MIEX?預處理對水源水中藻源DON的去除效能及機理

劉 成，王 杰，陳 彬，陳 衛(wèi)，*（.河海大學，淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇 南京 0098；.河海大學環(huán)境學院，江蘇 南京 0098）

MIEX?預處理對水源水中藻源DON的去除效能及機理

劉 成1，王 杰2，陳 彬2，陳 衛(wèi)1，2*（1.河海大學，淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學環(huán)境學院，江蘇 南京 210098）

利用小試試驗研究了磁性離子交換樹脂預處理（MIEX?）對高藻水源水中的溶解性有機氮（DON）的去除效能，并通過分子量分布測定、雙向電泳等手段初步分析了其作用機理.結果表明， MIEX?預處理對DON具有較好地去除效果，并可有效強化混凝工藝的處理效能.投加量為15mL/L時，MIEX?預處理可提升DON去除率20%；以銅綠微囊藻為主要種屬的高藻水源水中藻類蛋白種類不低于230種，且大多數處于酸性端，分子量區(qū)間主要分布于15～40Ku、65～75Ku，處于MIEX?預處理可去除的分子量區(qū)間，從而具有較好的去除效果.綜上所述，MIEX?預處理可以作為強化去除高藻水源水中DON的一種方法.

MIEX?預處理；DON；藻類；總可溶蛋白

高藻水源水中含有大量的天然有機物及藻類代謝產物，而在藻類爆發(fā)后期，隨著藻細胞的大量死亡，其細胞內的物質進入水體，對常規(guī)工藝的運行及出水水質造成負面影響［1-2］.含氮有機物是近期水處理領域關注的熱點之一［3-6］，通常用溶解性有機氮（DON）來表征其含量［7］.藻類的胞內物質富含蛋白質、氨基酸及核酸類含氮物質，是天然水體中含氮有機物的重要來源之一［8-9］，其大量釋放入水體會導致高藻水源水中DON含量相對較高.現有常規(guī)工藝對含氮有機物的去除效果有限，因此需通過增設預處理或深度處理來強化其去除效果［10-11］.MIEX?預處理作為近期廣受關注的預處理技術之一，可以顯著強化有機物的去除效能、減少消毒副產物的生成量、降低混凝劑使用量等優(yōu)點［12-14］，但目前針對其去除水中含氮有機物方面的研究尚顯不足.因此，本文主要針對藻源含氮有機物，研究MIEX?預處理及其與混凝、沉淀相結合的組合工藝對DON的處理效能，并分析了MIEX?預處理及其強化混凝去除DON的主要作用機理.

1 材料與方法

1.1 儀器與材料

定時恒溫磁力攪拌器（國華78-1）、高速冷凍離心機（美國貝克曼公司）、超聲波細胞粉碎儀（寧波新芝儀器有限公司）、紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器公司）、TOC分析儀（德國耶拿分析儀器有限公司）、紫GE Ettan DALT II system雙向電泳儀.

MIEX?由澳大利亞Orica公司提供；納氏試劑、氫氧化鈉、過硫酸鉀、酒石酸鉀鈉、對胺基苯磺酰胺、N-（1-奈基）-乙二胺鹽酸鹽、鹽酸、鈦酸丁酯、乙醇、硝酸、醋酸纖維濾膜（0.45μm）購自南京中東化玻儀器有限公司，分析純）；超純水由Millipore純水機制備.

1.2 試驗方法

1.2.1 待處理水樣的準備 用于實際水源水處理研究的原水直接取自太湖流域某水廠原水；自配水所需有機物取自實驗室培養(yǎng)的銅綠微囊藻，將培養(yǎng)至對數增長期的藻細胞經離心清洗后置于超聲波細胞粉碎機內破碎，使銅綠微囊藻細胞內部的有機物（胞內有機物，IOM）完全釋放到水中，經0.45μm濾膜過濾后用自來水稀釋至一定濃度，待用.

1.2.2 MIEX?預處理實驗 向六聯攪拌器的6個燒杯中均置入1L水樣和相同體積的MIEX?，轉速150r/min，攪拌一定時間，根據MIEX?投加量變化進行5組試驗，MIEX?投加量分別為0，5，10，15，20mL/L，對預處理后的水樣進行混凝試驗，混凝劑采用聚合氯化鋁（PAC），投加量分別為0，5，10，20，30，40，50mg/L，取樣測定DON、UV254、DOC、渾濁度、pH值，并對部分水樣中的蛋白質進行富集、提取以及雙向電泳試驗.通過動態(tài)循環(huán)試驗，驗證MIEX?的多次循環(huán)使用對助凝效果的影響，從而模擬實際工程中MIEX?不同通水倍數對后續(xù)混凝、沉淀工藝的影響.

1.3 主要檢測指標及檢測方法

1.3.1 DON的測定 DON的濃度可采用差值法計算獲得，通過溶解性總氮（TDN）與總無機氮（TIN）的差值來間接確定DON的濃度.TIN包括硝酸鹽氮（N-N）、亞硝酸鹽氮（N-N）和氨氮（N-N），其檢測方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）［15］； TDN的測定方法為水樣經0.45μm的濾膜過濾后，使用德國耶拿公司Multi N/C 2100型TOC分析儀的總氮測定模塊進行測定.

1.3.2 總可溶性蛋白的測定 總可溶性蛋白（TSP）采用考馬斯亮藍法測定.水樣測定前經過0.45μm的醋酸纖維濾膜過濾，取200μL置于比色管中，加入2.8mL考馬斯亮藍，震蕩搖勻，靜置2min后測定在595nm下的吸光度，通過標準曲線計算出水樣中蛋白質濃度.

1.3.3 蛋白質的雙向電泳分離試驗 將經過0.45μm的醋酸纖維濾膜的水樣置于millipore超濾管中，在高速冷凍離心機中離心，轉速7000g、溫度4℃，對水樣中的蛋白質濃縮提純.加入裂解液（7mol/L尿素、2mol/L硫脲、40g/L 3-［3-（膽酰胺丙基）二甲氨基］丙磺酸內鹽（CHAPS）、10g/L二硫蘇糖醇強還原劑（DTT））和蛋白酶抑制劑，充分震蕩后離心，取上清液上樣150μg進行一向等電聚焦，聚焦后的膠條分別以SDS平衡緩沖液平衡兩次，每次15min.平衡后IPG膠條轉移至電泳系統(tǒng)，用12.5%的膠進行二向電泳，恒流50mV 60min，電泳至溴酚藍跑到凝膠底部即可結束電泳，凝膠進行銀染.染色后的凝膠通過Image Scanner高密度掃描儀獲取圖像.

1.3.4 其他指標的測定方法 DOC:水樣經0.45μm的濾膜過濾后，使用德國耶拿公司Multi N/C 2100型TOC分析儀進行測定.

2 結果與討論

2.1 MIEX?對DON的去除

2.1.1 MIEX?投加量對去除DON效果的影響 MIEX?投加量與反應時間是影響DON去除效能的主要因素，因此首先考察了不同投加量條件下DON的含量變化情況，結果見圖1.

由圖1可以看出，MIEX?投加量對DON的去除效果影響較大，DON的去除率隨著MIEX?投加量的增大而增大，且反應速度較快，20min左右的接觸時間即可達到準平衡狀態(tài).原因在于，MIEX?對水體中有機物的去除主要是通過離子交換來實現的，細胞內含氮有機類化合物主要是蛋白質及小分子的游離氨基酸，而高藻水體pH值一般為弱堿性，大部分植物蛋白的等電點pI ＜7，所以在天然水體中大部分DON是顯負電性，易于與MIEX?發(fā)生離子交換而被去除；對MIEX?的性狀研究結果表明，樹脂顆粒的孔隙結構并不發(fā)達［16］，可交換基團主要分布在顆粒表面，因此可以快速地去除相應的目標化合物.

圖1 MIEX?投加量對DON去除效果的影響Fig.1 Effect of dose on the removal of DON by MIEX?原水DON 0.94mg/L，pH值7.6

圖2 pH值對MIEX?去除DON效果的影響Fig.2 Effect of pH on the removal of DON by MIEX?MIEX?投加量15mL/L，接觸時間20min

2.1.2 pH值對MIEX?去除DON效果的影響pH值是影響水中有機物存在形式的重要因素，高藻水中DON的來源主要是藻類蛋白質及游離氨基酸.蛋白質為兩性電解質，蛋白質分子中可離解的基團除肽鏈末端的氨基、羧基外，肽鏈氨基酸上的側鏈基團如酚基、巰基也可以離解成帶電基團，從而使蛋白質顯帶一定的電荷［17］，各種蛋白質具有特定的等電點，水體環(huán)境中pH值將影響蛋白質的荷電情況從而改變DON的性質.pH值對MIEX?去除DON、TSP、NO3-效果的影響見圖2.

不同pH值下MIEX?的處理效能差異較大，TSP與DON隨水樣pH值的變化規(guī)律一致，去除率均隨pH值的升高而升高，說明堿性環(huán)境可以促進MIEX?與水中DON的交換去除，導致水中氯離子濃度隨pH值升高呈現升高的趨勢.原因在于高藻水體中DON主要是藻類蛋白和氨基酸［18］，pH值的變化將影響水中各類蛋白質的荷電性，水樣環(huán)境偏堿性時，酸性基團解離出質子，與環(huán)境中的OH-結合成水，使其帶負電荷.因此水樣pH值越高，含氮有機物所荷負電量越大，越易與MIEX?發(fā)生離子交換反應.水體中除了大部分有機物帶負電，諸如N之類的無機陰離子也顯帶負電，因此DON與無機陰離子之間存在競爭去除效應，MIEX?優(yōu)先與顯帶負電量較大的物質反應.由圖2可以看出，N濃度隨pH值的升高而升高，在pH值達到8.0時N濃度驟增，說明此時樹脂與水中DON的結合能力已遠大于N.而水體pH值降至4.5時，水中DON、TSP分別降至1.8mg/L和5.0mg/L（未在圖2中列出），肉眼可見水樣中有絮體產生，原因可能在于太湖水源水中大部分藻類蛋白的pI在4.5附近，當水體pH值4.5時，大量蛋白荷電較弱，蛋白質顆粒在水中由于電荷排斥力的減弱而相互碰撞聚集，通過靜電引力迅速結合成較大聚集體而沉淀析出，這將在后續(xù)蛋白質的雙向電泳分離中進一步驗證.

2.2 MIEX?與混凝、沉淀組合工藝效能分析

2.2.1 MIEX?投加量對混凝效果的影響 投加量會顯著影響MIEX?預處理對后續(xù)混凝工藝的影響，因此考察了不同MIEX?投加量（動態(tài)循環(huán)使用達到相同通水倍數，每次循環(huán)樹脂與水樣接觸反應時間均20min進行，以600BV為例）對后續(xù)混凝、沉淀工藝的影響，結果見圖3.

由圖3可以看出，MIEX?投加量對組合工藝出水DON影響較大.相同PAC投加量情況下，DON的去除率隨著MIEX?投加量的增大而升高.此外，混凝劑投加量對組合工藝去除DON的效果也有一定的影響.當PAC投加量達到40mg/L時，MIEX?投加量為10mL/L時的效果優(yōu)于20mL/L時的.通過對水樣的Zeta電位的測定結果表明，MIEX?投加量10、20mL/L時，組合工藝出水的Zeta電位分別為-5.94、13.20mV.由此可以推斷MIEX?可以優(yōu)先置換水中負電性強的DON.通過控制MIEX?投加量達到提高強化混凝、沉淀去除DON效果，可降低樹脂再生的成本.

圖3 MIEX?循環(huán)使用對混凝、沉淀去除DON的影響Fig.3 Effect of recycling use of MIEX?on the removal of DON by coagulation and sedimentation

圖4 MIEX?循環(huán)使用對混凝、沉淀去除DOC的影響Fig.4 Effect of recycling use of MIEX?on the removal of DOC by coagulation and sedimentation

對水樣的DOC進行了測定，結果見圖4.可以看出，工藝對DOC去除效果明顯優(yōu)于DON，原因可能在于DON的組成成分中部分為親水性有機物，而疏水性組分所占比例相對較小.

2.2.2 MIEX?通水倍數對混凝效果的影響 MIEX?投加量為10mL/L，通水倍數分別為500，1000，1500BV，PAC劑量為20mg/L時， MIEX?與混凝、沉淀聯用工藝對DON的去除率分別為30.1%、23.2%、21.2%（圖5），而相同條件下DOC的去除率則分別達到44.2%、39.1%、35.7%；增加PAC的投加量對兩指標的去除效果改善不明顯.

綜合圖3～圖5可以看出，MIEX?預處理可以有效去除水中DON、DOC，與混凝、沉淀工藝組合可進一步提升其去除效果，但是組合工藝的處理效能低于兩工藝單獨使用時的效果之和，說明兩種工藝對有機物的去除有一定的互補，同時又存在一定的干擾影響.

圖5 通水倍數對MIEX?預處理強化混凝去除DON的影響Fig.5 Effect of treating volumes on the removal of DON by MIEX?pretreatment enhanced coagulation

2.3 MIEX?強化混凝去除DON機理

2.3.1 有機物分子量分布的變化 為探討MIEX?對藻源DON的強化去除機理，投加15mL/L MIEX?、反應20min后取樣測定各分子量區(qū)間內DOC、DON.自配水樣DON濃度為0.71mg/L，總可溶解性蛋白（TSP）濃度為5.13mg/L.各分子量區(qū)間DON的變化見圖6.

圖6 處理過程中各分子量區(qū)間DON的變化Fig.6 Molecular weight distribution of DON in the effluent of different processes

由圖6可以看出，原水中DON的分子量分布主要集中在10～30Ku和＜1Ku區(qū)間內，分別占DON總量的38.7%、28.1%，這主要是由于高藻水體中含氮有機物主要由蛋白質及小分子游離氨基酸組成.混凝、沉淀工藝對DON的去除十分有限，且去除主要集中于分子量區(qū)間為＞30Ku、10～30Ku的部分，其他分子量區(qū)間的DON基本沒有去除.而MIEX?預處理對各個分子量區(qū)間的DON均有較好的去除，對于＞30Ku、10～30Ku、＜1Ku分子量區(qū)間DON去除率分別為28.3%、23.3%、37.9%，這是由于DON所代表的有機物各分子量區(qū)間均顯帶負電性.單獨的混凝+沉淀工藝對DON的去除效果較差的原因正是由于DON的親水性及強負電性；通過MIEX?預處理將部分負電性較強的DON去除，改變了原水的水質特征，從而可以達到強化混凝的效果.

由圖6的結果還表明，雖然MIEX?預處理、混凝+沉淀工藝對水中DON的分子量去除區(qū)間具有一定的差異，但存在部分的重疊區(qū)間，因此兩種工藝對DON去除具有一定的互補作用，但也存在針對部分大分子有機物的競爭去除，通過工藝組合可達到對原水中各個分子量區(qū)間DON均有一定去除的結果.

2.3.2 可溶性蛋白的變化 為進一步探索MIEX?預處理強化混凝+沉淀工藝去除DON的機理，以銅綠微囊藻胞內有機物配制原水，分別針對原水及經過15mL/L MIEX樹脂反應20min后水樣分別進行雙向電泳實驗，電泳圖譜見圖7.

圖7 MIEX?處理前后TSP雙向電泳圖譜（15mL/L）Fig.7 TSP two-dimensional electrophoresis spectra before and after MIEX?treatment （15mL/L）

從電泳圖譜中可以得出藻類蛋白的分子量分布和等電點值，圖7（a）中顯示的電泳圖譜上總共有230個蛋白點，且絕大部分分布于酸性端；分子量在15～40Ku、65～75Ku左右區(qū)間的蛋白點較多，這與分子量分布的測定結果基本一致，低于1Ku的部分應該主要由氨基酸組成.由于高藻期太湖水源水中的優(yōu)勢藻屬為銅綠微囊藻，可以推斷太湖水體中的主體蛋白種類與針對銅綠微囊藻胞內有機物的測定結果相近.與圖7（b）對比可以看出:對于相同等電點的蛋白，MIEX?對小分子蛋白去除效果較好，這是由于MIEX?粒徑是一般樹脂的1/5～1/2（180μm左右），小分子量的蛋白更易于在水中擴散至樹脂顆粒表面，從而實現交換去除；對于一些等電點較低的蛋白，MIEX?對大分子蛋白的去除效果得到加強，位于酸性端分子量100Ku左右的部分蛋白被完全去除.

可以看出，MIEX?對水中DON的去除主要通過交換作用來進行，而高藻水源水中大部分含氮有機物均處于酸性端，在高藻水源水通常的pH值條件下顯帶負電，從而可以通過MIEX?預處理較好地去除.

3 結論

3.1 MIEX?對高藻水中的含氮有機物具有較好的去除效果，且對混凝、沉淀工藝具有較好的強化作用，提升DON去除率20%.

3.2 原水pH值對MIEX?去除DON的效能影響較大，高藻水源水的偏堿性條件有利于MIEX?對水中含氮有機物的去除.

3.3 雙向電泳及分子量分布的測定結果表明，銅綠微囊藻胞內主體蛋白種類約為230個，且大部分分布于酸性端（pI＜7），主要分布在分子量區(qū)間為15～40Ku、65～75Ku，從而在通常高藻原水pH值時顯帶正電，可通過離子交換機理去除.

［1］Her N， Amy G， Park H-R. Characterizing algogenic organic matter （AOM） and evaluating associated NF membrane fouling ［J］. Water Research， 2004，38（6）:1427-1438.

［2］Henderson R， Baker A， Parsons S， et al. Characterisation of algogenic organic matter extracted from cyanobacteria，green algae and diatoms ［J］. Water Research， 2008，42:3435-3445.

［3］Tanush W， Halis S， Murthy K， et al. Dissolved organic nitrogen and its biodegradable portion in a water treatment plant with ozone oxidation ［J］. Water Research， 2014，（54）:318-326.

［4］Liu B，Gu L， Yu X， et al. Dissolved organic nitrogen （DON）profile during backwashing cycle of drinking water biofiltration ［J］. Science of the Total Environment， 2012，（414）:508-514.

［5］趙海超，王圣瑞，焦立新，等.洱海上覆水不同形態(tài)氮時空分布特征 ［J］. 中國環(huán)境科學， 2013，33（5）:874-880.

［6］李緒錄，張軍曉，周毅頻，等.2000～2010年大鵬灣溶解有機氮的時空分布 ［J］. 中國環(huán)境科學， 2013，33（10）:1799-1807.

［7］朱文倩，徐 斌，林 琳，等.微污染水源中溶解性有機氮組成規(guī)律及其水處理特性 ［J］. 中國環(huán)境科學， 2014，34（1）:130-135.

［8］Ye L L， Shi X， Wu X D， et al. Dynamics of dissolved organic carbon after a cyanobacterial bloom in hypereutrophic Lake Taihu （China） ［J］. Limnologica， 2011，（41）:382-388.

［9］高乃云，王 昊，黎 雷等.銅綠微囊藻細胞內外有機物特性及氯消毒副產物 ［J］. 同濟大學學報， 2010，38（9）:1314-1318.

［10］許金麗，古 勵，劉 冰等.活性炭對溶解性有機氮類化合物（DON）的吸附特性研究 ［J］. 給水排水， 2011，37:6-11.

［11］Liu B， Gu L， Yu X， et al. Dissolved organic nitrogen （DON） in a full-scale drinking water treatment plant ［J］. Journal of Water Supply Research and Technology-Aqua， 2012，61（1）:41-49.

［12］陳 衛(wèi)，韓志剛，劉 成，等.磁性離子交換樹脂對原水中有機物去除效能的研究 ［J］. 中國環(huán)境科學， 2009，29（7）:707-712.

［13］Mergen M R D， Jefferson B， Parsons S A， et al. Magnetic ion-exchange resin treatment: Impact of water type and resin use ［J］. Water Research， 2008，42:1977-988.

［14］Lee Wontae， Westerhoff Paul. Dissolved organic nitrogen removal during water treatment by aluminum sulfate and cationic polymer coagulation ［J］. Watch Research， 2006，40（1）:3767-3774.

［15］國家環(huán)?？偩帧端蛷U水檢測分析方法》編委會.水和廢水檢測分析方法 ［M］. 4版.北京:中國環(huán)境科學出版社， 2002: 258-284.

［16］Chen W， Liu Y， Liu C. Preparation and use of magnetic poly （glycidyl methacrylate） resin in drinking water treatment ［J］. Journal of Applied Polymer Science， 2013，130（1）:106-112.

［17］李 鑫，于 謙，張燕霞，等.pH影響應性表面對蛋白質吸附的調控 ［J］. 高分子學報， 2011（8）:812-816.

［18］Martin Pivokonsky， Ondrej Kloucek， Lenka Pivokonska. Evaluation of the production， composition and aluminum and iron complexation of algogenic organic matter ［J］. Water Research，2006，40:3045-3052.

Performance and mechanism for DON in algae cells removed by MIEX?pretreatment from source water.

LIU Cheng1， WANG Jie2， CHEN Bin1， CHEN Wei1，2*（1. Key Laboratory of Integrated Regulation and Resource Development Shallow Lakes， Ministry of Education， Hohai University， Nanjing 210098， China；2.College of Environment， Hohai University， Nanjing 210098， China）. China Environmental Science， 2015，35（4）：1123～1128

Bench-scale tests were conducted to study the removal efficiency of dissolved organic nitrogen （DON） in high algae-containing raw waters by the MIEX?resins. Molecular weight distribution and two-dimensional electrophoresis were determined to explore the mechanisms. The results showed that MIEX?pretreatment could remove DON effectively and enhance the effect of coagulation. When the dose of resin was 15mL/L， the removal efficiency was increased by 20% as compared with coagulation alone. More than 230 proteins were found in the raw waters with Microcystis aeruginosa as dominant species. Those proteins were mainly in the acidic end and their molecular weight were between 15～40Ku and 65～75Ku， which were prone to be removed by MIEX?. In conclusion， MIEX?pretreatment is one of the applicable methods for removing DON in high algae-containing raw waters.

MIEX?pretreatment；DON；algae；total soluble proteins

X703.5

A

1000-6923（2015）04-1123-06

劉 成（1977-），男，山東濟南人，副教授，博士，主要研究方向為水處理理論及技術.發(fā)表論文50余篇.

2014-07-15

國家自然科學基金（51378174）；國家科技重大專項（2012ZX07403-001）；江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目

* 責任作者， 教授， cw5826@hhu.edu.cn