出　　自： 《中國給水排水》 1998年第4期第1頁
發表時間： ：1998-4

陳忠林；范潔；馬軍(哈爾濱建筑大學)；田會君；張永樂(哈爾濱自來水公司)；李圭白(哈爾濱建筑大學)

摘要：應用Ames試驗分析評價高錳酸鉀與粉末活性炭聯用新技術對低溫低濁時期松花江水中致突變物質及其前驅物的去除和控制效果，探討了能有效去除和控制飲用水致突變活性的處理工藝。實驗表明，該技術對受污染飲用水源中的致突變物質及其前驅物有良好的去除和控制作用，充分發揮了高錳酸鉀和粉末活性炭兩種技術的優勢，從而保證了飲用水安全，顯示了該項技術應用于污染水源深度處理的良好前景及可行性。

關鍵詞：飲用水 高錳酸鉀 粉末活性炭 致突變物 深度處理

　　高錳酸鉀是一種強氧化劑，60年代初期就被用于去除水中的臭味和色度、抑制藻類的生長，效果較好。80年代末，哈爾濱建筑大學的科研人員在研究中發現，高錳酸鉀有較好的去除污染水源中有機污染物和致突變物質 [3] 的作用，高錳酸鉀預氧化還有很好的助凝作用 [4] ，可以取代預氯化，有效地控制鹵仿生成量。另外，此項技術的應用，具有投資少、使用方便等特點。同樣，粉末活性炭處理也不需要增加特殊設備和大量設施方面的投資，適合于季節性高峰負荷污染水源的凈化 [5] 。因此，把高錳酸鉀預氧化與粉末活性炭吸附這兩種簡便、易行的處理技術聯合起來應用于受污染飲用水源的深度處理，通過前期的實驗室研究表明其效果良好，現通過水廠的生產性試驗，進一步證實其除污染效果。
　　本文利用Ames試驗，就高錳酸鉀與粉末活性炭對受污染水中的致突變物質的去除與控制作用進行分析研究。

1 試驗研究方法

　　1.1 試驗工藝與水源水質
　　生產性試驗的水廠位于H市區，原水取自松花江，水廠處理工藝流程是原水進入水廠后投加聚合鋁混凝劑，經管道混合、網格反應、斜管(迷宮)沉淀，進入無閥濾池，然后加氯消毒。試驗過程中，先將高錳酸鉀配制成一定濃度的溶液后加入管道中混合，然后在網格反應池中投加粉末活性炭。
試驗階段處于松花江冬季冰封時期，原水水質比較穩定，水溫接近0 ℃，濁度十幾度，pH7.2～7.3，COD Mn 9～11mg/L，是松花江水污染較為嚴重、較難處理的時期。
　　1.2 水樣富集
　　由于地面水源中致突變物質的含量相對較低，所以在進行Ames試驗前要對待測水樣進行濃縮富集處理。目前，大孔合成樹脂吸附水中有機物的濃縮方法較為普遍，其中XAD系列樹脂因其比表面積大、吸附容量高而且回收率較好等特點而被廣泛應用，本次試驗就是采用XAD系列樹脂對水樣進行富集。
　　1.3 致突變試驗
　　選用靈敏度較高的帶R因子的TA 98 和TA 100 菌株進行致突變試驗。由于地面水中主要含有直接作用致突變物質，因而在試驗中均不加S 9 肝微粒體酶活化系統，以提高菌株對測定物的敏感性。實驗菌株由美國加利弗尼亞大學Ames實驗室提供，每次試驗均經菌株特性鑒定，完全符合要求。陰性對照物采用二甲基亞砜，陽性對照物采用敵克松。每次試驗設兩個平行樣，重復試驗三次。以一定體積水樣(L)所引起的回復突變菌落數表示結果，回復突變菌落數等于或超過自發回復突變菌落數的2倍，并且具有劑量——反應關系和重現性者判定為陽性結果。為便于直觀判斷，試驗結果以誘變指數(MR)表示，MR值為誘發回復突變菌落數與自發回復突變菌落數的比值，均以平均值計。MR值愈大說明該被測樣品的致突變活性越高，MR≥2為陽性結果。就被測水樣致突變活性而言，為獲得MR=2時所需水量愈大，則說明該水樣中有機污染物的致突變活性愈低。

2 結果分析

　　表1中列出了應用粉末活性炭及高錳酸鉀與粉末活性炭聯用去除受污染水源水中致突變物質的分析結果。可以看出，松花江水的致突變活性，無論是對TA 98 菌株、還是TA 100 菌株均表現出良好的劑量——反應關系，相關系數分別為0.993和0.997，這說明此次試驗處理的松花江原水中既存在直接移碼致突變物質，也存在直接堿基置換致突變物質。但是，從誘變指數變化來看，松花江原水對TA 98 菌株更為敏感，3L水即可達到陽性，而對TA 100 菌株不夠敏感，在最大試驗劑量條件下誘變指數仍然<2，沒有達到陽性。因此，可以得出結論，松花江水中的致突變活性主要是由直接移碼致突變物質所致。
　　松花江原水在經過現行常規工藝處理后，濾后水中直接移碼致突變物質含量有所減少，3L水已不再呈陽性，只是到5L水時才表現出陽性，且數值比原水3L時達到的數值要低。但是，對TA 100 菌株的敏感性卻較原水要強，誘變指數沒有降低反而有所上升，并表現出良好的劑量——反應關系，相關系數為0.999，雖然上升幅度不是很大且仍呈陰性，但也說明松花江原水中可能存在一定數量的致突變前驅物，在水處理過程中能夠轉變成致突變物質，從而在一定程度上增加了濾后水的致突變活性。
　　在采用高錳酸鉀與粉末活性炭聯用處理時，其濾后水中的直接移碼致突變物質較原水有較大幅度的降低，并明顯好于現行常規處理工藝處理的濾后水。5L水時仍表現為陰性，誘變指數為1.67，相當于松花江原水1L水和現行常規處理工藝3L水的水平，只是在最大試驗劑量(7L水)時才表現為陽性，但誘變指數也很低，為2.09，比現行常規處理工藝5 L水和松花江原水3 L水時的誘變指數還要低。在最大試驗劑量時，采用高錳酸鉀與粉末活性炭聯用處理的濾后水，其直接移碼致突變活性比松花江原水降低了56.4 %，直接堿基置換致突變活性也普遍下降且沒有劑量——反應關系，相關系數僅為0.286。以上結果表明，采用高錳酸鉀與粉末活性炭聯用處理，能夠有效地去除松花江原水中存在的致突變物質及其前驅物質，從而降低了處理后水的致突變活性，尤其對水中直接移碼致突變物質具有很好的去除作用。 表1 高錳酸鉀與粉末活性炭聯用處理試驗中各水樣的致突變活性比較(1)

　　注 R——劑量—反應關系的相關系數 ——結果均值 SD——標準偏差
　　此外，試驗中還考察了單獨投加粉末活性炭處理對松花江原水致突變活性的影響情況。從試驗結果來看，單獨投加粉末活性炭也可以較好地去除松花江原水中的直接移碼致突變物質，效果優于現行常規處理工藝。其5L水仍然表現為陰性，誘變指數為1.97，比松花江原水3L水的誘變指數還要低26.5 %。在最大試驗劑量時的誘變指數為2.37，表現出陽性，但數值低于松花江原水3L水的誘變指數。對直接堿基置換致突變物質的去除效果也好于現行常規處理，誘變指數普遍下降，而且對TA 100 菌株的劑量——反應關系相關系數僅為0.572。這說明單獨投加粉末活性炭可以部分去除水中的致突變物質，處理產物的致突變活性也較低。
　　為了進一步驗證試驗結果，采取高錳酸鉀及高錳酸鉀與粉末活性炭聯用方法對松花江水再次進行生產性試驗，試驗結果列于表2。可以看出，這次試驗期間松花江原水的致突變活性很高，對TA 98 菌株，1 L水即呈陽性，最大試驗劑量(7 L水)的誘變指數高達10.12，而且整個試驗對TA 98 菌株均表現出良好的劑量——反應關系，相關系數為0.997。同樣，松花江原水對TA 100 菌株也表現出較第一次試驗時敏感，在最大試驗劑量時的誘變指數達到了2.15，呈現出陽性結果，并且還對TA 100 菌株表現出良好的劑量——反應關系，相關系數為0.973。這說明，松花江原水在此時期既含有較高濃度的直接移碼致突變物質，也含有一些直接堿基置換致突變物質，但以直接移碼致突變物質為主。
　　此期間松花江原水經過現行常規工藝處理，其濾后水無論是對TA 98 菌株、還是TA 100 菌株，誘變指數較原水不但沒有下降反而略有升高，另外原水對TA 98 菌株和TA 100 菌株均表現出良好的劑量——反應關系，相關系數分別為0.988 和0.994。這說明松花江原水中的確存在較多數量致突變的前驅物質，在現行常規處理過程中轉化成新的致突變物，導致濾后水表現出較高的誘變指數。
　　表2 高錳酸鉀與粉末活性炭聯用處理試驗中各水樣的致突變活性比較(2)

　　注 R——劑量—反應關系的相關系數 ——結果均值 SD——標準偏差
　　當向松花江原水中投加一定數量高錳酸鉀進行氧化處理，發現濾后水的誘變指數較原水有較大幅度的降低，并且明顯好于現行常規工藝處理。對TA 98 菌株，5L水的誘變指數比原水3L水的誘變指數還要低，在此條件下水的誘變指數雖然呈現出陽性，但與原水相比誘變指數下降了45.2%，與現行常規工藝處理相比誘變指數下降了44.6%。同樣，高錳酸鉀氧化處理對原水中直接堿基置換致突變物質也表現出較好的去除作用，在最大試驗劑量條件下，與原水相比誘變指數下降了30.2%，由陽性變為陰性，并且對TA 100 菌株劑量——反應關系的相關系數也有所降低，為0.707 。這說明高錳酸鉀的確可以有效地去除水中致突變物質，并對水中致突變物質的前驅物也有很好的去除作用。
　　再次采用高錳酸鉀與粉末活性炭聯用技術處理污染較重的松花江原水，結果發現其處理的濾后水中的直接移碼致突變活性顯著下降，在最大試驗劑量時的誘變指數僅為3.82，比原水和現行常規處理工藝3L水的誘變指數還要低，分別相當于它們的65.1%和66.0%。若與最大試驗劑量時原水和現行常規處理工藝濾后水的誘變指數相比，則分別相當于它們的37.7%和33.8%，下降幅度分別達到了62 .3%和66.2%。同樣，高錳酸鉀與粉末活性炭聯用處理的濾后水對TA 100 菌株劑量——反應關系的相關系數較低，僅為0.875，誘變指數均在2以下，呈現陰性，這說明高錳酸鉀與粉末活性炭聯用對直接堿基置換致突變物質同樣有較好的去除作用。在最大試驗劑量條件下，誘變指數僅為1.27，與原水相比誘變指數下降了40.9%，這進一步證實了第一次實驗的結果，并充分說明，高錳酸鉀與粉末活性炭聯用的確具有顯著去除水中致突變物質及其前驅物的能力，是一種簡便、有效的消除與控制水中致突變活性的水處理技術。
　　從以上兩組試驗結果可知，高錳酸鉀、粉末活性炭單獨處理受污染水源水時，均可以在一定程度上良好地去除和控制污染水中的致突變物質及其前驅物。這說明受污染水源中一部分有機污染物能夠通過高錳酸鉀氧化去除，一部分則可以被高錳酸鉀與水中有機污染物氧化過程中的中間產物——水合二氧化錳吸附，還有一部分有機污染物可被在反應過程中投加的粉末活性炭所吸附。而當采用高錳酸鉀與粉末活性炭聯用處理后，去除水中致突變活性物質的能力進一步提高，這是因為，除了兩種技術單獨具有除污染作用，高錳酸鉀預氧化可以改變水中某些有機污染物的化學結構，使它們變得易于被后面投加的粉末活性炭吸附。由此可以得出結論，高錳酸鉀與粉末活性炭聯用對致突變 (上接第3頁) 物質優良的去除效果是高錳酸鉀與粉末活性炭協同作用的結果，不是簡單的組合，高錳酸鉀氧化對粉末活性炭的吸附有某種程度的促進作用。

3 結論

　　① 松花江水在不同時期，水中致突變物質濃度有較大差別，但都具有較強的致突變活性，而且致突變物質主要是直接移碼型致突變物質。
　　② 現行常規處理工藝對受污染水源中的致突變物質有一定的去除作用，但由于受污染水源中含有大量致突變物質的前驅物，它們在水處理過程中產生許多新的致突變物質，使得常規處理工藝濾后水經常表現出比原水還高的致突變活性。
　　③ 高錳酸鉀、粉末活性炭單獨使用都具有良好的除污染作用，它們的聯用處理則可以發揮協同作用，進一步提高除污染效果，對受污染水源中的致突變物質及其前驅物都具有顯著的去除能力。高錳酸鉀氧化對粉末活性炭的吸附有某種程度的促進作用。
　　④ 高錳酸鉀與粉末活性炭聯用處理是一種經濟有效、簡便易行的飲用水除污染方法，適合在我國推廣應用。

參考文獻

　　1 宋序彤.關于我國城市給排水科技優先發展領域探討.中國給水排水，1995；11(2)
　　2 李圭白，李星.污染源治理與飲用水除污染并重.哈爾濱建筑大學學報，1996；29(5)
　　3 李圭白，馬軍.用高錳酸鉀去除和控制受污染水源水中的致突變物質.給水排水，1992；18(2)
　　4 馬軍，李圭白，等.高錳酸鉀的氧化助凝效能研究.中國給水排水，1992；8(4)
　　5 蘭淑澄.活性炭水處理技術.中國環境科學出版社，1992
　　作者簡介:陳忠林 工學博士 副教授
　　通訊處:150008 哈爾濱市南崗區海河路202號 哈爾濱建筑大學新區805信箱
　　(收稿日期 1998-01-19)