苑寶玲 典久輝
(中科院生態(tài)環(huán)境研究中心水環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jià)存在形態(tài)，在水中具有極強(qiáng)的氧化性和高效混凝與助凝作用。其在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氧化勢(E°)高達(dá)2.20V，甚至高于臭氧(E°=2.07V)。過去的生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)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(duì)飲用水造成二次污染等突出優(yōu)點(diǎn)[29]。但其對(duì)藻類去除的氧化絮凝機(jī)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(chǎn)物對(duì)藻類物質(zhì)的凝聚沉淀作用和絮凝、沉淀過程中藻類的絮凝形態(tài)來闡述高鐵酸鹽去除藻類的作用機(jī)制，為解決飲用水除藻問題提供科學(xué)依據(jù)。

研究方法：

　　燒杯攪拌試驗(yàn)在JTZ1-6混凝試驗(yàn)攪拌器上進(jìn)行。將含藻水轉(zhuǎn)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(jìn)行氧化絮凝，以250r/min的轉(zhuǎn)速快攪1min，以150r/min的轉(zhuǎn)速攪拌2min，然后以50r/min的轉(zhuǎn)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(tái)上，室內(nèi)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(jié)果，并以此來判斷殺菌效果。光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡觀察處理前后藻類形態(tài)的變化。通過測定Zeta電位來考察高鐵的強(qiáng)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(jié)果與討論：

　　1.從溶解氧變化考察高鐵酸鹽對(duì)藻類的去除效能
　　正常藻類是水體中的初級(jí)生產(chǎn)者，白天進(jìn)行光合作用，釋放出氧氣，夜晚進(jìn)行呼吸作用，消耗氧氣，通過測定白天和夜晚產(chǎn)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(qiáng)，大部分藻類被殺死，殘留活藻的數(shù)量減少，當(dāng)高鐵濃度為80mg/L、120mg/L、160mg/L時(shí)殺藻效果好，靜置4天后，水中的溶解氧下降至最低點(diǎn)，且早晚溶解氧差值趨于零，明顯殺死了大量的藻類，達(dá)到了良好的殺藻效果(如圖1)。
　　2.高鐵酸鹽氧化絮凝對(duì)藻類生長方式的影響
　　除藻試驗(yàn)中，顯微鏡觀察藻類發(fā)現(xiàn)，原水中的優(yōu)勢藻種為顫藻(如圖2)，其次為小球藻。經(jīng)過高鐵酸鹽預(yù)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(xì)胞密度小，易于通過單純PAC混凝去除的現(xiàn)象是相一致的。顫藻在經(jīng)過高鐵酸鹽預(yù)氧化絮凝后出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，一根細(xì)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(dá)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(shí)驗(yàn)室人工培養(yǎng)藻液，對(duì)高鐵酸鹽氧化絮凝過程中和沉淀后的藻類進(jìn)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(gòu)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(wǎng)撲在交聯(lián)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(tuán)中，顫藻又交織在絮團(tuán)與絮團(tuán)之間，隨著絮團(tuán)共沉淀下來。與以往研究的單純PAC絮凝比較，高鐵的作用機(jī)制是增強(qiáng)了顫藻的交聯(lián)性和加劇小球藻的收縮聚集作用。對(duì)于高鐵是否侵蝕藻類細(xì)胞壁，破壞了藻類細(xì)胞的完整性還有待通過透射電鏡的進(jìn)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(wěn)定性。Zeta電位越高，膠體越穩(wěn)定。含藻水形成的濁度多為有機(jī)質(zhì)，耗氧量高，電動(dòng)電位(ζ)高，且有較高的穩(wěn)定性，混凝時(shí)需投加較多的混凝劑。實(shí)驗(yàn)所用的含藻水的Zeta電位在-10～-20mV，穩(wěn)定性很高，很難去除。實(shí)驗(yàn)對(duì)比了PAC和高鐵酸鹽去除藻類過程中對(duì)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(dāng)PAC投加量達(dá)到時(shí)，電動(dòng)電位為-7.6mV。但是當(dāng)投加少量的高鐵酸鹽進(jìn)行預(yù)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(qiáng)(如圖5)。而且隨著高鐵投加量的增大，帶負(fù)電的藻類越來越多的被中和，當(dāng)高鐵投加量增加到1.2mg/L，藻類去除率達(dá)到96%，電動(dòng)電位值為-1.7mV。這可能是由于高鐵的還原產(chǎn)物Fe³⁺、Fe(OH)₃作為晶核，吸引帶負(fù)電的藻類，使其脫穩(wěn)，從而導(dǎo)致去除率的提高和電動(dòng)電位的趨零。

結(jié)　論：

　　本文從四個(gè)方面研究了高鐵酸鹽氧化絮凝去除藻類的作用機(jī)制。得出以下結(jié)論：從藻類溶解氧變化可以看出，大部分的藻類被高鐵的強(qiáng)氧化性殺死，導(dǎo)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(xué)顯微鏡觀察可以看出，高鐵氧化直接導(dǎo)致了藻類細(xì)胞的斷裂，影響了顫藻的正常段殖值繁殖方式，從而達(dá)到去除藻類的作用。從掃描電鏡觀察可以看出，高鐵的強(qiáng)氧化性和還原產(chǎn)物的強(qiáng)大絮凝作用，使小球藻收縮聚集成團(tuán)，細(xì)長的顫藻之間交聯(lián)成絮體支架，網(wǎng)撲小球藻，從而達(dá)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(chǎn)物產(chǎn)生明顯強(qiáng)化了PAC的絮凝效果，使穩(wěn)定性高的藻類脫穩(wěn)，隨著絮體沉降去除，Zeta電位趨于零。