給水廠不同工藝對微囊藻毒素到底有什麼影響？
摘要：針對常規處理和深度處理給水廠，研究夏季水源高藻期和冬季水廠各工藝段微囊藻毒素的濃度變化，討論不同水處理工藝對微囊藻毒素的去除效果。本研究以3個具有代表性處理工藝的給水廠為對象，針對冬季和夏季水源高藻期兩種典型原水特徵，分析微囊藻毒素在水廠處理過程的變化特徵，討論不同處理工藝對微囊藻毒素的去除效果，為給水廠制水工藝的優化改進提供依據和參考。
1材料與方法
1.1儀器與試劑
液相色譜-三重四極桿串聯質譜儀（Agilent，USA）；自動固相萃取裝置（Auto trace 280，Caliper，USA）；氮氣自動濃縮儀（Turbo Vap II，Caliper，USA）；HLB固相萃取小柱（500 mg/6 mL，Waters，USA）；0.22 μm PVDF針式濾膜（Millipore，USA）。
微囊藻毒素標準品（Alexis，Switzerland）；乙腈、甲醇、甲酸（HPLC級，Merck，Germany）；超純水（Millipore，USA）。
1.2試驗方法
研究對象為3個具有代表性工藝的大型給水廠，A水廠和B水廠採用深度處理工藝，C水廠採用常規處理工藝，工藝流程見圖1。3個水廠的原水取自相同的水庫水源。採樣點選擇在水廠各工藝段出水，採樣時間為8月和9月（夏季水源高藻期）及1月和2月（冬季），檢測水樣微囊藻毒素含量，分析處理工藝對微囊藻毒素的去除作用。
1.3微囊藻毒素測定
水樣（1 L）經玻璃纖維濾膜過濾，採用HLB固相萃取小柱對微囊藻毒素進行富集（至1 mL），濃縮後樣品以液相色譜-三重四極桿串聯質譜對微囊藻毒素進行檢測。共檢測7種微囊藻毒素，包括微囊藻毒素-LA（MC-LA）、微囊藻毒素-LF（MC-LF）、MC-LR、微囊藻毒素-LW（MC-LW）、微囊藻毒素-LY（MC-LY）、微囊藻毒素-RR（MC-RR）和微囊藻毒素-YR（MC-YR）。
1.4數據分析
採用Excel進行數據分析，Origin 8.0進行圖表處理。
2結果與討論
2.1給水廠微囊藻毒素的總體特徵
7種微囊藻毒素在水廠均有檢出，其中，MC-LR和MC-RR為主要藻毒素種類。不同水廠各工藝單元的微囊藻毒素分布見圖2。
進廠原水中，夏季微囊藻毒素總濃度為14.59～102.13 ng/L，冬季微囊藻毒素總濃度為13.42～29.37 ng/L，同一採樣時間，3個水廠原水中藻毒素濃度沒有明顯差異。夏季進廠原水微囊藻毒素濃度高於冬季，這與水源地水庫的藻類生物量季節規律和水庫微囊藻毒素的時間特徵一致。
出廠水分析可見，夏季水源高藻期，深度處理A水廠出廠水中微囊藻毒素總濃度為5.40～7.31 ng/L，B水廠為4.66～5.91 ng/L，進廠原水中MC-LA和MC-LW在出廠水中未檢出；採用常規工藝處理的C水廠出廠水微囊藻毒素總濃度為67.83～237.80 ng/L，遠高於兩個深度處理出廠水，尤其是MC-LR和MC-RR，在C水廠出廠水中最高分別為117.22 ng/L和105.37 ng/L。冬季原水微囊藻毒素較低，A水廠和B水廠出廠水微囊藻毒素總濃度分別為3.91～4.04 ng/L和4.08～4.64 ng/L，C水廠出廠水微囊藻毒素總濃度為7.43～15.29 ng/L，差距較夏季縮小。總體而言，3個水廠出廠水的微囊藻毒素均未超標（MC-LR不得超過1.0 μg/L）。
2.2給水廠對微囊藻毒素的去除率
不同水廠對微囊藻毒素的平均去除率如圖3。A水廠深度處理工藝（預氯化—混凝沉澱—砂濾—臭氧—GAC—氯消毒）夏季對不同微囊藻毒素的去除率為59.2%～100%；冬季為42.34%～100%。B水廠深度處理工藝（預臭氧—混凝沉澱—砂濾—臭氧—GAC—紫外消毒）夏季對不同微囊藻毒素去除率為58.80%～100%，冬季為38.97%～100%；常規處理C水廠（混凝沉澱—砂濾—氯消毒）夏季的微囊藻毒素去除率為-684.54%～68.13%，冬季為28.36%～59.49%，相對較低。
從整體工藝來看，兩個深度處理水廠對微囊藻毒素的去除效果大致相當，常規處理水廠去除較差，深度處理對微囊藻毒素的去除明顯優於常規處理。尤其在夏季原水藻類較高時，預氯化和砂濾後出水有微囊藻毒素增高現象（見圖2），兩個深度處理水廠均可以通過後續的臭氧活性炭將增多的藻毒素有效去除，但是常規處理水廠由於無後續有效應對措施，導致夏季出廠水的微囊藻毒素含量比進廠水要高，尤其是MC-LR和MC-RR，出廠水中的濃度為進廠原水的2～6倍，去除率為負值，因此夏季藻類較高時深度處理工藝的優勢更加明顯。
2.3不同處理工藝對微囊藻毒素去除效果分析
2.3.1預氯化與砂濾對微囊藻毒素的去除效果
冬季藻類相對較少時，預氯化與砂濾工藝段對微囊藻毒素的總體去除率為0.92%～35.92%，去除效果有限。值得注意的是，在夏季原水藻類較高時，3個水廠都出現預氯化和砂濾出水微囊藻毒素濃度增高的現象。A水廠砂濾出水不同微囊藻毒素的濃度為0.27～191.73 ng/L，最高為進廠原水6.5倍。B水廠砂濾出水不同微囊藻毒素濃度為1.08～117.91 ng/L，最高為原水的16.5倍。C水廠砂濾出水不同藻微囊毒素濃度為1.46～236.04 ng/L，最高為原水的70倍，其中MC-LR和MC-RR分別達到236.04ng/L和199.33ng/L。同時，對C水廠砂濾池反衝洗水進行採樣分析也顯示，夏季高藻期濾池反衝洗水含有高濃度微囊藻毒素，總濃度為457.06～1 477.06ng/L，其中MC-LR和MC-RR分別達到680.66和604.85 ng/L，而冬季濾池反衝洗水中微囊藻毒素濃度未見明顯升高，證明夏季水廠在砂濾過程中存在微囊藻毒素的大量釋放。
夏季砂濾出水微囊藻毒素增高的原因，可能與原水中藻類生物量較高和砂濾前預氯化有關。研究結果顯示，夏季高藻期應關注預氯化和砂濾後出水的藻毒素變化，合理控制預氯化的使用及加氯量，或者先通過有效措施去除藻細胞，減少藻毒素在水處理過程中的釋放。例如，高錳酸鉀和氯作為預氧化劑對藻的去除效果的研究結果表明高錳酸鉀氧化比氯化好，對藻細胞的破壞比氯小，釋放的藻毒素也相對較少。另外，如何安全處理含有高濃度藻毒素的夏季濾池反衝洗水，也須引起關注。
2.3.2臭氧氧化對微囊藻毒素的去除效果
對臭氧工藝段的微囊藻毒素去除效果進行分析，A水廠臭氧工藝對不同微囊藻毒素的去除率為76.08%～100%，B水廠臭氧工藝的微囊藻毒素去除率為87.49%～100%，對只有幾ng/L微量濃度的藻毒素，臭氧氧化具有同樣理想的去除效果。這與文獻報道研究結果一致［13］。並且，在夏季高藻期，臭氧氧化是應對預氯化後藻毒素升高風險的有效工藝措施。
除了作為深度處理主要工藝，B水廠還在砂濾前採用了預臭氧，夏季高藻期預臭氧出水微囊藻毒素總濃度為57.27～71.63 ng/L，是進廠原水的1.3～1.8倍，同樣出現出水藻毒素升高。分析原因也是由於臭氧殺滅藻細胞進而造成藻毒素釋放，同時高藻原水的高pH大大降低臭氧的氧化電位，削弱氧化效果。
分析可見，臭氧氧化作為水處理中的高級氧化技術在微囊藻毒素去除上表現出很好的效果。但是，在原水高藻期，作為預氧化使用時對藻毒素的釋放作用也應進行考慮，同時在後續處理過程中聯合臭氧活性炭工藝來有效去除藻毒素。
2.3.3粉末活性炭、紫外消毒對微囊藻毒素的去除效果
活性炭工藝對微囊藻毒素有一定去除效果，冬季去除率為6.41%～11.99%，夏季為22.43%～88.78%，冬季去除率較低可能由於該時期微囊藻毒素濃度較低，經過臭氧氧化後水只有幾ng/L，後續的活性炭體現不出明顯的去除作用。紫外消毒的藻毒素去除效果不明顯。
3結論
給水廠常規處理工藝對微囊藻毒素的去除效果有限，尤其在夏季原水藻類較多時，經過預氧化和砂濾後，常規處理出廠水微囊藻毒素含量會高於進廠原水。深度處理工藝對微囊藻毒素去除效果較好，尤其臭氧氧化表現出很好的藻毒素去除作用，臭氧活性炭工藝可以有效去除預氯化後藻毒素的升高風險，保障出廠水安全。因此，在給水廠處理中，針對微囊藻毒素建議採用臭氧活性炭為主的深度處理。
此外，夏季原水藻細胞較多，建議控制進廠原水的藻細胞數量，同時去除原水藻細胞及水中溶解性藻毒素，才能保證出廠水的安全。在預氧化之前設置氣浮池，使預氧化之前先強化去除藻細胞，盡量減少氧化造成的藻細胞破壞和藻毒素釋放問題。同時，應關注夏季高藻期預氧化和砂濾出水藻毒素升高問題，以及含高濃度藻毒素的夏季濾池反衝洗水的安全處理。
微信對原文有刪減，原文標題：不同工藝給水廠對典型微囊藻毒素的去除研究，作者：姜蕾，刊登在《給水排水》2017年9期。
編輯：北方
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