芬顿-混凝反应对藻类胞外有机物去除机制研究

文章探究不同反应条件下芬顿-混凝反应与铁盐(Fe2(SO4)3)混凝反应对铜绿微囊藻胞外有机物(EOM)的去除效果。结果表明,在室温,pH=3,Fe2+/H2O2摩尔比为1∶1时,EOM的去除率达到最佳。Fe2+投加量为5 mmol/L时,TOC、UV254去除率分别达到70%、34%。通过三维荧光(EEM)与分子量分布(HPSEC)分析表明,藻类EOM中主要成分是亲水性大分子多糖和蛋白质,其次是疏水性类腐殖酸物质。单独的铁盐混凝反应表明混凝过程促进了芬顿反应对EOM的去除,EOM中亲水性大分子量物质的去除率很大程度是由Fe2+氧化为Fe3+通过混凝过程贡献。此外,在芬顿反应处理EOM过程中不同时间点絮体粒径受Fe2+投加量影响较大,形成的絮体粒径越小,TOC去除率越高。

基于三维荧光光谱分析的胞外有机物组分与微囊藻毒素MC-LR的动态释放关联性研究

通过对实验室培养的铜绿微囊藻和太湖铜绿微囊藻生长代谢过程中胞外有机物(EOM)三维荧光光谱的测量,获得了铜绿微囊藻EOM的三维荧光光谱组分特征;对铜绿微囊藻EOM光谱组分的动态释放规律进行了研究,并运用皮尔逊相关性分析法分析了微囊藻毒素MC-LR与EOM光谱组分间的动态释放关联性。结果表明:铜绿微囊藻EOM三维荧光光谱中主要表现出四个较强的荧光峰,即A、C、S、T。荧光峰A、C为同一类腐殖质组分,荧光峰S、T为同一类蛋白组分,类腐殖质和类蛋白荧光组分主要来源于铜绿微囊藻细胞的同一生理代谢过程,具有基本相似的动态释放规律。对于水华暴发期的太湖铜绿微囊藻,叶绿素a浓度归一化的溶解态胞外有机物(dEOM)荧光峰S、T、A、C和结合态胞外有机物(bEOM)荧光峰D的荧光强度可以反映铜绿微囊藻细胞在不同生理状态以及环境下微囊藻毒素MC-LR的释放能力,dEOM中荧光峰S、T的归一化荧光强度可以优选为微囊藻毒素MC-LR浓度反演与预测的重要参量。

营养盐水平对念珠藻胞外有机物产生的影响

以我国湖泊典型固氮蓝藻发状念珠藻(Nostoc flagelliforme)为研究对象,考察了氮、磷营养盐对发状念珠藻生长特性及其胞外有机物产生的影响.采用藻细胞浓度计数法表征发状念珠藻生长特性;分别采用溶解性有机碳(DOC)、三维荧光光谱(EEM)和紫外-可见光谱法,从总量和主要物质方面分析了发状念珠藻胞外有机物的产生规律.结果表明,在不同氮、磷营养水平下,发状念珠藻的4个关键生长时期基本相同,氮是控制发状念珠藻生长的关键营养控制要素;氮营养元素浓度的增高,有利于发状念珠藻产生胞外有机物,其产生量逐渐增大,而磷营养元素浓度的增高对胞外有机物产生量贡献较小,氮营养盐是发状念珠藻产生胞外有机物的关键限制因子;通过EEM谱图分析,发状念珠藻胞外有机物主要以类氨基酸类物质和类富里酸物质为主.以磷为控制营养盐时,类富里酸是主要的胞外有机物之一,以氮为控制营养盐时,类富里酸产生量极低;作为主要的胞外有机物,蛋白质和碳水化合物的产生规律显著不同,其中蛋白质含量显著高于碳水化合物含量.

藻细胞内外有机物氯消毒后典型消毒副产物的生成潜能

为探究藻细胞内外有机物氯化后典型消毒副产物的生成潜能,选取小球藻为研究对象,采用加氯消毒法研究了在不同生长时期及不同氯投加量下典型含碳类消毒副产物(THMs)和含氮类卤代消毒副产物(TCNM)的生成规律,并对二者的生成势进行了对比.结果表明:细胞外有机物(EOM)和细胞内有机物(IOM)提取液的总有机碳(TOC)和有机氮(DON)较高,而芳香结构和不饱和双键的有机质质量浓度很低;从对数生长期到衰亡期,EOM经氯化后TCNM的生成量逐渐增加,IOM的TCNM生成量则呈现先增加后降低的趋势;THMs的生成规律与TCNM相似,但其生成量明显高于TCNM.增加氯投量,EOM的TCNM生成量逐渐升高,IOM的TCNM生成量则先升高后下降;在氯投量为30 mg/L时,IOM的TCNM生成量最高;稳定生长期小球藻细胞的EOM和IOM在氯投量由20 mg/L升高到30 mg/L时,THMs的生成量稳定增加,当氯投量超过30 mg/L时,THMs的生成势显著升高,且三氯甲烷为THMs的主导物种.

铜绿微囊藻的胞外有机物对不同混凝剂除藻效果的影响

为了保证水厂在高藻条件下的安全清洁供水,以分布较为广泛的铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)为研究对象,采用2种铝系混凝剂AlCl3和聚合氯化铝(polyaluminum chloride,PACl)进行烧杯混凝实验,考察混凝过程中铝形态对除藻的影响,分析铜绿微囊藻的胞外有机物(extracellular organic matters,EOM)对藻去除的影响机制。结果表明:在PACl浓度为0.04 mmol·L-1时,对藻细胞及浊度的去除率均为90%,而AlCl3摩尔浓度为0.08 mmol·L-1时,藻细胞及浊度去除率才达到90%;在制备PAC时,会水解产生大量中等聚合形态、性质稳定的Alb,在弱酸性到弱碱性的范围(pH为6~8)内,Alb对藻细胞去除率均可达到95%以上;而AlCl3只有在比较窄的pH范围内形成原位Alb,AlCl3只能在较窄的pH范围内(pH为6~6.5)保持95%藻细胞去除率。与AlCl3相比,PACl可去除更多表观分子质量为200~300 Da的胞外聚合物,同时PACl混凝后得到的絮体密实度大于AlCl3。以上结果为研究铝系混凝剂强化去除藻的胞外有机物提供了参考。

高锰酸钾对藻细胞及胞外有机物的控制效果

以假鱼腥藻(Pseudoanabaena sp.)和颤藻(Oscillatoria sp.)等蓝藻(Cyanobacteria sp.)为优势藻群的深圳石岩水库水样为对象,研究高锰酸钾在氧化过程中藻细胞活性、胞外有机物DOC浓度、胞外溶解性有机物(DOM)的荧光特性变化,以及高锰酸钾预氧化强化混凝除藻和去除有机物的效果。在荧光显微镜下观察到,低浓度(0~1.5 mg·L^(-1))高锰酸钾对藻细胞的灭杀效果并不明显。较高浓度(5 mg·L^(-1))高锰酸钾则对藻细胞结构有一定程度的破坏,藻细胞的总数减少了28%。研究发现,高锰酸钾能够氧化藻细胞使其释放胞内物质,投加1.5mg·L^(-1)后胞外2-甲基异莰醇(2-MIB)与土臭素(GSM)浓度均有所升高。在高锰酸钾氧化过程中,胞外DOC和DOM荧光总量随氧化时间的延长均呈降低-升高-降低的趋势;5 mg·L^(-1)的高锰酸钾氧化10 min时就会引起芳香性蛋白质类物质和溶解性微生物代谢产物类物质的升高。高锰酸钾能够有效强化混凝去除藻类和有机物,聚合氯化铝(PAC)最优投加量为3 mg·L^(-1),高锰酸钾最优投加量为0.6 mg·L^(-1)。

典型氢氧化细菌固碳特性种间差异及胞外有机物对固碳过程影响

化能自养细菌对全球CO_(2)固定具有重要的意义.研究了4种典型氢氧化细菌(HOB,分别是Alcaligenes hydrogenophilus DSM 2625、Pelomonas saccharophila DSM 654、Variovorax paradoxus DSM 30034和Acidovorax facilis DSM 649)的固碳特性及其种间差异性,并探究了胞外游离有机碳(EFOC)对不同种类HOB固碳效率差异性的影响.结果表明:(1)不同HOB自养培养过程中表观固碳量随时间呈显著差异性,其中,DSM 2625生长速度较快,其平均固碳量分别是DSM 654、DSM 649和DSM 30034的6.30、8.76和7.02倍.(2)不同HOB之间cbb L基因转录量与表观固碳量的相关系数为0.980(p<0.05),cbb L基因转录量是造成不同菌种之间表观固碳效率差异的关键因素.(3)HOB细胞蛋白质含量与cbb L基因丰度和转录量之间也存在显著正相关,相关系数分别为0.999(p<0.01)和0.976(p<0.05),即化能自养细菌CO_(2)同化途径所固定的有机碳进一步参与细胞蛋白质的合成,进而影响其生长速度和表观固碳效率.(4)HOB在自养培养过程中产生的EFOC对cbb L基因转录效率产生反馈抑制作用,且不同HOB之间,EFOC/TOC比例越低,表观固碳效率越高.

藻类有机物对混凝的影响研究进展

藻类有机物一直都是水处理工艺有效运行的威胁,近五年来藻类有机物组成性质上的研究成果主要体现在对各类藻种的有机物的荧光分析,荧光的平行分解,胞外有机物中不同组分的划分,分子量分析和等电位聚焦,以及官能团性质的表征。在此基础上,影响混凝的藻类有机物成分,胞内外有机物影响混凝的区别,以及蛋白质性质与混凝效果的关系等研究也取得了进展。近几年还有不少学者对预氧化的程度以及混凝剂的优化进行了探究,其研究成果提出了有效地降低藻类有机物对混凝的影响的措施。

磷对四尾栅藻代谢有机物生成规律的影响

通过改变培养基中ρ(TP),并结合TOC(总有机碳)分析、考马斯亮蓝法、蒽酮硫酸法和茚三酮法研究不同ρ(TP)对水华中常见绿藻——四尾栅藻的生长规律及其IOMs(胞内有机物)和EOMs(胞外有机物)中TOC、蛋白质、碳水化合物和氨基酸代谢规律的影响.结果表明,随着ρ(TP)的增加,四尾栅藻生长的指数期变长.ρ(TP)为0.01 mg/L时有利于四尾栅藻EOMs中碳水化合物的形成与积累,ρ(碳水化合物)在指数期达到最大,为89.25 mg/L;ρ(TP)为0.20 mg/L时则有利于四尾栅藻EOMs中氨基酸的形成,并且ρ(氨基酸)在稳定期达到最大,为13.72 mg/L.ρ(TP)为0.01 mg/L时有利于四尾栅藻IOMs中氨基酸的形成,ρ(氨基酸)在指数期达到最大值(21.85 mg/L).利用EEM(三维荧光)对四尾栅藻的EOMs和IOMs进行表征发现,ρ(TP)的改变会对四尾栅藻IOMs和EOMs中不同物质的峰强产生影响;同时,随着藻细胞的生长,ρ(TP)也会影响四尾栅藻EOMs中的物质组成.

三种典型淡水藻EOM组成特征及胞外氨基酸释放规律

通过对比分析了藻类EOM的类型和组成,探讨了藻类胞外氨基酸的释放规律.选取典型淡水藻铜绿微囊藻(Microcystis aeruginosa)、四尾栅藻(Scenedesmus quadricauda)、喙头舟形藻(Navicula rhynchocephala)为研究对象,采用三维荧光光谱-平行因子分析法(EEMs-PARAFAC)、柱前衍生高效液相色谱(HPLC)分析3种藻在生长稳定期EOM特征与胞外游离氨基酸、结合氨基酸的含量组成等差异.结果表明,藻类均可将无机氮转化为有机氮释放到水体中;3种藻EOM中总色氨酸与总酪氨酸荧光强度关系分别为铜绿微囊藻>四尾栅藻>喙头舟形藻、喙头舟形藻>四尾栅藻>铜绿微囊藻;藻胞外氨基酸中组氨酸、丙氨酸、甘氨酸及丝氨酸含量均较高,苏氨酸、精氨酸、酪氨酸含量均较低;3种藻c(DFAAs)/c(DCAAs)的比值均较低,释放的氨基酸多数以蛋白质和多肽的形式存在;铜绿微囊藻胞外有机物(EOM)中ρ(DON)、ρ(TDAAs)及氨基酸对水体中DON贡献量均为最高,分别为1.31mg/L、5.35mg/L、69.08%,因此蓝藻水华暴发可能会增加水体的氨基酸浓度,加重水体有机氮负荷.

微藻胞外聚合物与棕鞭藻絮凝效率的关系

细胞采收是微藻能源开发的关键.通过比较棕鞭藻在BG11、glu+BG11、生活污水三种环境的絮凝效率,并对AOM(Algal Organic Matter)进行组成分析,以揭示AOM特性与微藻絮凝的关系.结果表明,生活污水中微藻絮凝效率最高(96%),AOM产量最低(0.036 g/L);glu+BG11中絮凝效率最低(68%),AOM产量最高(0.109 g/L).不同环境中微藻分泌的蛋白质浓度接近,而多糖浓度的显著差异是AOM产量不同的主要原因,其中glu+BG11中AOM所含的阿拉伯糖含量大幅增加,生活污水中AOM单糖组分则以鼠李糖为主.

碱解预处理改善污泥与煤共成浆特性的研究

将污水污泥与煤粉掺混制备成浆体燃料是一种经济有效的污泥资源化方法。由于污泥中含有丰富的胞外聚合物和极强的持水性能,由其制备的污泥水煤浆往往具有很高的粘度,不利于工业应用。该文研究了Ca O对污泥有机物、持水性能、絮体结构等的影响,以及Ca O改性污泥与煤共成浆性能。研究发现,Ca O有促进污泥絮体有机物破解的作用。上清液中分子量大于5000 Da(Mn>5000 Da)的有机物含量下降,而Mn<5000 Da的含量升高。污泥颗粒的可溶性化学需氧量SCOD增加,挥发分含量VSSC降低。原污泥SCOD为16.2 mg O2/g DS,VSSC为58.19%。当加入20 wt.%Ca O处理24 h后,SCOD增加至153.6 mg O2/g DS,VSSC降为45.61%。Ca O对污泥有机物的水解作用和改性作用降低了污泥的持水性能,原污泥具有较强的持水性能,饱和持水率SMC为84.71%,当加入20%的Ca O处理24 h后,SMC降为79.10%。这都是有利于成浆的。与原污泥水煤浆相比,改性污泥水煤浆具有较低的特征粘度。原污泥水煤浆的特征粘度为1 635.3 m Pa·s,当加入20%的Ca O调理24 h后,特征粘度降为1 082.2 m Pa·s。

电活化过硫酸盐去除铜绿微囊藻的效果及机理研究

为了开发微藻及藻类有机物的高效去除技术,采用电活化过硫酸盐(EC/PS)体系处理含铜绿微囊藻的水样.通过藻细胞密度和叶绿素a含量测定以及扫描电镜观察,研究了EC/PS体系的除藻特性及影响因素;采用荧光区域积分法定量分析了除藻过程中胞内有机物(IOM)和胞外有机物(EOM)的变化特征;利用电子顺磁共振波谱仪测定了EC/PS体系中的自由基类别,并分析了EC/PS体系的除藻机理.结果表明:①在初始藻细胞密度为1.24×10^(7)~1.30×10^(7) cells/mL,电压为7 V,初始pH为6,初始PS浓度为4 mmol/L的条件下,当EC/PS体系处理60 min时,藻细胞和叶绿素a的去除率分别达90.80%和98.41%,明显优于单独EC体系和单独PS体系;当EC/PS体系处理10 min时,IOM的总荧光响应值降低了77.39%.在处理过程中,以腐殖酸类物质为主的胞内有机物会大量释放.②EC/PS体系中电化学作用对除藻的平均贡献率为54.63%;同时,除藻过程可产生大量的SO4−·和·OH,且其随处理时间的增加而增加.研究显示,EC/PS体系能有效去除铜绿微囊藻及藻类有机物,反应体系中的SO4−·和·OH发挥了重要作用.

胞外物质影响铁盐混凝除铜绿微囊藻的效能与机制

藻及其代谢产物严重威胁着饮用水质的安全.混凝是饮用水处理工艺中去除藻细胞最为重要的单元,而藻细胞的胞外有机物(EOM)是影响藻细胞脱稳和去除的重要因素.本文以铜绿微囊藻为研究对象,对比混凝对原始藻细胞和经离心去除EOM的藻细胞(裸藻)的去除效果.结果发现,在pH为6.0、7.0和8.0的条件下,铁盐混凝对裸藻细胞(去除EOM的藻细胞)的去除率比原始藻细胞分别提高了5.01%、29.24%和27.45%,证实EOM对铁盐混凝除藻具有抑制作用.此外,絮体粒径动态分析表明,在pH分别为6.0、7.0和8.0下,裸藻细胞对应的最大絮体粒径均比原始藻细胞要高.Zeta电位分析表明,裸藻比原始藻的Zeta电位更高,因此,更容易通过压缩双电层脱稳.三维荧光分析结果表明,EOM易与金属发生络合反应,生成螯合物,从而抑制混凝除藻.

二氧化氯预氧化控制藻源有机物DBPsFP的研究

以铜绿微囊藻的胞外有机物(EOM)为研究对象,研究不同条件下,二氧化氯预氧化对铜绿微囊藻胞外有机物在氯化消毒过程中消毒副产物前体物(DBPsFP)的控制规律。研究表明,随着二氧化氯投量的增加,三氯乙酸(TCAA)、三氯乙腈(TCAN)浓度先增加后减少,二氯乙腈(DCAN)浓度先减少后增加,三氯甲烷(TCM)、二氯乙酸(DCAA)、二氯丙酮(1,1-DCP)、三氯丙酮(1,1,1-TCP)浓度均持续减少,且在投加量为3 mg/L时去除效果最佳;随着pH值由5升到9,TCM浓度逐渐增加,DCAA、TCAA、DCAN、TCAN、1,1-DCP、1,1,1-TCP浓度减少,且在pH值为9时达到最小值;延长预氧化时间,TCM、1,1,1-TCP浓度有所增加,DCAA、TCAA、DCAN、1,1-DCP浓度持续减少,TCAN浓度先增加后减少,综合考虑确定最佳预氧化时间为30 min;预氧化强化混凝工艺可有效减少消毒副产物前体物,在混凝剂硫酸铝溶液投量为50 mg/L时,7种DBPs浓度均达到最小值。

高锰酸钾预氧化强化混凝去除绿藻的研究

以小球藻为对象,研究不同高锰酸钾投加量下小球藻胞外有机物分子量的分布、Zeta电位和胞外有机物浓度变化,并观察细胞结构,探讨预氧化强化混凝的机理.研究发现,当高锰酸钾浓度≤2mg·L-1时,氧化前后藻液中的有机物组成基本不变,胞外分泌物(EOM)部分被氧化;在预氧化初期,EOM在高锰酸钾诱导下释放,胞外有机物浓度升高;藻的表面电位先下降后上升,藻活性由于高锰酸钾氧化受到抑制,但藻细胞结构保持完整,氧化后生成的MnO2附着在藻细胞表面,增加了藻细胞的比重,有利于后续的混凝沉降除藻.高锰酸钾浓度≥3mg·L-1时,细胞壁被破坏,藻液中出现大分子的有机物,胞外有机物浓度上升,Zeta电位下降,这些都不利于后续的混凝除藻.结果表明,当高锰酸钾投加量为2mg·L-1,预氧化1h后,PAC投加量为40mg·L-1时,除藻效率达到92%,去除效果远好于直接混凝除藻.

钙离子对混凝去除水体中铜绿微囊藻的影响

以铜绿微囊藻为对象,研究了钙离子对聚合氯化铝(polyaluminumchloride,PAC)混凝沉淀藻细胞的影响及其可能的机理。结果表明,添加钙离子对PAC混凝去除模拟水样藻细胞和浊度均具有促进作用。在PAC摩尔浓度较低时(0.02 mmol·L^(-1)),最高可将除藻率和除浊率分别提高66.4%和76.8%。三维荧光及总溶解性有机碳(total(dissolved organirc carbon,TDOC)分析表明钙离子对去除水中溶解性胞外有机物(dissolved extracellular organic matter,dEOM)没有显著作用。利用Zeta电位和絮体形态对其影响混凝除藻效果的可能机理进行探究,发现钙离子能通过压缩双电层和吸附电中和提高藻细胞表面的Zeta电位,从而促进胶体脱稳凝聚。推测钙离子通过与铜绿微囊藻表面的黏附型胞外有机物(bound extracellular organic matter,bEOM)发生阳离子架桥作用促进藻细胞脱稳混凝沉淀。钙离子能够促进铜绿微囊藻脱稳,但是絮体粒径、强度、恢复能力的主要影响因素还是PAC摩尔浓度。

预氯化含蓝藻水过程中AOC变化规律及作用机理

以铜绿微囊藻为研究对象,研究了预氯化含蓝藻水过程中可同化有机碳(AOC)的变化规律及作用机理。结果表明:氯可以快速提高含蓝藻水的AOC浓度,当氯投量为3 mg/L、氧化时间为30 s时,AOC浓度增加至592.0μg/mg TOC,AOC呈现先迅速增加后逐渐降低的趋势。氧化过程中藻细胞完整率不断下降直至1%以下,DOC由0.47 mg/L增加到0.99 mg/L,同时钾离子浓度由1.18 mg/L增加到1.33 mg/L,UV254和SUVA值分别从0.006 cm-1、1.277 L/(mg·m)增加到0.099 cm-1和10 L/(mg·m),氧化后的三维荧光光谱图(EEM)中新出现富里酸类物质,且荧光强度不断增强,说明芳香结构有机物增多。氧化前胞外有机物(EOM)和胞内有机物(IOM)形成的AOC分别为135.9和329.0μg/mg TOC,IOM的AOC浓度是EOM的2.4倍,IOM对AOC的形成贡献较大;氧化后分别是165.9和353.4μg/mg TOC,和氧化前相比则变化不大。综上所述,氯氧化能快速提高含蓝藻水的AOC浓度,主要是由于短时间内破坏了藻细胞结构,引起IOM的释放。

生物酶-CTMAB/CPAM联合调理对活性污泥脱水性能的影响

采用单因子实验或响应曲面法分别研究了单一酶、复合酶以及复合酶-化学药剂联合的3种调理方式下污泥的脱水性能,并探讨了典型调理条件下污泥的Zeta电位、粒度和水分组成等变化特征。研究结果表明,复合酶、十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)和阳离子聚丙烯酰胺WD4960(WD4960)的单一调理和联合调理均能不同程度地释放污泥颗粒中的束缚水。污泥经0.13 g·g^(-1)TS中温a-淀粉酶作用1 h后,再投加0.16 g·g^(-1)TS中性蛋白酶作用4 h,其胞外有机物(EPS)中多糖(PS)、蛋白质(PN)组分含量分别为最低值17.88、218.72 mg·g^(-1)VSS,但污泥絮体的Zeta电位和粒度均减小,脱水性能恶化。对于复合酶调理后的污泥,再投加0.5 g·g^(-1)TS CTMAB进行二次调理后,抽滤泥饼含水率降至64.66%;当投加9.64 g·kg^(-1)TS的WD4960进行二次调理时,污泥的毛细吸水时间(CST)为最小值16.3 s。其中,CTMAB通过电中和、改变污泥絮体的亲疏水性等作用改善复合酶调理后污泥的脱水性能,而WD4960通过电中和、粘附架桥的絮凝作用,但后者释放的束缚水较少。