高锰酸钾预氧化对藻活性和胞内外有机物的影响

中国环境科学2017,37(7)：2708~2714ChinaEnvironmentalScience高锰酸钾预氧化对藻活性和胞内外有机物的影响张晓东,乔俊莲*,吕丽萍,高乃云(同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室,上海200092)摘要：以实验室纯培养的铜绿微囊藻为研究对象,针对不同生长期藻的特性,采用高锰酸钾预氧化剂,研究投加量对铜绿微囊藻胞内、外有机物DOC浓度的影响;高锰酸钾氧化后铜绿微囊藻细胞及其活性的变化;预氧化对以聚合氯化铝(PAC)作为混凝剂的混凝工艺去除不同生长期铜绿微囊藻的影响.结果表明.低浓度的高锰酸钾对藻细胞光合作用有一定的抑制作用,高浓度(≥10mg/L)的高锰酸钾预氧化会使藻细胞失活并释放大量胞内有机物.当高锰酸钾投加量为2mg/L时,投加30mg/LPAC,第9d、21d、28d、36d培养期的藻去除率分别为81%、99%、58%、35%;在不同高锰酸钾投加量下,第21d(对数期)的藻液,采用高锰酸钾预氧化强化混凝除藻效果最好,其原因可能与不同生长期胞外有机物(EOM)浓度及组分不同有关.藻处于衰亡前期和衰亡后期EOM含量显著增大,过高浓度的EOM影响了氧化剂的氧化效率,使得预氧化效果不明显.稳定期和对数期藻液中EOM含量较低,此时氧化剂与藻细胞接触,易刺激藻细胞分泌物质,而一定浓度的EOM可以起到助凝的作用,使得预氧化后强化混凝效果良好.高锰酸钾还原产物是水合MnO2,会促进混凝并可以附着在藻细胞表面提高藻细胞沉降性.关键词：铜绿微囊藻；生长期；高锰酸钾；预氧化；混凝中图分类号：X524文献标识码：A文章编号：1000-6923(2017)07-2708-07Pre-oxidationeffectsofpotassiumpermanganateonactivityofalgalcellsandtheorganicsofintracellularandextracellular.ZHANGXiao-dong,QIAOJun-lian*,LÜLi-ping,GAONai-yun(StateKeyLaboratoryofPollutionControlandResourcesReuse,CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China).ChinaEnvironmentalScience,2017,37(7)：2708~2714Abstract：Basedondifferentcharacteristicsofpure-culturedMicrocystisaeruginosaindifferentgrowthphases,theeffectofpotassiumpermanganatepre-oxidation,ontheDOCofintracellularandextracellular,removalefficiencyandchangesofcellswerestudied,andPACwasusedascoagulantforsubsequentcoagulation.TheresultsshowedLowconcentrationpotassiumpermanganateusedinpre-oxidationphasecaninhibitthealgalphotosynthesis,andhighconcentrationusedwouldinactivatethealgalcellsandreleaselargequantitiesofintracellularorganicmatter.Whenpotassiumpermanganatedosageis2mg/LandPACdosageis30mg/L,in9d、21d、28d、36d,theremovalratesofalgaeare81%、99%、58.2%、35.35%respectively.Indifferentpotassiumpermanganatedosages,algalsamplesreachthebestremovalefficiencyin21daywhichisthelogarithmicstage,whichmayberelatedtothecontentandcomponentsofExtracellularOrganicMatter(EOM)indifferentgrowthphase.Inearlysenescencephaseandlatesenescencephase,theconcentrationofEOMsignificantlyincrease,whichaffectedoxidationofpotassiumpermanganateandthusresultedinthedecreaseofcoagulationeffectiveness.SincetheconcentrationofEOMwaslowinstationaryphaseandlogarithmicphase,oxidantcouldcontactwithalgaeandpromotedalgaetosecreteEOM.TheproperamountofEOMcanenhancetheefficiencyofalgaeremoval.ThereductionproductofpotassiumpermanganateishydratedMnO2,whichwillpromotecoagulationandcanbeattachedtothesurfaceofalgaetoimprovealgalcellsedimentation.Keywords：microcystisaeruginosa；growthphase；potassiumpermanganate；pre-oxidation；coagulation藻类爆发是水体富营养化带来的一个突出问题,其产生的藻毒素严重影响水源的供水安全[1].当前应对突发的水华事件最主要、最有效、最经济的方法是混凝除藻[2-4].高锰酸钾预氧化是水处理中常用的强化混凝除藻工艺[5],预氧化可以大大增强混凝效果,在去除受污染水源中的藻类、色度、嗅味和有机污染物等方面备受关注[6].Knappe等[7]比较系统的收稿日期：2016-12-24基金项目：国家水体污染控制与治理重大科技专项(2012ZX07403-001);上海市科委项目(0400236036)*责任作者,副教授,[e-mail]7期张晓东等：高锰酸钾预氧化对藻活性和胞内外有机物的影响2709研究了高锰酸钾的强化混凝作用,从药剂投加量到处理时间,再到混凝剂的用量,发现高锰酸钾能有效强化混凝.高锰酸钾氧化作用对藻细胞生物活性有一定影响.Petrusevski等[8]研究认为其主要原因是高锰酸钾氧化降低了藻细胞活性,使其利于沉降.大量研究表明高锰酸钾预氧化可以降低混凝除藻过程中混凝剂的用量.El-Dars[9]研究了高锰酸钾对铝盐和铁盐混凝除藻的效果,发现高锰酸钾可以大大降低混凝剂的用量并很好的去除藻类.高锰酸钾强化混凝除藻的效果不仅来源于其氧化作用,其还原产物同样助于混凝过程.Chen等[6]在前人基础上研究认为高锰酸钾还原产物是水合MnO2,会对混凝有促进作用,它既能吸附有机物质,同时还能附着在藻细胞表面,提高了藻细胞的沉降性.然而由于藻细胞是一种具有生命活性的微生物,其不同生长周期的生理特性与形态特征对混凝过程具有较大的影响[10-12].特别是随着生长期和代谢条件的变化,与藻细胞壁相联系的官能团(主要是羧基,偶尔也有酚基、羟基)的浓度和反应会发生波动,直接影响藻细胞的负电荷密度和等电点[13-14],由于这些官能团多存在于藻细胞的EOM中,EOM的性质及其动态变化必然影响藻类的预氧化及混凝效果[15].因此对藻类不同生长周期预氧化效果的研究为预氧化在藻类去除过程中的实际应用具有一定的指导意义.本文以聚合氯化铝(PAC)为混凝剂,对不同生长期的铜绿微囊藻进行高锰酸钾预氧化强化混凝实验,并通过藻、浑浊度去除率及EOM、Zeta电位的变化,探究了高锰酸钾预氧化强化混凝对不同生长期铜绿微囊藻去除效率差异的机理.1实验材料与方法1.1实验仪器总碳分析仪(TOCV-CPN,岛津),ZetasizerNanoZ型Zeta电位分析仪(英国马尔文),PAM调制叶绿素荧光仪(德国WALZ),UV-1800紫外可见分光光度计,MY3000-6智能型混凝试验搅拌仪,XSP-8C三目生物显微镜,101a-1型电热干燥箱,TGL-16C台式离心机.1.2药剂与材料聚氯化铝(PAC)(市售,Al2O3,29%~32%,盐基度,50%~85%);藻种(铜绿微囊藻(Microcystisaeruginosa))购于中国科学院水生生物研究所国家淡水藻种库(FACHB),编号为FACHB-469.(接种好的水样置于玻璃瓶中,在光照生化培养箱中培养,培养温度为25℃,光照强度为1000lx,光暗比L:D=12:12)1.3实验方法1.3.1藻细胞生物量和藻的光合活性参数的测试方法藻细胞生长到一定程度时,用分光光度计在600~750nm之间每隔5nm进行波长扫描,绘制吸收曲线,确定最大吸收峰波长.铜绿微囊藻最大吸收波长为680nm,藻细胞的生物量即用在680nm波长处的光密度值OD680表示.然后将藻溶液稀释成不同的浓度梯度,测定OD680数值,同时在显微镜下放大400倍用血细胞计数板进行藻细胞计数.得到藻细胞浓度与OD680值之间的换算关系,铜绿微囊藻细胞浓度(106cells/mL)=23.209×OD680,R2=0.9979.藻的光合活性参数采用PHYTO-PAM(Walz,德国)测定.光合量子产率Φe通过式(1)计算得到:Фe=Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm(1)式中:Fm为在暗适应状态下,PSII系统在打开饱和脉冲后产生的最大荧光值;Fo为在暗适应状态下,PSII系统在打开饱和脉冲前产生的荧光值.1.3.2DOC的测定将藻原液和絮凝后上清液分别经过0.45µm的滤膜过滤后,用总碳分析仪(TOCV-CPN,日本岛津)直接测定水中DOC,以表征胞外分泌有机物(EOM).取一定量的藻液离心,取被离心藻细胞,用纯水冲洗稀释到与胞外溶液体积相同,并采用冻融法4次后过0.45µm的滤膜,测定滤出液的DOC,为胞内有机物.1.3.3Zeta电位的测定用Zeta电位分析仪(ZetasizerNanoZ,英国马尔文)测定藻细胞表面的Zeta电位,比较随条件变化藻细胞Zeta电位的变化情况.1.3.4絮凝效果的测定600mL烧杯中加入500mL藻悬液,投加一定浓度的高锰酸钾预氧化2710中国环境科学37卷2h,紧接着投加一定浓度PAC.250r/min快速搅拌2min,30r/min慢速搅拌5min.静沉1h后,于液面下2cm处取上清液测定.2结果与讨论2.1高锰酸钾投加量对铜绿微囊藻胞内、外有机物浓度的影响为了深入进行理论研究,投加了不同浓度的高锰酸钾.在高锰酸钾氧化过程中,铜绿微囊藻的胞外和胞内有机物的DOC浓度变化分别见图1和图2.01002003004005006000369121518DOC(mg/L)t(min)2mg/L5mg/L10mg/L20mg/L图1不同浓度高锰酸钾氧化过程中胞外DOC的变化Fig.1VariationofextracellularDOCduringvariousdosagesKMnO4oxidation01002003004005006001.01.52.02.53.03.54.04.5DOC(mg/L)t(min)2mg/L5mg/L10mg/L20mg/L图2不同浓度高锰酸钾氧化过程中胞内DOC的变化Fig.2VariationofintracellularDOCdur