藻类胞内代谢物与净水剂形态匹配机制及强化凝聚/吸附去除原理

饮用水源藻类大量繁殖时如何有效保障饮用水质安全是我国当前亟需解决的重要问题之一。预氧化灭活藻类有利于除藻，但存在藻毒素、致嗅物质等胞内代谢物释放的风险。此外，另一类表现为消毒副产物（DBPs）前驱体的胞内代谢物及其对饮用水质安全风险的影响在近年来得到关注。但是，由于未阐明其结构特征与DBPs生成的关系、未建立科学的去除原理，从而在工程中缺乏可行的控制技术。本项目围绕絮凝这一关键环节，以胞内代谢物形态结构特征表达为基础，揭示胞内代谢物与絮凝剂、吸附剂之间的结构及形态匹配机制，构建可优势去除不同形态胞内代谢物的絮凝/吸附协同多相微界面体系，进而强化凝聚/吸附过程去除胞内代谢物、控制消毒副产物生成。本项目将为富营养化水源高藻期的饮用水净化与水质风险控制提供科学依据和技术基础。

“藻华”对饮用水质安全的影响得到国内外高度关注。藻细胞大量繁殖不仅影响处理工艺运行，而且藻毒素、致臭物质以及蛋白、多糖、核酸和脂类等胞内代谢物释放可能增大水质风险。传统混凝去除藻细胞效果有限，预氧化能提高混凝除藻效率但存在藻细胞破坏、胞内物质释放风险。首先需要在灭活藻细胞、控制胞内代谢物释放与强化除藻之间找到最佳平衡点，并以常规工艺为基础建立胞内代谢物强化去除技术原理。本项目围绕上述需求，以铜绿微囊藻为藻细胞代表，深入研究了预氧化影响混凝除藻的过程与机理，提出适度预氧化强化混凝除藻技术原理，并建立以胞内代谢物与絮凝剂的形态作用关系为依据的胞内代谢物强化去除工艺方法。. 研究发现，预氯化可快速破坏藻细胞膜完整性并导致胞内藻毒素释放，释放到的藻毒素将被氯进一步降解；胞内藻毒素释放速率快于氯降解胞外藻毒素的速率。预氯化可发挥助凝作用而提高铝盐混凝去除铜绿微囊藻的效能。活性氯能够破坏藻细胞完整性，导致胞内物质释放，但对藻细胞的表面电位和形貌无显著影响。释放到水中的胞内溶解性有机物浓度、分子量分布和不同组分的比例，对后续铝盐混凝除藻有重要作用。. 研究提出高锰酸钾预氧化强化亚铁盐混凝（Mn(VII)-Fe(II)）的“适度预氧化”思路以发挥灭活藻细胞作用，并避免胞内代谢物大量释放。Mn(VII)-Fe(II)除藻效能显著高于相对应的Mn(VII)-Fe(III)。Mn(VII)-Fe(II)实现“适度预氧化”，使预氧化在达到灭活藻细胞目的后即终止，避免了溶解性有机物浓度过高和小分子量组分过多。另一方面，Mn(VII)-Fe(II)为体系持续提高比预制三价铁活性更高的新生态三价铁混凝剂，有利于絮体生长。进一步研究了Mn(VII)-Fe(II)作为铝盐混凝预处理的除藻效能，结果表明其除藻效果显著高于Mn(VII)-Fe(III)，且强化效果优于Mn(VII)与Fe(II)预处理的效果之和。Mn(VII)-Fe(II)不仅实现适度预氧化，还实现铝盐和新生态三价铁作为双混凝剂的协同作用。. 围绕释放的胞内物质强化去除问题，研究AlCl3和PACl去除不同分子量、不同亲疏水性胞内物质的形态作用机制，发现PACl相对于AlCl3在去除小分子量、亲水性有机物上具有明显优势，从而表现出更佳的去除控制胞内物质的作用效能。