MRR和MLR的去除率可分別達到80.5%和71.5%；但當HRT＞2h后其去除率增加趨勢已較平穩。
　　④單級生物反應器對去除MRR和MLR的效果明顯不如多級生物反應器，并且受進水水質的影響而呈現處理效果不穩定，即使延長HRT，也不會提高對其的去除率。?
2.3　不同氣水比條件下去除效果的比較
　　根據對不同HRT下試驗結果的比較，確定了生物預處理的最佳HRT=2h，并考察了同向流三級生物反應器的各級反應柱內不同氣水比對處理效率的影響。
　　試驗期間的水溫為20～25℃，水的pH值為7.6～8.1，細胞外藻毒素濃度為0.061～0.074μg/L，總藻毒素濃度為0.063～0.107μg/L，所測DO值為各級反應柱高2/3處出水的DO值。各級反應器的氣水比與所測DO值見表3。

表3　各工況下各級反應器的氣水比與DO 項目 工況1 工況2 工況3

工況4 氣水比 DO(mg/L) 氣水比 DO(mg/L) 氣水比 DO(mg/L) 氣水比 DO(mg/L) 一級 2∶1 4.82 1∶1 0.86 1∶1 1.35 2∶1 4.63 二級 0.5∶1 3.74 1∶1 5.12 0.5∶1 5.10 0∶1 3.05 三級 0∶1 3.69 0∶1 5.60 0.5∶1 7.58 1∶1 8.32

　　氣水比對細胞外藻毒素和總藻毒素去除率的影響分別見圖2、3。?

　　由圖2～3可知：
　　①DO的變化對一級柱的細胞外藻毒素的去除率影響不大，但在二級、三級柱內隨著DO的增加，對細胞外藻毒素的去除率會有所提高。
　　②改變各生物接觸氧化反應柱中的DO值對總藻毒素去除率的變化沒有直接的 有規律的影響。?
　?、蹚目傮w看，多級生物接觸氧化反應器各柱中DO值的改變對藻毒素去除率的影響沒有明顯的規律性，故在實際操作中需根據處理情況及時調整各級反應柱的氣水比。?

3　結語?

　　 用三級生物接觸氧化工藝對富營養化原水進行生物預處理取得了良好的效果。當HRT=2h時，該工藝對NH₃-N的去除率＞94%，對NO₂^--N的去除率＞99%，對胞外藻毒素和總藻毒素的去除率分別為85.9%和84.0%，對胞外的MRR和MLR的去除率則分別達到81.7%和86.7%，對總MRR和總MLR的去除率可分別達到80.5%和71.5%。由于這些物質都不易為水廠常規處理工藝所去除，故采用三級生物接觸氧化工藝可大大提高出廠水的衛生安全性。

參考文獻：

　?。?］Lambert TW,Holmes CFB,Hrudey SE.Microcystin class of toxins:health effects and safety of drinking water supplies［J］.Environ Rev,1994,2:167-1 86.
　?。?］稻森悠平，秋元里乃.生物膜の有用微生物によるアオユの分解高度凈化［J］.水環境學會志，1994，17(9):19-23
　?。?］Linda A Lawton,Benjamin J P A Cornish,Andrew W R Macdonald.Removal of cyanobacterial toxins(microcystins)and cyanobacterial cells from drinking water using domestic waterfilter［J］.Wat Res,1998,32(3):633-638.
　　［4］呂錫武，稻森悠平，丁國際.有毒藍藻及藻毒素生物降解的初步研究［J］.中國環境科學，1999，19(2):138-140.

　　作者簡介：余冉(1977-)，女，江蘇南京人，在讀博士生，主要從事環境工程技術研究。
　　電　　話：(025)3792614(O)3793627(H)13016941246
　　E-mail:xiwulu@publicl.ptt.js.cn
　　收稿日期：2002-08-23