太阳光催化氧化工艺对藻源含氮有机物的降解研究

王 杰，刘 成，朱浩强，陈 卫，（.河海大学环境学院，江苏 南京 0098；.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 0098）

太阳光催化氧化工艺对藻源含氮有机物的降解研究

王 杰1，刘 成2*，朱浩强2，陈 卫1，2（1.河海大学环境学院，江苏 南京 210098；2.河海大学浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室，江苏 南京 210098）

利用小试试验研究了太阳光/TiO2体系对铜绿微囊藻细胞内的溶解性有机氮（DON）的氧化降解过程，考察了氧化降解过程中总可溶性蛋白、多糖、UV254等指标的变化，分析了其作用机理.结果表明，7h处理后，太阳光/TiO2体系对水样中的DON降解率为29%，且降解过程中TN含量基本没有变化，而和的浓度明显增加；氧化过程中，总可溶性蛋白和多糖的含量明显减少，去除率达48.6%和54.5%.水样的浑浊度、UV254和DOC也有不同程度的去除.

太阳光催化氧化；负载TiO2；含氮有机物；铜绿微囊藻

由于藻类及其代谢产物大部分为蛋白质、氨基酸、核酸类等氮元素含量比较丰富的物质［1］，从而导致藻类成为天然水中含氮有机物的重要来源之一.高藻水源水中含量较高的含氮有机物，一方面影响饮用水常规处理工艺的正常运行（含氮有机物的大量存在会使得混凝效果降低，耗氯量增加，出水水质变差），另一方面含氮有机物也是一类新型消毒副产物（含氮消毒副产物，N-DBPs）的主要前体物［2-3］.由于含氮有机物的种类复杂，通常以溶解性有机氮（DON）来代表其含量的高低.如何有针对性去除水中的含氮有机物是目前水处理领域的研究热点之一，但尚未形成共识［4-6］.太阳光催化氧化技术作为一种绿色环保的水处理技术，目前已初步用于各类有机、无机污染物的去除以及细菌、藻类等微生物的杀灭研究中［7-10］，并已在景观水体中用于抑制藻类的过度繁殖［11］.本文主要考察太阳光催化氧化技术对藻类细胞中的含氮有机物的去除效能，并分析其作用机理，以期为该技术在实际工程中的应用提供技术支持.

1 材料与方法

1.1 试验仪器与材料

马弗炉（上海理大智能电子有限公司）、定时恒温磁力搅拌器（国华78-1）、高速冷冻离心机（美国贝克曼公司）、超声波细胞粉碎仪（宁波新芝仪器有限公司）、UV-A单通道紫外辐照计（北京师范大学光电仪器厂）、紫外可见分光光度计（北京普析通用仪器公司）、TOC分析仪（德国耶拿分析仪器有限公司）、紫GE Ettan DALT II system双向电泳仪.

纳氏试剂、氢氧化钠、过硫酸钾、酒石酸钾钠、盐酸、钛酸丁酯、乙醇、硝酸、醋酸纤维滤膜（0.45μm）均购自南京中东化玻仪器有限公司，分析纯.

1.2 试验方法

1.2.1 待处理水样的准备 将培养至对数增长期的铜绿微囊藻（藻种购自中国科学院水生生物研究所）细胞，经7500r/min离心清洗后至于超声波细胞粉碎机内破碎，使铜绿微囊的胞内有机物（IOM）完全释放到水中，经0.45μm滤膜过滤后用纯水稀释至DON浓度为1mg/L，以此水样作为待处理原水.

1.2.2 催化剂的制备 在不断搅拌下将80mL钛酸丁酯缓慢加入到400mL无水乙醇中混合均匀，即得A液.将320mL无水乙醇、8mL H2O和2.5mL （1：4）硝酸混合均匀，即得B液.将B液缓慢倒入剧烈搅拌中的A液，持续搅拌30min，陈化24h，即得TiO2胶液.采用浸渍提拉法，将经过预处理（除去其表面蜡质和其他有机物）后的玻璃纤维网浸入其中，5min后缓慢提起，取出自然晾干，然后在马弗炉中高温煅烧（从室温以2°C/min的速度逐渐升温至500°C），恒温1h，冷却后取出.重复以上过程3～4次后即可制得TiO2薄膜［12］.

1.2.3 太阳光催化氧化实验 取1000mL水样于直径15cm的烧杯中，负载有TiO2催化剂的玻璃纤维网固定在烧杯内壁，同时设置未加催化剂的空白对照，置于太阳光照下处理7h（9：30～16：30），每隔20min并充分震荡所有试验样品.试验过程中定时取样，经0.45μm滤膜过滤后测定各类水质指标.以上试验分别做两次平行样，取平均值.

TiO2吸附对比实验方法同太阳光催化氧化相近，唯一区别在于反应系统置于黑暗条件下，避免光的影响.

1.3 主要检测指标及方法

1.3.1 DON的测定方法 DON的浓度通过溶解性总氮（TDN）与总无机氮（TIN）的差值来间接确定DON的浓度.TDN的测定方法为水样经0.45μm的滤膜过滤后，使用德国耶拿公司Multi N/C 2100型TOC分析仪的总氮测定模块进行测定；TIN包括硝酸盐氮、亚硝酸盐氮和氨氮），其检测方法参照《水和废水监测分析方法》［13］.

1.3.2 总可溶性蛋白的测定 总可溶性蛋白（TDP）采用考马斯亮蓝法测定.水样测定前经过0.45μm的醋酸纤维滤膜过滤，取200μL置于比色管中，加入2.8mL考马斯亮蓝，震荡摇匀，静置2min后测定在595nm下的吸光度，通过标准曲线计算出水样中蛋白质浓度.

1.3.3 多糖的测定 多糖采用蒽酮试剂法测定.水样测定前经过0.45μm的醋酸纤维滤膜过滤，取1mL置于比色管中，加入蒽酮试剂5mL，于沸水浴中煮沸10min，取出冷却，然后于分光光度计上测定在625nm下的吸光度，从标准曲线上计算出水样中多糖的浓度.

1.3.4 蛋白质的双向电泳分离试验 将经过0.45μm的醋酸纤维滤膜的水样置于millipore超滤管中，在高速冷冻离心机中离心，转速7000g、温度4℃，对水样中的蛋白质浓缩提纯.加入裂解液（7mol/L尿素、2mol/L硫脲、40g/L 3-［3-（胆酰胺丙基）二甲氨基］丙磺酸内盐（CHAPS）、10g/L二硫苏糖醇强还原剂（DTT）和蛋白酶抑制剂，充分震荡后离心，转速15000g，取上清液上样150μg进行一向等电聚焦，聚焦后的胶条分别以SDS平衡缓冲液平衡2次，每次15min.平衡后IPG胶条转移至电泳系统，用12.5%的胶进行二向电泳，恒流50mV 60min，电泳至溴酚蓝跑到凝胶底部即可结束电泳，凝胶进行银染.染色后的凝胶通过Image Scanner高密度扫描仪获取图像.

1.3.5 其他指标的测定方法 DOC：水样经0.45μm的滤膜过滤后，使用德国耶拿公司Multi N/C 2100型TOC分析仪进行测定；UV254：水样测定前经0.45μm的醋酸纤维滤膜过滤，使用LabTech UV-1000紫外分光光度计测定水样在254nm波长处的吸光度值；浑浊度：使用HACH便携式浊度仪2100P对水样进行测定.

2 结果与讨论

2.1 太阳光催化氧化对DON的处理效能

图1 不同反应体系中DON的去除率Fig.1 Removal of DON in different reaction systems

本试验控制水样中DON的初始浓度为1.0mg/L，试验的环境温度为35℃，平均光照度为104943lux，平均UV365为1880μW/cm2，不同体系中DON含量的变化如图1所示. 由图1可知，不同反应体系中DON的降解情况存在显著的差异：TiO2吸附体系中DON的浓度基本没有发生变化；太阳光光照体系中DON有微弱地降解，去除率大约为5%左右；而太阳光/TiO2薄膜体系中DON的降解比较明显，去除率达29%.这是因为TiO2在太阳光（主要是波长小于387.5nm的光）照射下，其价带上的电子被激发越过禁带进入导带，同时在价带上留下了空穴，从而产生了具有高度活性的空穴/电子对［14］.光生空穴具有很强的氧化能力，可以将吸附在半导体表面的OH-和H2O氧化，生成具有强氧化性的羟基自由基（·OH），从而氧化降解有机污染物.同时，空穴本身也夺取吸附在半导体表面的有机物质中的电子，使原本不吸收光的物质被直接氧化分解.TiO2吸附体系中并不存在这样的反应过程，而单独的太阳光照对DON也有一定的去除作用，原因可能在于水样中存在少量的叶绿素，叶绿素类天然有机物对太阳光具有微弱的催化氧化作用，使某些含氮有机物被氧化.

2.2 太阳光催化氧化过程总可溶性蛋白和多糖含量的变化

当原水中DON为1mg/L时，其总可溶性蛋白的浓度为7.22mg/L，多糖的浓度为28.88mg/L.如图2及图3所示，经过7h的处理，不同体系中，总可溶性蛋白和多糖的含量有明显不同.与空白对照样相比，在只有太阳光照射条件下，水样中总可溶性蛋白的含量略微降低，而多糖的含量几乎未发生改变，原因可能是由于蛋白质在太阳光照或温度升高的条件下发生了变化.而在太阳光催化氧化体系中，总可溶性蛋白和多糖的去除率分别达48.6%和 54.5%，表明该反应体系对蛋白质和多糖有持续的氧化作用，原因同前述.TiO2薄膜吸附体系中，总可溶性蛋白和多糖的浓度均未发生变化.

图2 不同反应体系中总可溶性蛋白含量的变化Fig.2 Variation of TDP in different reaction systems

图3 不同反应体系中多糖的含量变化Fig.3 Variation of polysaccharide in different reaction systems

2.3 蛋白质性质的变化

为进一步分析太阳光催化氧化对DON的去除效能，针对处理后水样中的总可溶性蛋白进行双向电泳试验.

图4 太阳光催化氧化处理前后蛋白质的双向电泳图谱Fig.4 Two-dimensional electrophoresis spectra of protein before and after solar catalytic treatment

图4（a）总共显示了185个蛋白点，分子量主要介于30～80kD之间，绝大部分蛋白的等电点pH值小于7.由此可以推断，实验室所培养的蓝藻胞内蛋白至少有185种，且大多位于酸性端，分子量分布在30～80kD之间.由图4（b）可以看出，处理后的蛋白分子量主要集中在20～30kD之间，而等电点也进一步向酸性端偏移.综合分析，大分子蛋白消失的同时，小分子蛋白的浓度增加，说明太阳光催化氧化将蛋白质完全氧化的程度较低，更多的是将大分子蛋白质转化成了小分子蛋白质.

2.4 其他水质指标的变化

由图5可以看出，经过7h的氧化处理后，水样的浑浊度从初始的14.40NTU降低至7.03NTU.水样的颜色随着反应的进行从最初的淡蓝色变为无色，这主要是叶绿素在太阳光光照下发生分解，从而引起了溶液浑浊度的变化.此外，水样中的DOC和UV254也从原先的21.84mg/L和0.108cm-1分别降低至16.68mg/L和0.056cm-1，去除率分别为23.6%和48.1%，分析其原因，主要为反应体系中羟基自由基（·OH）或空穴（h+）对有机物的氧化，包括对有机物不饱和键的氧化.UV254的去除率远大于DON和DOC的去除率也是由于水样中的大部分有机物并没有被完全降解为无机物质，而是通过针对有机物的不饱和键的改变使其分子结构发生了改变.

图5 试验过程中溶液中主要水质参数的变化Fig.5 Variation of water qualities in solar /TiO2system

2.5 氧化产物及其对后续处理的分析

由图6可以看出，经7h光催化反应后，DON由初始浓度1mg/L降解到0.71mg/L，去除率为29%由初始的0.127mg/L上升至0.329mg/L，由0.103mg/L增加至0.197mg/L，而总氮（TN）的含量基本没有发生变化，说明在整个反应过程中，DON并没有被转化成氮气，而是转化成了和.根据El-Sayed等［15］提出的电化学机理，DON被降解的过程可用如下反应式（1）～式（4）来表示：

图6 太阳光/TiO2降解DON的过程Fig.6 Degradation of DON in solar /TiO2system

综合图4、图6的结果可以看出：太阳光催化氧化仅可使少量有机氮类有机物转化为氨氮、硝酸盐氮等无机氮类物质，而其更主要的作用表现为将大分子有机氮类物质转化为小分子有机氮类物质.前期研究表明，藻类细胞的大分子疏水性有机物是影响混凝效果的重要因素［16］.因此通过氧化处理后，混凝单元的混凝剂消耗量将会显著降低，有利于水厂常规工艺的正常运行；少量有机氮类物质所转化的无机氮类物质由于含量较低，对水厂出水水质的整体影响不太明显.针对此部分内容的研究将在后续研究中予以细致论述.

3 结论

3.1 太阳光/TiO2氧化体系对藻类细胞内的DON有一定的去除作用，7h处理后降解率为29%；且降解过程中和的浓度明显增加，而TN的含量基本没有变化，其最终产物考虑为和.

3.2 降解过程中总可溶性蛋白和多糖的含量也明显减少，分别从7.22mg/L和28.88mg/L降为3.71mg/L和13.14mg/L，去除率达48.6%和54.5%，同时蛋白质分子也发生了从大分子向小分子的转化，且等电点也随之向酸性端偏移.

3.3 降解过程中水样的浑浊度由14.4NTU降低至7.03NTU，UV254和DOC去除率分别为23.6%和48.1%.

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Performance of solar photo-catalytic oxidation process to degrade the nitrogen-containing organics derived from algae cells.

WANG Jie1， LIU Cheng2*， ZHU Hao-qiang2， CHEN Wei1，2（1.College of Environment， Hohai University，Nanjing 210098， China；2.Key Laboratory of Integrated Regulation and Resource Development Shallow Lakes， Ministry of Education， Hohai University， Nanjing 210098， China）. China Environmental Science， 2015，35（3）：792～796

Bench-scale tests were conducted to study the efficiency and mechanisms of the degradation of Dissolved Organic Nitrogen （DON） by solar/TiO2photo-catalytic. The variations of soluble protein， polysaccharide and UV254were also investigated to estimate the degradation efficiency. The elimination rate of DON was 29% after 7hours' treatment. The concentration ofandwas increased significantly while TN had no noticeable change. Additionally， the elimination rates of soluble protein and polysaccharide were 48.6% and 54.5%， respectively. Other water quality indexes like UV254， turbidity and DOC were also decreased moderately in this process.

solar photocatalytic oxidation；immobilized TiO2；nitrogen-containing organics；Microcystis aeruginosa

X703.5

A

1000-6923（2015）03-0792-05

王 杰（1991-），女，江苏如皋人，河海大学环境学院硕士研究生，主要从事水处理理论及技术研究.

2013-04-03

国家自然科学基金（51378174）；国家科技重大专项（2012ZX07403-001）；江苏高校优势学科建设工程资助项目

* 责任作者， 副教授， liucheng8791@sina.com.cn