高铁酸盐氧化絮凝去除藻类的机制研究

苑宝玲 典久辉
(中科院生态环境研究中心水环境国家重点实验室，北京 100085)

前　言：

　　高铁酸盐作为一种新型的水处理剂，是铁的六价存在形态，在水中具有极强的氧化性和高效混凝与助凝作用。其在标准状态下的氧化势(E°)高达2.20V，甚至高于臭氧(E°=2.07V)。过去的生产实验研究已经表明高铁酸盐可有效去除水中的过剩藻类，而且具有见效快、无残留毒性和不对饮用水造成二次污染等突出优点[29]。但其对藻类去除的氧化絮凝机制还欠研究，本文将从高铁酸盐氧化絮凝后藻类生长溶解氧的变化、藻类生长方式的影响、高铁氧化还原产物对藻类物质的凝聚沉淀作用和絮凝、沉淀过程中藻类的絮凝形态来阐述高铁酸盐去除藻类的作用机制，为解决饮用水除藻问题提供科学依据。

研究方法：

　　烧杯搅拌试验在JTZ1-6混凝试验搅拌器上进行。将含藻水转移至一系列500ml的玻璃烧杯中，依次投加不同量的高铁酸钾进行氧化絮凝，以250r/min的转速快搅1min，以150r/min的转速搅拌2min，然后以50r/min的转速慢搅30min，静置沉淀1h。取上清液250ml，分别盛于250ml有塞的溶解氧瓶中，静置于是朝阳的窗台上，室内温度在20～30℃之间，每天早上8:30和下午3:30各测一次溶解氧。以观其光合作用和呼吸作用的综合结果，并以此来判断杀菌效果。光学显微镜、扫描电镜观察处理前后藻类形态的变化。通过测定Zeta电位来考察高铁的强化絮凝作用。
　　Orion Model 862A溶解氧测定仪、Philip Bird JTZ-6搅拌器。JS94F型微电泳仪。
　　水样中藻类种类主要为颤藻、小球藻。

结果与讨论：

　　1.从溶解氧变化考察高铁酸盐对藻类的去除效能
　　正常藻类是水体中的初级生产者，白天进行光合作用，释放出氧气，夜晚进行呼吸作用，消耗氧气，通过测定白天和夜晚产生溶解氧量的差异，可以正确判断杀藻效果。投加高铁氧化絮凝，随着高铁投加量的增加，氧化性增强，大部分藻类被杀死，残留活藻的数量减少，当高铁浓度为80mg/L、120mg/L、160mg/L时杀藻效果好，静置4天后，水中的溶解氧下降至最低点，且早晚溶解氧差值趋于零，明显杀死了大量的藻类，达到了良好的杀藻效果(如图1)。
　　2.高铁酸盐氧化絮凝对藻类生长方式的影响
　　除藻试验中，显微镜观察藻类发现，原水中的优势藻种为颤藻(如图2)，其次为小球藻。经过高铁酸盐预氧化絮凝、沉淀后，小球藻几乎全部被去除，这与小球藻比重大，细胞密度小，易于通过单纯PAC混凝去除的现象是相一致的。颤藻在经过高铁酸盐预氧化絮凝后出现断裂现象，一根细长藻丝被断裂成几小段，扰乱了藻类正常的段殖体缢段生长方式，使其繁殖受到影响，从而达到除藻的作用。
　　3.高铁酸盐氧化絮凝藻类的扫描电镜研究
　　采用实验室人工培养藻液，对高铁酸盐氧化絮凝过程中和沉淀后的藻类进行扫描电镜分析。由图3可以看出，在处理过程中杆状的颤藻互相交织在一起构成支架，絮体黏附在支架上，在絮凝过程中将大量的小球藻网扑在交联的支架上。从沉淀物的SEM分析可知，大量的小球藻被包夹在支架絮团中，颤藻又交织在絮团与絮团之间，随着絮团共沉淀下来。与以往研究的单纯PAC絮凝比较，高铁的作用机制是增强了颤藻的交联性和加剧小球藻的收缩聚集作用。对于高铁是否侵蚀藻类细胞壁，破坏了藻类细胞的完整性还有待通过透射电镜的进一步分析。
　　4.高铁酸盐氧化絮凝藻类过程中凝聚沉淀作用
　　Zeta电位反映带电粒子的电荷特性和稳定性。Zeta电位越高，胶体越稳定。含藻水形成的浊度多为有机质，耗氧量高，电动电位(ζ)高，且有较高的稳定性，混凝时需投加较多的混凝剂。实验所用的含藻水的Zeta电位在-10～-20mV，稳定性很高，很难去除。实验对比了PAC和高铁酸盐去除藻类过程中对其Zeta电位和除浊效能的差异。从图4可以看出，单纯使用PAC去除藻类，当PAC投加量达到时，电动电位为-7.6mV。但是当投加少量的高铁酸盐进行预氧化，PAC投加60mg/L，絮凝效果大大改善，絮体的电中的能力加强(如图5)。而且随着高铁投加量的增大，带负电的藻类越来越多的被中和，当高铁投加量增加到1.2mg/L，藻类去除率达到96%，电动电位值为-1.7mV。这可能是由于高铁的还原产物Fe³⁺、Fe(OH)₃作为晶核，吸引带负电的藻类，使其脱稳，从而导致去除率的提高和电动电位的趋零。

结　论：

　　本文从四个方面研究了高铁酸盐氧化絮凝去除藻类的作用机制。得出以下结论：从藻类溶解氧变化可以看出，大部分的藻类被高铁的强氧化性杀死，导致处理后的藻类在几天的观察中早晚的溶解氧变化值趋于零。从光学显微镜观察可以看出，高铁氧化直接导致了藻类细胞的断裂，影响了颤藻的正常段殖值繁殖方式，从而达到去除藻类的作用。从扫描电镜观察可以看出，高铁的强氧化性和还原产物的强大絮凝作用，使小球藻收缩聚集成团，细长的颤藻之间交联成絮体支架，网扑小球藻，从而达到共沉淀的去除藻类的作用。从高藻水Zeta电位的变化可以看出，高铁的还原产物产生明显强化了PAC的絮凝效果，使稳定性高的藻类脱稳，随着絮体沉降去除，Zeta电位趋于零。