鄒倫妃，肖 琛，張啟偉，鄭 琦

（江漢大學(xué) 光電化學(xué)材料與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430056）

0 引言

長(zhǎng)江與漢江在武漢市交匯，面向武漢居民的飲用水水源亦主要來(lái)自于長(zhǎng)江和漢江［1］。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展和城市人口的不斷增加，武漢市及其周邊工農(nóng)業(yè)廢水、生活污水總量與污水處理能力、長(zhǎng)江水體自凈能力之間的矛盾日益突出。水污染已經(jīng)導(dǎo)致長(zhǎng)江中下游的總氮、總磷等指標(biāo)升高，結(jié)合近些年春季氣溫偏高，加速了地區(qū)藻類的出現(xiàn)與擴(kuò)散趨勢(shì)［2］。也有研究［3］表明，在水溫適宜時(shí)，武漢市漢江水源地爆發(fā)“水華”的風(fēng)險(xiǎn)較高，可能影響供水安全。2019 年4 月，武漢市水務(wù)集團(tuán)在國(guó)標(biāo)GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》［4］基礎(chǔ)上的（Q/WJT 01—2018）新增了一些指標(biāo)，其中，針對(duì)漢江水源自身的特點(diǎn)專門增加了1 項(xiàng)地方特色指標(biāo)——藻類。由此可見，武漢市飲用水原水中的藻類問(wèn)題已較為嚴(yán)重，引起了有關(guān)部門的重視。

藻類爆發(fā)后可能形成所謂的“高藻水”。一方面，高藻水含有較高濃度的藻毒素，損害人類健康；另一方面，當(dāng)水廠對(duì)高藻水進(jìn)行氧化和消毒處理時(shí)，藻細(xì)胞會(huì)釋放大量的消毒副產(chǎn)物（disinfection by-products，DBPs）前體物，這些前體物在氯消毒過(guò)程中又生成多種DBPs，同樣威脅人類健康［5］。因而，如何安全地處理原水中的藻類是在飲用水消毒過(guò)程中必須重視與思考的問(wèn)題。本文將從原水中的藻類分布情況、藻類的危害、高藻水的處理方法等方面探討武漢市飲用水原水中的藻類解決思路。

1 武漢市飲用水原水中的藻類分布情況

一項(xiàng)2018 年的研究［6］表明，長(zhǎng)江武漢段與漢江武漢段的優(yōu)勢(shì)藻類均為硅藻，此外還有綠藻、藍(lán)藻、甲藻等；與此同時(shí)，藻類分布呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性，在冬春季節(jié)濃度較高。然而，另一項(xiàng)2014 年的研究［7］則顯示，長(zhǎng)江武漢段中的優(yōu)勢(shì)藻類為綠藻，其次是硅藻，鮮有藍(lán)藻。此外，當(dāng)發(fā)生“水華”現(xiàn)象時(shí)，即便處于同一季節(jié)的不同階段，漢江中下游的藻類分布情況也隨之發(fā)生變化［8-9］。這些研究結(jié)果的差異性固然與采樣時(shí)間和采樣地點(diǎn)等因素有關(guān)，但也暗示我們，從長(zhǎng)期發(fā)展以及季節(jié)變換來(lái)看，水域中的藻類是動(dòng)態(tài)變化的。因此，相關(guān)人員需要經(jīng)常監(jiān)測(cè)原水中的藻類情況，以便隨時(shí)調(diào)整高藻水的處理方案。

2 飲用水原水中藻類的危害

采用預(yù)氧化、混凝沉淀、砂濾、消毒等工藝處理飲用水原水后，其中的大部分藻類可以被消除，而與之相關(guān)的生物危害性主要涉及兩個(gè)方面：藻毒素和DBPs。淡水水域中的藻毒素主要由藍(lán)藻產(chǎn)生，已有相關(guān)文獻(xiàn)總結(jié)了其危害性，主要涉及肝腎毒性、胃腸毒性、生殖毒性、免疫毒性和神經(jīng)毒性等［10-13］，本文不再贅述。

與藻毒素不同，DBPs 的來(lái)源較為復(fù)雜，其前體物與排放到水中的有機(jī)質(zhì)以及各種藻類均有一定的相關(guān)性［14］。在高藻期間采用氯消毒原水時(shí)，飲用水中超過(guò)70%的DBPs 前體物可能來(lái)源于藻細(xì)胞［5］。目前已確認(rèn)的DBPs 超過(guò)700 種，其中三鹵甲烷、鹵乙酸、溴酸鹽及亞氯酸鹽等，因其高毒性或致癌性已被多國(guó)納入飲用水質(zhì)量監(jiān)測(cè)體系［15］。研究［16-17］表明，常見的限制性DBPs三鹵甲烷和鹵乙酸的生成量與原水中的藻類密切相關(guān)；另有幾類具有高慢性細(xì)胞毒性和基因毒性的DBPs，如鹵代硝基甲烷、鹵乙腈、鹵代乙酰胺等，其生成量也受到了藻類的影響［18-19］。另外，藻類不僅參與已知DBPs 的形成，且很可能與未鑒定的DBPs 存在關(guān)聯(lián)性，其對(duì)飲用水安全還存在未知威脅，應(yīng)當(dāng)引起科研工作者和監(jiān)管部門的重視。

如前文所述，武漢市飲用水原水中的藻類主要包括藍(lán)藻、硅藻、綠藻等，因而在探討藻類的處理方法時(shí)，這幾種藻類應(yīng)當(dāng)被重點(diǎn)關(guān)注。通常需要從三個(gè)方面考慮如何處理原水中的藻類，涉及藻細(xì)胞與藻毒素的去除技術(shù)，以及如何減少藻源類DBPs 的產(chǎn)生等。本文重點(diǎn)關(guān)注與藻源類DBPs 有關(guān)的內(nèi)容。

3 飲用水原水中藻類物質(zhì)的去除方法

目前針對(duì)原水的除藻技術(shù)較為成熟，并且多種技術(shù)已經(jīng)在水處理工藝中被積極采用，主要包括預(yù)處理技術(shù)和強(qiáng)化工藝技術(shù)［20］，其中，預(yù)處理技術(shù)又包括物理除藻法和化學(xué)除藻法，此外還有生物除藻法等。

3.1 物理法

常規(guī)的物理除藻手段主要通過(guò)機(jī)械篩分、強(qiáng)制截留等方式實(shí)現(xiàn)，對(duì)藍(lán)藻、綠藻和硅藻都有一定的去除效果。另外，一些比較先進(jìn)的物理法技術(shù)也逐漸被應(yīng)用，如超濾膜法和氣浮法。超濾膜技術(shù)除藻效果良好，具有操作簡(jiǎn)單、能耗低等特點(diǎn)，被認(rèn)為是當(dāng)下最有前景的水處理技術(shù)之一，在國(guó)外已得到了一定規(guī)模的應(yīng)用，我國(guó)也有部分城市在推進(jìn)［21］；氣浮技術(shù)對(duì)高藻水的除藻效果亦比較顯著，在包括武漢市在內(nèi)的國(guó)內(nèi)多個(gè)城市已得到應(yīng)用［21］。此外，紫外線法和超聲波法近年來(lái)也得到不少關(guān)注，它們均被證實(shí)有著不錯(cuò)的除藻效果，將是今后除藻技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，但目前受限于耗時(shí)耗力、費(fèi)用高等缺點(diǎn)，尚未得到推廣［22-23］。

3.2 化學(xué)法

化學(xué)法是指通過(guò)氧化劑或某些鹽類殺滅原水中的藻細(xì)胞，再結(jié)合后續(xù)的水處理工藝去除藻細(xì)胞碎片及釋放的藻毒素等。目前國(guó)內(nèi)水廠應(yīng)用最廣泛的化學(xué)法是液氯預(yù)氧化技術(shù)，其對(duì)綠藻等尺寸較小的單細(xì)胞藻類滅活效果較好，不過(guò)，對(duì)硅藻的去除率并不高。一方面，這可能與硅藻尺寸偏大且細(xì)胞壁擁有獨(dú)特的硅質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)，使得其耐氧化性較強(qiáng)［24］；另一方面，水廠經(jīng)常依據(jù)藻類的總量調(diào)節(jié)預(yù)氧化處理水平，然而，在藻類總量偏少但硅藻占優(yōu)勢(shì)的季節(jié)，因預(yù)氧化劑使用量減少而可能進(jìn)一步降低硅藻的去除率［25］。硅藻是武漢市飲用水原水中的主要藻類之一，因此，單一的液氯預(yù)氧化技術(shù)可能不能滿足要求，需要考慮其他技術(shù)或多種技術(shù)聯(lián)合，與此同時(shí)，還要考慮季節(jié)性差異帶來(lái)的影響。臭氧預(yù)氧化是另一種前景較好的技術(shù)，不僅不產(chǎn)生二次污染，而且易于與活性炭吸附法、氣浮法等物理技術(shù)聯(lián)用，在達(dá)到顯著除藻效果的同時(shí)也能夠有效地去除藻毒素［26］。另外，二氧化氯預(yù)氧化也是不錯(cuò)的選擇，其殺菌能力強(qiáng)且氧化過(guò)程中產(chǎn)生的鹵代烴類DBPs 更少，因而近年來(lái)引起國(guó)內(nèi)外不少水廠的重視，正嘗試用之取代液氯［21］。然而，因受到運(yùn)行費(fèi)用較高、生產(chǎn)條件苛刻等因素的限制，臭氧預(yù)氧化和二氧化氯預(yù)氧化技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用還比較少。

3.3 強(qiáng)化工藝技術(shù)

通過(guò)增加混凝劑的投加量、調(diào)節(jié)pH、投加助凝劑等方式可以提高除藻效果，而且，混凝過(guò)程對(duì)藻細(xì)胞破壞小，有利于減少藻毒素的釋放。此方法已是水廠廣泛使用的技術(shù)，然而該技術(shù)使用強(qiáng)度有限，僅適合作為一種預(yù)除藻手段，主要原因在于：第一，大量使用混凝劑容易導(dǎo)致水中的鹽類超標(biāo)；第二，在處理低濁高藻水時(shí)，形成的藻絮體結(jié)構(gòu)較為松散，沉降性能差，容易堵塞濾池等；第三，混凝過(guò)程雖然對(duì)于桿狀硅藻和一些單細(xì)胞綠藻有較好的去除率，但對(duì)于某些藍(lán)藻（如常見的微囊藻）、具突起尖刺的硅藻等，去除效果不佳［21，24］。

4 抑制藻源類DBPs 生成的策略

4.1 藻源類DBPs 的種類及來(lái)源

藻類能夠增加水中有機(jī)物的含量，這是其影響DBPs 生成的主要因素，不過(guò)，因藻類有機(jī)物與具體DBPs 的關(guān)聯(lián)性較為復(fù)雜，導(dǎo)致這方面的研究仍然比較滯后［19，27］。然而，原水中存在藻類已成為一個(gè)常見現(xiàn)象，這使得此類研究逐漸得到重視。

一般可大體將藻類產(chǎn)生的有機(jī)物分為胞內(nèi)有機(jī)物（intracellular organic matter，IOM）和胞外有機(jī)物（extracellular organic matter，EOM）。常見藻類產(chǎn)生的有機(jī)物中約50%～ 80%是親水的，它們是DBPs 前體的重要來(lái)源，而且，IOM 往往比EOM 產(chǎn)生的DBPs 更多［14，28］。這意味著，積極采用對(duì)藻細(xì)胞破壞力小的物理除藻技術(shù)與強(qiáng)化工藝除藻技術(shù)，應(yīng)當(dāng)能夠?yàn)闇p少DBPs 做出貢獻(xiàn)。不過(guò)，這些技術(shù)的能力有限而且不能有效地去除水溶性EOM［28］。更重要的是，化學(xué)法消毒在飲用水處理過(guò)程中是不可避免的措施，而DBPs 又主要在此過(guò)程中產(chǎn)生，因此，特定的消毒技術(shù)與藻源類DBPs 形成之間存在何種關(guān)聯(lián)性，是必須考慮的問(wèn)題。

目前而言，國(guó)內(nèi)水廠使用的消毒方式仍然以氯消毒為主。在采用氯消毒時(shí)，DBPs 的生成具有如下特點(diǎn)：第一，與藍(lán)藻相關(guān)的DBPs 前體物主要來(lái)源于IOM，而硅藻的IOM、EOM 均與DBPs存在重要相關(guān)性；第二，無(wú)論是含氮DBPs 還是碳質(zhì)DBPs，硅藻的產(chǎn)生量均比藍(lán)藻高，可能與硅藻細(xì)胞在消毒早期即被破壞且產(chǎn)生的DBPs 前體物種類更多有關(guān)；第三，藍(lán)藻、硅藻、綠藻等均被發(fā)現(xiàn)與三鹵甲烷、鹵乙酸、鹵乙腈、鹵代硝基甲烷類DBPs 的形成有關(guān)；第四，含氮DBPs 與藻類的關(guān)系尤為密切，這與藻類能夠釋放大量高分子有機(jī)物相關(guān)［14，19，27-29］。另外，采用氯胺消毒時(shí)，在最初的幾小時(shí)內(nèi)含氮DBPs 的生成量通常會(huì)少于氯消毒［30-31］，這是氯胺消毒的顯著優(yōu)勢(shì)之一。

4.2 利于減少藻源類DBPs 生成的處理方法

綜上可知，單純采用氯消毒方式處理原水時(shí)，不僅硅藻去除率不高，而且DBPs 的生成量也相對(duì)較高。因此氯消毒可能不適合武漢市的情況，需要其他思路。依據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)資料分析，本文總結(jié)出三條值得考慮的途徑：紫外線照射結(jié)合氯胺消毒；臭氧預(yù)氧化結(jié)合氯胺消毒；超聲波預(yù)處理結(jié)合二氧化氯消毒。

在紫外線照射結(jié)合氯胺消毒的處理方式中，當(dāng)紫外線照射水樣2～ 8 h，消毒過(guò)程中產(chǎn)生的有機(jī)氯胺會(huì)被殘留的氯胺分解，因有機(jī)氯胺與DBPs 的生成密切相關(guān)，所以這種組合方式能夠使藻源類DBPs 的生成量顯著低于常規(guī)的氯消毒［30］。

單一的臭氧預(yù)氧化處理即有不錯(cuò)的除藻效果，而在預(yù)氧化之后繼續(xù)使用氯胺消毒可進(jìn)一步抑制相關(guān)DBPs 的生成，并且抑制效果與藍(lán)藻的生長(zhǎng)階段關(guān)系不大，這意味著臭氧預(yù)氧化結(jié)合氯胺消毒技術(shù)有望在不同季節(jié)均能發(fā)揮積極作用［32］。

在用二氧化氯消毒原水之前先用超聲波除藻，不僅能夠顯著降低水中腐殖酸的含量，甚至可以減少消毒劑的使用量，最終可通過(guò)多因素共同抑制相關(guān)DBPs 的生成［33］。

5 結(jié)語(yǔ)

綜合分析飲用水原水中的藻類分布情況以及除藻技術(shù)與消毒技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于減少武漢市飲用水原水中藻類相關(guān)DBPs 的舉措需要從以下幾個(gè)方面考慮：

1) 充分了解季節(jié)性差異對(duì)藻類分布情況的影響，并建立藻類別的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)機(jī)制；

2) 在許可范圍內(nèi)，加強(qiáng)物理除藻技術(shù)及強(qiáng)化工藝技術(shù)的使用，以便減少對(duì)藻細(xì)胞的破壞，進(jìn)而減少水中IOM 的總量，尤其是大分子有機(jī)物的含量；

3) 逐步用氯胺或二氧化氯消毒取代氯消毒，以抑制DBPs 的形成；

4) 在條件成熟后，論證新型除藻技術(shù)（包括超聲波、紫外線等）與化學(xué)消毒技術(shù)聯(lián)合使用的可能性與必要性。