高锰酸钾与粉末活性炭联用去除和控制受污染饮用水源中的致突变物质

出　　自： 《中国给水排水》 1998年第4期第1页
发表时间： ：1998-4

陈忠林；范洁；马军(哈尔滨建筑大学)；田会君；张永乐(哈尔滨自来水公司)；李圭白(哈尔滨建筑大学)

摘要：应用Ames试验分析评价高锰酸钾与粉末活性炭联用新技术对低温低浊时期松花江水中致突变物质及其前驱物的去除和控制效果，探讨了能有效去除和控制饮用水致突变活性的处理工艺。实验表明，该技术对受污染饮用水源中的致突变物质及其前驱物有良好的去除和控制作用，充分发挥了高锰酸钾和粉末活性炭两种技术的优势，从而保证了饮用水安全，显示了该项技术应用于污染水源深度处理的良好前景及可行性。

关键词：饮用水 高锰酸钾 粉末活性炭 致突变物 深度处理

　　高锰酸钾是一种强氧化剂，60年代初期就被用于去除水中的臭味和色度、抑制藻类的生长，效果较好。80年代末，哈尔滨建筑大学的科研人员在研究中发现，高锰酸钾有较好的去除污染水源中有机污染物和致突变物质 [3] 的作用，高锰酸钾预氧化还有很好的助凝作用 [4] ，可以取代预氯化，有效地控制卤仿生成量。另外，此项技术的应用，具有投资少、使用方便等特点。同样，粉末活性炭处理也不需要增加特殊设备和大量设施方面的投资，适合于季节性高峰负荷污染水源的净化 [5] 。因此，把高锰酸钾预氧化与粉末活性炭吸附这两种简便、易行的处理技术联合起来应用于受污染饮用水源的深度处理，通过前期的实验室研究表明其效果良好，现通过水厂的生产性试验，进一步证实其除污染效果。
　　本文利用Ames试验，就高锰酸钾与粉末活性炭对受污染水中的致突变物质的去除与控制作用进行分析研究。

1 试验研究方法

　　1.1 试验工艺与水源水质
　　生产性试验的水厂位于H市区，原水取自松花江，水厂处理工艺流程是原水进入水厂后投加聚合铝混凝剂，经管道混合、网格反应、斜管(迷宫)沉淀，进入无阀滤池，然后加氯消毒。试验过程中，先将高锰酸钾配制成一定浓度的溶液后加入管道中混合，然后在网格反应池中投加粉末活性炭。
试验阶段处于松花江冬季冰封时期，原水水质比较稳定，水温接近0 ℃，浊度十几度，pH7.2～7.3，COD Mn 9～11mg/L，是松花江水污染较为严重、较难处理的时期。
　　1.2 水样富集
　　由于地面水源中致突变物质的含量相对较低，所以在进行Ames试验前要对待测水样进行浓缩富集处理。目前，大孔合成树脂吸附水中有机物的浓缩方法较为普遍，其中XAD系列树脂因其比表面积大、吸附容量高而且回收率较好等特点而被广泛应用，本次试验就是采用XAD系列树脂对水样进行富集。
　　1.3 致突变试验
　　选用灵敏度较高的带R因子的TA 98 和TA 100 菌株进行致突变试验。由于地面水中主要含有直接作用致突变物质，因而在试验中均不加S 9 肝微粒体酶活化系统，以提高菌株对测定物的敏感性。实验菌株由美国加利弗尼亚大学Ames实验室提供，每次试验均经菌株特性鉴定，完全符合要求。阴性对照物采用二甲基亚砜，阳性对照物采用敌克松。每次试验设两个平行样，重复试验三次。以一定体积水样(L)所引起的回复突变菌落数表示结果，回复突变菌落数等于或超过自发回复突变菌落数的2倍，并且具有剂量——反应关系和重现性者判定为阳性结果。为便于直观判断，试验结果以诱变指数(MR)表示，MR值为诱发回复突变菌落数与自发回复突变菌落数的比值，均以平均值计。MR值愈大说明该被测样品的致突变活性越高，MR≥2为阳性结果。就被测水样致突变活性而言，为获得MR=2时所需水量愈大，则说明该水样中有机污染物的致突变活性愈低。

2 结果分析

　　表1中列出了应用粉末活性炭及高锰酸钾与粉末活性炭联用去除受污染水源水中致突变物质的分析结果。可以看出，松花江水的致突变活性，无论是对TA 98 菌株、还是TA 100 菌株均表现出良好的剂量——反应关系，相关系数分别为0.993和0.997，这说明此次试验处理的松花江原水中既存在直接移码致突变物质，也存在直接碱基置换致突变物质。但是，从诱变指数变化来看，松花江原水对TA 98 菌株更为敏感，3L水即可达到阳性，而对TA 100 菌株不够敏感，在最大试验剂量条件下诱变指数仍然<2，没有达到阳性。因此，可以得出结论，松花江水中的致突变活性主要是由直接移码致突变物质所致。
　　松花江原水在经过现行常规工艺处理后，滤后水中直接移码致突变物质含量有所减少，3L水已不再呈阳性，只是到5L水时才表现出阳性，且数值比原水3L时达到的数值要低。但是，对TA 100 菌株的敏感性却较原水要强，诱变指数没有降低反而有所上升，并表现出良好的剂量——反应关系，相关系数为0.999，虽然上升幅度不是很大且仍呈阴性，但也说明松花江原水中可能存在一定数量的致突变前驱物，在水处理过程中能够转变成致突变物质，从而在一定程度上增加了滤后水的致突变活性。
　　在采用高锰酸钾与粉末活性炭联用处理时，其滤后水中的直接移码致突变物质较原水有较大幅度的降低，并明显好于现行常规处理工艺处理的滤后水。5L水时仍表现为阴性，诱变指数为1.67，相当于松花江原水1L水和现行常规处理工艺3L水的水平，只是在最大试验剂量(7L水)时才表现为阳性，但诱变指数也很低，为2.09，比现行常规处理工艺5 L水和松花江原水3 L水时的诱变指数还要低。在最大试验剂量时，采用高锰酸钾与粉末活性炭联用处理的滤后水，其直接移码致突变活性比松花江原水降低了56.4 %，直接碱基置换致突变活性也普遍下降且没有剂量——反应关系，相关系数仅为0.286。以上结果表明，采用高锰酸钾与粉末活性炭联用处理，能够有效地去除松花江原水中存在的致突变物质及其前驱物质，从而降低了处理后水的致突变活性，尤其对水中直接移码致突变物质具有很好的去除作用。 表1 高锰酸钾与粉末活性炭联用处理试验中各水样的致突变活性比较(1)

　　注 R——剂量—反应关系的相关系数 ——结果均值 SD——标准偏差
　　此外，试验中还考察了单独投加粉末活性炭处理对松花江原水致突变活性的影响情况。从试验结果来看，单独投加粉末活性炭也可以较好地去除松花江原水中的直接移码致突变物质，效果优于现行常规处理工艺。其5L水仍然表现为阴性，诱变指数为1.97，比松花江原水3L水的诱变指数还要低26.5 %。在最大试验剂量时的诱变指数为2.37，表现出阳性，但数值低于松花江原水3L水的诱变指数。对直接碱基置换致突变物质的去除效果也好于现行常规处理，诱变指数普遍下降，而且对TA 100 菌株的剂量——反应关系相关系数仅为0.572。这说明单独投加粉末活性炭可以部分去除水中的致突变物质，处理产物的致突变活性也较低。
　　为了进一步验证试验结果，采取高锰酸钾及高锰酸钾与粉末活性炭联用方法对松花江水再次进行生产性试验，试验结果列于表2。可以看出，这次试验期间松花江原水的致突变活性很高，对TA 98 菌株，1 L水即呈阳性，最大试验剂量(7 L水)的诱变指数高达10.12，而且整个试验对TA 98 菌株均表现出良好的剂量——反应关系，相关系数为0.997。同样，松花江原水对TA 100 菌株也表现出较第一次试验时敏感，在最大试验剂量时的诱变指数达到了2.15，呈现出阳性结果，并且还对TA 100 菌株表现出良好的剂量——反应关系，相关系数为0.973。这说明，松花江原水在此时期既含有较高浓度的直接移码致突变物质，也含有一些直接碱基置换致突变物质，但以直接移码致突变物质为主。
　　此期间松花江原水经过现行常规工艺处理，其滤后水无论是对TA 98 菌株、还是TA 100 菌株，诱变指数较原水不但没有下降反而略有升高，另外原水对TA 98 菌株和TA 100 菌株均表现出良好的剂量——反应关系，相关系数分别为0.988 和0.994。这说明松花江原水中的确存在较多数量致突变的前驱物质，在现行常规处理过程中转化成新的致突变物，导致滤后水表现出较高的诱变指数。
　　表2 高锰酸钾与粉末活性炭联用处理试验中各水样的致突变活性比较(2)

　　注 R——剂量—反应关系的相关系数 ——结果均值 SD——标准偏差
　　当向松花江原水中投加一定数量高锰酸钾进行氧化处理，发现滤后水的诱变指数较原水有较大幅度的降低，并且明显好于现行常规工艺处理。对TA 98 菌株，5L水的诱变指数比原水3L水的诱变指数还要低，在此条件下水的诱变指数虽然呈现出阳性，但与原水相比诱变指数下降了45.2%，与现行常规工艺处理相比诱变指数下降了44.6%。同样，高锰酸钾氧化处理对原水中直接碱基置换致突变物质也表现出较好的去除作用，在最大试验剂量条件下，与原水相比诱变指数下降了30.2%，由阳性变为阴性，并且对TA 100 菌株剂量——反应关系的相关系数也有所降低，为0.707 。这说明高锰酸钾的确可以有效地去除水中致突变物质，并对水中致突变物质的前驱物也有很好的去除作用。
　　再次采用高锰酸钾与粉末活性炭联用技术处理污染较重的松花江原水，结果发现其处理的滤后水中的直接移码致突变活性显著下降，在最大试验剂量时的诱变指数仅为3.82，比原水和现行常规处理工艺3L水的诱变指数还要低，分别相当于它们的65.1%和66.0%。若与最大试验剂量时原水和现行常规处理工艺滤后水的诱变指数相比，则分别相当于它们的37.7%和33.8%，下降幅度分别达到了62 .3%和66.2%。同样，高锰酸钾与粉末活性炭联用处理的滤后水对TA 100 菌株剂量——反应关系的相关系数较低，仅为0.875，诱变指数均在2以下，呈现阴性，这说明高锰酸钾与粉末活性炭联用对直接碱基置换致突变物质同样有较好的去除作用。在最大试验剂量条件下，诱变指数仅为1.27，与原水相比诱变指数下降了40.9%，这进一步证实了第一次实验的结果，并充分说明，高锰酸钾与粉末活性炭联用的确具有显著去除水中致突变物质及其前驱物的能力，是一种简便、有效的消除与控制水中致突变活性的水处理技术。
　　从以上两组试验结果可知，高锰酸钾、粉末活性炭单独处理受污染水源水时，均可以在一定程度上良好地去除和控制污染水中的致突变物质及其前驱物。这说明受污染水源中一部分有机污染物能够通过高锰酸钾氧化去除，一部分则可以被高锰酸钾与水中有机污染物氧化过程中的中间产物——水合二氧化锰吸附，还有一部分有机污染物可被在反应过程中投加的粉末活性炭所吸附。而当采用高锰酸钾与粉末活性炭联用处理后，去除水中致突变活性物质的能力进一步提高，这是因为，除了两种技术单独具有除污染作用，高锰酸钾预氧化可以改变水中某些有机污染物的化学结构，使它们变得易于被后面投加的粉末活性炭吸附。由此可以得出结论，高锰酸钾与粉末活性炭联用对致突变 (上接第3页) 物质优良的去除效果是高锰酸钾与粉末活性炭协同作用的结果，不是简单的组合，高锰酸钾氧化对粉末活性炭的吸附有某种程度的促进作用。

3 结论

　　① 松花江水在不同时期，水中致突变物质浓度有较大差别，但都具有较强的致突变活性，而且致突变物质主要是直接移码型致突变物质。
　　② 现行常规处理工艺对受污染水源中的致突变物质有一定的去除作用，但由于受污染水源中含有大量致突变物质的前驱物，它们在水处理过程中产生许多新的致突变物质，使得常规处理工艺滤后水经常表现出比原水还高的致突变活性。
　　③ 高锰酸钾、粉末活性炭单独使用都具有良好的除污染作用，它们的联用处理则可以发挥协同作用，进一步提高除污染效果，对受污染水源中的致突变物质及其前驱物都具有显著的去除能力。高锰酸钾氧化对粉末活性炭的吸附有某种程度的促进作用。
　　④ 高锰酸钾与粉末活性炭联用处理是一种经济有效、简便易行的饮用水除污染方法，适合在我国推广应用。

参考文献

　　1 宋序彤.关于我国城市给排水科技优先发展领域探讨.中国给水排水，1995；11(2)
　　2 李圭白，李星.污染源治理与饮用水除污染并重.哈尔滨建筑大学学报，1996；29(5)
　　3 李圭白，马军.用高锰酸钾去除和控制受污染水源水中的致突变物质.给水排水，1992；18(2)
　　4 马军，李圭白，等.高锰酸钾的氧化助凝效能研究.中国给水排水，1992；8(4)
　　5 兰淑澄.活性炭水处理技术.中国环境科学出版社，1992
　　作者简介:陈忠林 工学博士 副教授
　　通讯处:150008 哈尔滨市南岗区海河路202号 哈尔滨建筑大学新区805信箱
　　(收稿日期 1998-01-19)