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近年来,随着我国的湖泊、河流、水库富营养化加剧,蓝藻水华频繁暴发,由蓝藻引发的生态灾害已越来越受到全社会的广泛关注。水体异味的研究开展始于上世纪五十年代,但与其他国家相比,我国在异味领域的研究起步较晚,目前主要集中在异味的检测、生态学调查和去除等方面。但随着科学技术的发展和人民生活水平的提高,特别是2007年无锡饮用水危机事件以后,政府和人们也越来越关注水体异味污染问题。当前,在我国水体富营养化和蓝藻水华污染不断加剧的大情势下,异味物质仍将在相当长的时期内影响社会经济的发展和人民生活品质。
巢湖位于安徽省中部地区,东西各毗邻巢湖市和合肥市,是2座城市重要的饮用水源地和我国中部地区重要的水产品生产基地。近年来,受蓝藻水华的持续污染,由此引发的水环境问题越来越突出。本研究以巢湖作为案例,研究典型异味物质的时空变动及其与环境因子的影响;在此基础上,通过室内模拟研究了不同浓度蓝藻水华异味物质的变动趋势,以期探讨典型富营养化湖泊异味物质变动的一般规律,为评价水体异味物质对饮用水和水产品的潜在危害和防治巢湖水体异味污染提供基础数据。
鉴于现阶段水处理工艺中异味物质的去除主要利用高成本的粉末活性炭吸附以及臭氧氧化等工艺,本文以粉煤灰和膨润土为原料合成了混合吸附剂,并研究了该吸附剂对土霉异味物质的吸附特性;将Fe2+负载到分子筛NaY制备异相photo-Fenton催化剂FeY,在不同紫外光条件下降解土霉异味物质。
本文主要研究内容和结果如下。
1.在巢湖设置三个采样位点:W1、E3和E6,分别位于巢湖西部、东部和中部。从2009年4月至2010年3月每月采集的表层水、底层水和沉积物间隙水,调研了6种异味化合物(MIB,geosmin,IBMP,IPMP,β-ionone和β-cyclocitral)的动态变化。分析了巢湖三个位点表层水、底层水和沉积物间隙水异味物质之间关系。三个位点主要异味物质是MIB和β-ionone,表层水中其浓度高于底层水和沉积物间隙水。除了β-cyclocitral外,其它异味物质在表层水中浓度在不同时间高于它们的嗅觉阈值。W1位点表层水中总geosmin、IBMP与和β-ionone与底层水中geosmin、IBMP和β-ionone均显著正相关;E3位点表层水中总geosmin与底层水中geosmin正相关,且底层水geosmin浓度与其沉积物间隙水中浓度显著正相关;E6表层水中总IBMP和β-ionone与底层水中IBMP和β-ionone正相关。W1和E6点底层水β-cyclocitral与沉积物间隙水β-cyclocitral正相关。巢湖W1、E3和E6三个位点表层水异味物质与环境因子之间CCA分析结果表明,MIB与鱼腥藻细胞数正相关;三个位点的β-cyclocitral与蓝藻细胞数相关。
2.微囊藻水华水体的异味类型与异味物质浓度的变化研究。将野外微囊藻水华浓藻浆以过滤后的湖水稀释得到六组不同浓度的藻样,其叶绿素α含量分别为0.925、0.470、0.152、0.043、0.021和0.011mg/L,每隔2-6天取样分析,实验周期30天。结果表明,所有藻样的叶绿素α呈现为下降趋势,异味化合物浓度均呈现出先升高后降低趋势。高浓度叶绿素α和中等浓度叶绿素α藻样(Chla≥0.152 mg/L)产生溶解态异味物质类型有MIB,IBMP,IPMP,β-ionone,β-cyclocitral,DMS和DMTS,叶绿素α低的样品(Ch1α≤0.043 mg/L)藻样只有前5种物质,DMS和DMTS浓度低于检测限。生物量高的藻样产生异味强度高于生物量低的藻样。所有样品产生的溶解态IBMP和IPMP大约在16天左右达到最高值,之后逐步下降。溶解态β-柠檬醛在第14-16天左右下降,溶解态β-紫罗兰酮在第16-18天左右下降。中浓度叶绿素a藻样(Chlα≥0.152 mg/L)溶解念MIB在4-8天达到高峰,然后开始下降,低浓度叶绿素a藻样(Chlα≤0.043mg/L)产生溶解态MIB在10-12天达到高峰后开始下降。高浓度叶绿素α藻样(Chlα≥0.925 mg/L)产生溶解态DMS和DMTS时间在第3天,最高峰在6天,持续到第20天左右,之后浓度低于检测限。中等浓度叶绿素α藻样(Chlα0.470-0.152 mg/L)产生DMS和DMTS时间分别在第4天和第5天,最高峰在第8天,持续了2-3天之后浓度低于检测限。
3.以粉煤灰和膨润土为原料按照一定比例混合制得低成本吸附剂。在pH8、吸附剂15 mg/L和吸附60 min时候该吸附剂吸附MIB和geosmin吸附效率分别是59.9%和63.7%,比粉煤灰和膨润土单独使用吸附效率增加。吸附剂的扫描电镜图可以看出活化后的粉煤灰表面出现空洞,膨润土呈现清晰的层状结构,比表面积增加;混合后的膨润土的层间距由混合前0.56 nm扩大到0.59 nm,与MIB和geosmin分子尺寸相符。MIB和geosmin无论是在单组份溶液体系还是双组份溶液体系的等温吸附符合Freundlich等温吸附模型,表明该吸附过程不是单分子层吸附,而是一个非均相吸附体系。添加腐植酸模拟NOM对吸附的影响,发现添加腐植酸后geosmin和MIB的吸附效率略微下降。通过吸附剂金属离子浸出实验证明该吸附剂的使用是安全的;与其它吸附剂(高锰酸钾复合药剂和粉末活性炭)吸附效果相比,该吸附剂可以替代或者部分替代粉末活性炭用于水处理过程中土霉异味物质的吸附。
4.通过NaY型分子筛负载Fe2+制备异相Fenton催化剂FeY,催化剂重复5次使用具有较好催化效率。在pH6.5、FeY28 mg/L和H2O220 mg/L条件下,MIB和geosmin加入到UVB/Fenton体系中60 min内降解效率分别为80.2%和84.9%。开展不同紫外光(UVA、UVB和UVC)条件下异相UV/Fenton降解MIB和geosmin实验,反应结果表明随着辐照能量的增加,MIB和geosmin的降解速率常数升高,geosmin降解速率常数高于MIB。将MIB和geosmin加入武汉东湖湖水进行降解,发现降解效率低于纯水样品。