牛璐瑤，方月英，官澤玉，李 弈，梁家淑，劉洪波,*

(1.上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；2. 蘇州工業(yè)園區(qū)清源華衍水務(wù)有限公司， 江蘇蘇州 215021)

水體富營(yíng)養(yǎng)化是世界關(guān)注的熱點(diǎn)環(huán)境問題，我國(guó)許多飲用水水源地存在富營(yíng)養(yǎng)化風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。水體富營(yíng)養(yǎng)化主要發(fā)生在夏季，經(jīng)常出現(xiàn)在水庫(kù)和湖泊中，引起藍(lán)藻水華泛濫，其中銅綠微囊藻、水華微囊藻等占藍(lán)藻的90%以上[3]。藍(lán)藻顆粒帶有電荷，且表面易被藻類代謝物(如碳水化合物、肽和有機(jī)酸等)吸附，增加其負(fù)電性，影響混凝效果，致使水廠的出水水質(zhì)變差[4-5]。飲用水廠處理水源水的常規(guī)工藝主要是預(yù)氧化+混凝沉淀，預(yù)氧化使用臭氧居多，但臭氧會(huì)與藻類代謝物反應(yīng)生成嗅味物質(zhì)及有致癌作用的含氮消毒副產(chǎn)物，不僅給消費(fèi)者帶來感官不適，亦會(huì)影響身體健康[6-7]。因此，如何去除藻細(xì)胞減少藻類代謝物的生成，如何提升飲用水水質(zhì)是研究者持續(xù)努力的方向。

高錳酸鉀(KMnO4)是一種相對(duì)溫和的氧化劑，不僅使用方便，相對(duì)于其他如臭氧、次氯酸鈉、二氧化氯等氧化劑產(chǎn)生的副產(chǎn)物也較少。研究發(fā)現(xiàn)，由于KMnO4氧化過程中產(chǎn)生的二氧化錳有吸附能力，有助于水體中大分子物質(zhì)的混凝沉淀[8]。此外，KMnO4能抑制藻細(xì)胞活性，有利于后續(xù)的工藝處理[9]。但KMnO4的過量投加會(huì)破壞藻細(xì)胞，釋放大量胞內(nèi)有機(jī)物，影響混凝過程并增大消毒副產(chǎn)物的形成潛力[10]。張龍等[11]發(fā)現(xiàn)，KMnO4會(huì)使藻細(xì)胞的表面電位先降后升，顆粒狀的MnO2附著在藻細(xì)胞表面會(huì)增加混凝效果；李多等[12]發(fā)現(xiàn)，KMnO4預(yù)氧化可以減少消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生，并達(dá)到去濁的目的；Li等[13]認(rèn)為，去除原水中的藻類時(shí)，投加合適劑量的氧化劑對(duì)控制嗅味化合物十分重要。

顯微鏡計(jì)數(shù)法為測(cè)定藻類濃度的傳統(tǒng)方法，該方法測(cè)定過程復(fù)雜且無法原位確定水體中的藻類數(shù)量。在短時(shí)間內(nèi)快速準(zhǔn)確地檢測(cè)藻類濃度不僅可節(jié)省人力物力，更能增加試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。藻藍(lán)蛋白可作為藻細(xì)胞釋放嗅味物質(zhì)(二甲基異莰醇、土臭素)和藻毒素的替代物，快速測(cè)定藻藍(lán)蛋白，可更好地優(yōu)化氧化劑劑量，從而去除水體中的有機(jī)物[14]。

本研究選擇藍(lán)藻的主要代表銅綠微囊藻，利用新型檢測(cè)設(shè)備及三維熒光光譜儀，分析高錳酸鉀預(yù)氧化耦合混凝過程中投加量和反應(yīng)時(shí)間的影響，探究不同因素對(duì)藻類及類蛋白物質(zhì)的去除效果，快速監(jiān)測(cè)水體中的水質(zhì)變化，以期為指導(dǎo)實(shí)際飲用水廠工藝優(yōu)化及降低處理成本提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

儀器：恒溫磁力攪拌器(HJ-6，白塔新寶儀器)、三維熒光光譜儀(F-7000，日立高新技術(shù))、藻類分析儀(PhycoLA，德國(guó)BBE)、便攜式濁度儀(HACH 2100P型，美國(guó)哈希)。

試劑：高錳酸鉀(KMnO4，分析純)、聚合氯化鋁(PAC，分析純)、硫代硫酸鈉(分析純)；銅綠微囊藻購(gòu)自中國(guó)科學(xué)院水生生物研究所(FACHB-315)，選擇BG11培養(yǎng)基在智能人工培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，培養(yǎng)溫度為(25±1)℃，光暗比為12 h/12 h，光照強(qiáng)度為3 500 Lux。

1.2 試驗(yàn)方法

通過熒光檢測(cè)方法分析藻類及有機(jī)物，采用德國(guó)BBE公司的藻類分析儀PhycoLA測(cè)定藻類及藻藍(lán)蛋白濃度，使用三維熒光光譜儀測(cè)定類蛋白物質(zhì)。PhycoLA的使用溫度為5～35 ℃，熒光檢測(cè)范圍是0～100 mg/L，檢測(cè)精度為0.01 mg/L。通過分析650 nm處熒光信號(hào)可得出藻細(xì)胞釋放出來的藻藍(lán)蛋白濃度，具有在線快速檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)。

三維熒光光譜儀(3D-EEMs)設(shè)定條件：激發(fā)波長(zhǎng)(Ex)為200～500 nm，發(fā)射波長(zhǎng)(Em)為250～550 nm，掃描間隔均為5 nm，掃描速度為12 000 nm/min。將超純水(18.25 MΩ·cm)檢測(cè)值作為空白值校正儀器條件和拉曼散射的影響。根據(jù)Chen等[15]提出的熒光體積積分法(FRI)，對(duì)三維熒光光譜各區(qū)域定量積分，通過OriginPro2017繪制三維熒光光譜圖，利用Jupyter Notebook計(jì)算類蛋白熒光區(qū)域的積分體積。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

1.3.1 KMnO4預(yù)氧化試驗(yàn)

經(jīng)藻類分析儀PhycoLA長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際水體中藻類濃度高達(dá)87 μg/L，故將培養(yǎng)至穩(wěn)定期的銅綠微囊藻以超純水稀釋配置成(80±1)μg/L的樣品，隨后投加0.5、1.0、2.0、4.0 mg/L的KMnO4進(jìn)行氧化反應(yīng)，控制磁力攪拌器以60 r/min低速攪拌，反應(yīng)一定時(shí)間后，使用過量硫代硫酸鈉將氧化劑猝滅，之后取樣分析藻類和藻藍(lán)蛋白濃度。

1.3.2 KMnO4預(yù)氧化耦合混凝試驗(yàn)

在配置好的樣品中分別投加0.5、1.0、2.0、4.0 mg/L KMnO4，分別在反應(yīng)一定時(shí)間之后投加20 mg/L PAC進(jìn)行絮凝試驗(yàn)，以120 r/min快速攪拌5 min，再以60 r/min慢速攪拌15 min，靜置1 h后取上清液測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 高錳酸鉀預(yù)氧化

2.1.1 KMnO4預(yù)氧化對(duì)藻類的影響

通過測(cè)定KMnO4氧化前后的藻類濃度，研究KMnO4投加量在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)藻類的去除效果，結(jié)果如圖1所示。藻類濃度隨KMnO4投加量的增加而減小，隨反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而減小。0.5 mg/L KMnO4反應(yīng)5 min對(duì)藻類的去除率為16.18%，反應(yīng)30 min對(duì)藻類的去除率為20.43%；4.0 mg/L KMnO4反應(yīng)5 min對(duì)藻類的去除率為34.26%，反應(yīng)30 min對(duì)藻類的去除率為38.46%。說明低濃度的KMnO4對(duì)藻類的氧化效果較差，細(xì)胞結(jié)構(gòu)基本保持完整；高濃度(4.0 mg/L)的KMnO4能夠破壞藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)釋放胞內(nèi)物質(zhì)，這與李春梅等[16]的研究結(jié)果一致。但KMnO4并不能完全去除藻類，即使延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，其對(duì)藻類的去除亦沒有太大變化。

圖1 KMnO4預(yù)氧化對(duì)藻類去除的影響Fig.1 Effect of Potassium Permanganate Preoxidation on Algae Removal

2.1.2 KMnO4預(yù)氧化對(duì)藻藍(lán)蛋白的影響

圖2是KMnO4投加量對(duì)藻藍(lán)蛋白的去除效果，藻藍(lán)蛋白隨著反應(yīng)進(jìn)行呈現(xiàn)降低-升高-降低的趨勢(shì)。原水中藻藍(lán)蛋白初始濃度為57.36 μg/L，預(yù)氧化反應(yīng)5 min，藻藍(lán)蛋白濃度大幅下降，KMnO4投加量為0.5 mg/L時(shí)藻藍(lán)蛋白濃度為51.39 μg/L，KMnO4投加量為4.0 mg/L 時(shí)藻藍(lán)蛋白濃度為46.63 μg/L，去除率約在10%～20%。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，KMnO4刺激藻細(xì)胞分泌藻藍(lán)蛋白，藻藍(lán)蛋白濃度開始升高。低濃度KMnO4(0.5、1.0 mg/L)氧化反應(yīng)15 min時(shí)，藻藍(lán)蛋白濃度升到最高，分別為56.10 μg/L和54.03 μg/L，隨后藻藍(lán)蛋白被剩余的KMnO4氧化降解。高濃度KMnO4(2.0、4.0 mg/L)條件下，充足的氧化劑對(duì)藻藍(lán)蛋白的氧化速率提高，但前期KMnO4的快速消耗使得反應(yīng)后期無多余的KMnO4去除藻藍(lán)蛋白，反應(yīng)15 min達(dá)到平衡，此時(shí)藻藍(lán)蛋白分泌速率等于KMnO4的氧化速率。圖2表明單獨(dú)的高錳酸鉀預(yù)氧化并不能有效去除藻藍(lán)蛋白，即使用最高的KMnO4劑量，去除率也僅為15%。

圖2 KMnO4預(yù)氧化對(duì)藻藍(lán)蛋白去除的影響Fig.2 Effect of Potassium Permanganate Preoxidation on Phycocyanin Removal

2.2 高錳酸鉀耦合混凝

2.2.1 KMnO4預(yù)氧化耦合混凝去除藻類的影響

圖3為不同條件下KMnO4預(yù)氧化耦合混凝對(duì)藻類的去除效果。反應(yīng)30 min內(nèi)，隨著KMnO4預(yù)氧化時(shí)間的延長(zhǎng)，混凝對(duì)藻類的去除效果越來越好；在預(yù)氧化反應(yīng)30 min時(shí)，投入混凝劑可最大程度地去除藻類；但預(yù)氧化30 min后，藻類濃度趨于穩(wěn)定。KMnO4在中性條件下被還原為MnO2，具有比表面積大、吸附點(diǎn)位多的特點(diǎn)[17]，MnO2能夠附著在藻細(xì)胞表面，增加了藻類比重，強(qiáng)化了混凝效果[18]。但混凝去除藻類的效果并不隨著KMnO4投加量的增加而增大，0.5 mg/L和4 mg/L KMnO4耦合混凝去除82%的銅綠微囊藻，然而1 mg/L和2 mg/L KMnO4耦合混凝對(duì)藻類的去除率可達(dá)86%。高濃度(4 mg/L)KMnO4破壞藻細(xì)胞，釋放大量胞內(nèi)有機(jī)物阻礙混凝。喬俊蓮等[19]進(jìn)行銅綠微囊藻混凝試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，高濃度的有機(jī)物不利于混凝，有機(jī)物會(huì)優(yōu)先與混凝劑結(jié)合，有機(jī)物降至一定濃度后，PAC才會(huì)吸附到藻類表面發(fā)揮絮凝。圖4為不同KMnO4投加量預(yù)氧化30 min對(duì)濁度的去除，隨著KMnO4投加量的增加，濁度去除率呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。KMnO4投加量為1 mg/L時(shí)，濁度的去除率最大為60.19%，繼續(xù)投加KMnO4，水體呈現(xiàn)紫紅色，形成過多的MnO2懸浮于水體中，增加了水體的濁度，濁度去除率開始下降。

圖3 KMnO4預(yù)氧化耦合混凝對(duì)藻類去除的影響Fig.3 Effect of Potassium Permanganate Preoxidation and Coupled Coagulation on Algae Removal

圖4 KMnO4投加量對(duì)濁度去除率的影響Fig.4 Effect of Potassium Permanganate Dosage on Turbidity Removal Rate

2.2.2 KMnO4預(yù)氧化耦合混凝去除藻藍(lán)蛋白的影響

KMnO4預(yù)氧化耦合混凝對(duì)藻藍(lán)蛋白的去除效果如圖5所示。在反應(yīng)前30 min，隨著KMnO4投加量及預(yù)氧化時(shí)間的增多，耦合混凝后對(duì)藻藍(lán)蛋白的去除率不斷增大；反應(yīng)30 min時(shí)，藻藍(lán)蛋白濃度由原水中的57.36 μg/L下降至14.34 μg/L，且1.0、2.0 mg/L和4.0 mg/L KMnO4預(yù)反應(yīng)30 min時(shí)，對(duì)藻藍(lán)蛋白的去除率均為75%；此后延長(zhǎng)預(yù)氧化時(shí)間，藻藍(lán)蛋白濃度已趨于穩(wěn)定。對(duì)比單獨(dú)KMnO4預(yù)氧化對(duì)藻藍(lán)蛋白的去除率僅為15%，混凝工藝能夠很好地去除水體中的藻藍(lán)蛋白。因此，綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本，用水安全，以及KMnO4預(yù)氧化耦合混凝對(duì)藻類、濁度及藻藍(lán)蛋白的去除結(jié)果后得出，1 mg/L KMnO4預(yù)氧化30 min時(shí)投加混凝劑可達(dá)到最優(yōu)處理效果。

圖5 KMnO4預(yù)氧化耦合混凝對(duì)藻藍(lán)蛋白去除的影響Fig.5 Effect of Potassium Permanganate Preoxidation and Coupled Coagulation on Phycocyanin Removal

2.2.3 KMnO4預(yù)氧化耦合混凝去除類蛋白物質(zhì)的影響

圖6 原水中銅綠微囊藻三維熒光光譜圖Fig.6 Three-Dimensional Fluorescence Spectrum of Microcystis aeruginosa in Raw Water

為探究水中有色溶解性有機(jī)物的組成，利用三維熒光光譜儀得出原水中的熒光組分如圖6所示。原水中主要的熒光組分為兩部分，熒光中心A區(qū)(280 nm/345 nm)附近和B區(qū)(230 nm/345 nm)附近。據(jù)前人研究[20]，A區(qū)與大分子類蛋白有關(guān)，主要為可溶性微生物產(chǎn)物，如蛋白、輔酶、小分子有機(jī)酸等；B區(qū)與小分子類蛋白有關(guān)，如色氨酸、酪氨酸。根據(jù)熒光強(qiáng)度及區(qū)域體積積分，原水中小分子類蛋白濃度高于可溶性微生物產(chǎn)物。類蛋白物質(zhì)為水體中消毒副產(chǎn)物的主要前體物，故控制類蛋白物質(zhì)含量，研究水處理工藝對(duì)類蛋白物質(zhì)的去除效果，對(duì)降低運(yùn)營(yíng)成本、保障飲用水安全具有重大意義。

圖7為混凝對(duì)類蛋白物質(zhì)的去除效果。1 mg/L KMnO4預(yù)氧化30 min后，投加20 mg/L PAC進(jìn)行絮凝試驗(yàn)。由圖7可知：KMnO4預(yù)氧化耦合混凝對(duì)類蛋白物質(zhì)的去除效果優(yōu)于單獨(dú)KMnO4預(yù)氧化；單獨(dú)預(yù)氧化對(duì)類蛋白物質(zhì)的去除率為14.8%，KMnO4預(yù)氧化耦合混凝對(duì)類蛋白的去除率為32.77%。說明，高錳酸鉀和混凝等常規(guī)處理工藝對(duì)有色溶解性有機(jī)物的去除效果并不好。

圖7 KMnO4預(yù)氧化耦合混凝對(duì)類蛋白物質(zhì)去除的影響Fig.7 Effect of Potassium Permanganate Preoxidation and Coupled Coagulation on Proteinoid Substances Removal

3 結(jié)論

(1)單獨(dú)高錳酸鉀預(yù)氧化對(duì)藻類和藻藍(lán)蛋白的去除效果較差，去除率分別為38.46%和15%；高錳酸鉀耦合混凝可大大提高對(duì)藻類和藻藍(lán)蛋白的去除效果，去除率分別為86%和75%。

(2)當(dāng)KMnO4投加量超過2 mg/L時(shí)，破壞藻細(xì)胞結(jié)構(gòu)釋放有機(jī)物會(huì)阻礙混凝效果；當(dāng)KMnO4投加量超過1 mg/L時(shí)，繼續(xù)增加KMnO4投加量會(huì)使水體呈現(xiàn)紫紅色并影響濁度去除。

(3)銅綠微囊藻的主要熒光組分為類蛋白物質(zhì)，如類色氨酸、類酪氨酸和可溶性微生物產(chǎn)物。KMnO4預(yù)氧化耦合混凝對(duì)類蛋白物質(zhì)的去除效果優(yōu)于KMnO4單獨(dú)氧化反應(yīng)，但對(duì)其的去除率并不高，僅為32.77%。

(4)綜合考慮實(shí)際水處理工藝情況，為保證水質(zhì)安全，降低經(jīng)濟(jì)成本，1 mg/L KMnO4預(yù)氧化30 min后投加混凝劑，能夠最大程度地去除藻類及藻藍(lán)蛋白，但常規(guī)處理工藝對(duì)類蛋白物質(zhì)的去除效果并不好。