MIEX®预处理对水源水中藻源DON的去除效能及机理

刘 成，王 杰，陈 彬，陈 卫，*（.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；.河海大学环境学院，江苏 南京 0098）

MIEX®预处理对水源水中藻源DON的去除效能及机理

刘 成1，王 杰2，陈 彬2，陈 卫1，2*（1.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；2.河海大学环境学院，江苏 南京 210098）

利用小试试验研究了磁性离子交换树脂预处理（MIEX®）对高藻水源水中的溶解性有机氮（DON）的去除效能，并通过分子量分布测定、双向电泳等手段初步分析了其作用机理.结果表明， MIEX®预处理对DON具有较好地去除效果，并可有效强化混凝工艺的处理效能.投加量为15mL/L时，MIEX®预处理可提升DON去除率20%；以铜绿微囊藻为主要种属的高藻水源水中藻类蛋白种类不低于230种，且大多数处于酸性端，分子量区间主要分布于15～40Ku、65～75Ku，处于MIEX®预处理可去除的分子量区间，从而具有较好的去除效果.综上所述，MIEX®预处理可以作为强化去除高藻水源水中DON的一种方法.

MIEX®预处理；DON；藻类；总可溶蛋白

高藻水源水中含有大量的天然有机物及藻类代谢产物，而在藻类爆发后期，随着藻细胞的大量死亡，其细胞内的物质进入水体，对常规工艺的运行及出水水质造成负面影响［1-2］.含氮有机物是近期水处理领域关注的热点之一［3-6］，通常用溶解性有机氮（DON）来表征其含量［7］.藻类的胞内物质富含蛋白质、氨基酸及核酸类含氮物质，是天然水体中含氮有机物的重要来源之一［8-9］，其大量释放入水体会导致高藻水源水中DON含量相对较高.现有常规工艺对含氮有机物的去除效果有限，因此需通过增设预处理或深度处理来强化其去除效果［10-11］.MIEX®预处理作为近期广受关注的预处理技术之一，可以显著强化有机物的去除效能、减少消毒副产物的生成量、降低混凝剂使用量等优点［12-14］，但目前针对其去除水中含氮有机物方面的研究尚显不足.因此，本文主要针对藻源含氮有机物，研究MIEX®预处理及其与混凝、沉淀相结合的组合工艺对DON的处理效能，并分析了MIEX®预处理及其强化混凝去除DON的主要作用机理.

1 材料与方法

1.1 仪器与材料

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）、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.

MIEX®由澳大利亚Orica公司提供；纳氏试剂、氢氧化钠、过硫酸钾、酒石酸钾钠、对胺基苯磺酰胺、N-（1-奈基）-乙二胺盐酸盐、盐酸、钛酸丁酯、乙醇、硝酸、醋酸纤维滤膜（0.45μm）购自南京中东化玻仪器有限公司，分析纯）；超纯水由Millipore纯水机制备.

1.2 试验方法

1.2.1 待处理水样的准备 用于实际水源水处理研究的原水直接取自太湖流域某水厂原水；自配水所需有机物取自实验室培养的铜绿微囊藻，将培养至对数增长期的藻细胞经离心清洗后置于超声波细胞粉碎机内破碎，使铜绿微囊藻细胞内部的有机物（胞内有机物，IOM）完全释放到水中，经0.45μm滤膜过滤后用自来水稀释至一定浓度，待用.

1.2.2 MIEX®预处理实验 向六联搅拌器的6个烧杯中均置入1L水样和相同体积的MIEX®，转速150r/min，搅拌一定时间，根据MIEX®投加量变化进行5组试验，MIEX®投加量分别为0，5，10，15，20mL/L，对预处理后的水样进行混凝试验，混凝剂采用聚合氯化铝（PAC），投加量分别为0，5，10，20，30，40，50mg/L，取样测定DON、UV254、DOC、浑浊度、pH值，并对部分水样中的蛋白质进行富集、提取以及双向电泳试验.通过动态循环试验，验证MIEX®的多次循环使用对助凝效果的影响，从而模拟实际工程中MIEX®不同通水倍数对后续混凝、沉淀工艺的影响.

1.3 主要检测指标及检测方法

1.3.1 DON的测定 DON的浓度可采用差值法计算获得，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.TIN包括硝酸盐氮（N-N）、亚硝酸盐氮（N-N）和氨氮（N-N），其检测方法参照《水和废水监测分析方法》（第四版）［15］； 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.

1.3.2 总可溶性蛋白的测定 总可溶性蛋白（TSP）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 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，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平衡缓冲液平衡两次，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.

1.3.4 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.

2 结果与讨论

2.1 MIEX®对DON的去除

2.1.1 MIEX®投加量对去除DON效果的影响 MIEX®投加量与反应时间是影响DON去除效能的主要因素，因此首先考察了不同投加量条件下DON的含量变化情况，结果见图1.

由图1可以看出，MIEX®投加量对DON的去除效果影响较大，DON的去除率随着MIEX®投加量的增大而增大，且反应速度较快，20min左右的接触时间即可达到准平衡状态.原因在于，MIEX®对水体中有机物的去除主要是通过离子交换来实现的，细胞内含氮有机类化合物主要是蛋白质及小分子的游离氨基酸，而高藻水体pH值一般为弱碱性，大部分植物蛋白的等电点pI ＜7，所以在天然水体中大部分DON是显负电性，易于与MIEX®发生离子交换而被去除；对MIEX®的性状研究结果表明，树脂颗粒的孔隙结构并不发达［16］，可交换基团主要分布在颗粒表面，因此可以快速地去除相应的目标化合物.

图1 MIEX®投加量对DON去除效果的影响Fig.1 Effect of dose on the removal of DON by MIEX®原水DON 0.94mg/L，pH值7.6

图2 pH值对MIEX®去除DON效果的影响Fig.2 Effect of pH on the removal of DON by MIEX®MIEX®投加量15mL/L，接触时间20min

2.1.2 pH值对MIEX®去除DON效果的影响pH值是影响水中有机物存在形式的重要因素，高藻水中DON的来源主要是藻类蛋白质及游离氨基酸.蛋白质为两性电解质，蛋白质分子中可离解的基团除肽链末端的氨基、羧基外，肽链氨基酸上的侧链基团如酚基、巯基也可以离解成带电基团，从而使蛋白质显带一定的电荷［17］，各种蛋白质具有特定的等电点，水体环境中pH值将影响蛋白质的荷电情况从而改变DON的性质.pH值对MIEX®去除DON、TSP、NO3-效果的影响见图2.

不同pH值下MIEX®的处理效能差异较大，TSP与DON随水样pH值的变化规律一致，去除率均随pH值的升高而升高，说明碱性环境可以促进MIEX®与水中DON的交换去除，导致水中氯离子浓度随pH值升高呈现升高的趋势.原因在于高藻水体中DON主要是藻类蛋白和氨基酸［18］，pH值的变化将影响水中各类蛋白质的荷电性，水样环境偏碱性时，酸性基团解离出质子，与环境中的OH-结合成水，使其带负电荷.因此水样pH值越高，含氮有机物所荷负电量越大，越易与MIEX®发生离子交换反应.水体中除了大部分有机物带负电，诸如N之类的无机阴离子也显带负电，因此DON与无机阴离子之间存在竞争去除效应，MIEX®优先与显带负电量较大的物质反应.由图2可以看出，N浓度随pH值的升高而升高，在pH值达到8.0时N浓度骤增，说明此时树脂与水中DON的结合能力已远大于N.而水体pH值降至4.5时，水中DON、TSP分别降至1.8mg/L和5.0mg/L（未在图2中列出），肉眼可见水样中有絮体产生，原因可能在于太湖水源水中大部分藻类蛋白的pI在4.5附近，当水体pH值4.5时，大量蛋白荷电较弱，蛋白质颗粒在水中由于电荷排斥力的减弱而相互碰撞聚集，通过静电引力迅速结合成较大聚集体而沉淀析出，这将在后续蛋白质的双向电泳分离中进一步验证.

2.2 MIEX®与混凝、沉淀组合工艺效能分析

2.2.1 MIEX®投加量对混凝效果的影响 投加量会显著影响MIEX®预处理对后续混凝工艺的影响，因此考察了不同MIEX®投加量（动态循环使用达到相同通水倍数，每次循环树脂与水样接触反应时间均20min进行，以600BV为例）对后续混凝、沉淀工艺的影响，结果见图3.

由图3可以看出，MIEX®投加量对组合工艺出水DON影响较大.相同PAC投加量情况下，DON的去除率随着MIEX®投加量的增大而升高.此外，混凝剂投加量对组合工艺去除DON的效果也有一定的影响.当PAC投加量达到40mg/L时，MIEX®投加量为10mL/L时的效果优于20mL/L时的.通过对水样的Zeta电位的测定结果表明，MIEX®投加量10、20mL/L时，组合工艺出水的Zeta电位分别为-5.94、13.20mV.由此可以推断MIEX®可以优先置换水中负电性强的DON.通过控制MIEX®投加量达到提高强化混凝、沉淀去除DON效果，可降低树脂再生的成本.

图3 MIEX®循环使用对混凝、沉淀去除DON的影响Fig.3 Effect of recycling use of MIEX®on the removal of DON by coagulation and sedimentation

图4 MIEX®循环使用对混凝、沉淀去除DOC的影响Fig.4 Effect of recycling use of MIEX®on the removal of DOC by coagulation and sedimentation

对水样的DOC进行了测定，结果见图4.可以看出，工艺对DOC去除效果明显优于DON，原因可能在于DON的组成成分中部分为亲水性有机物，而疏水性组分所占比例相对较小.

2.2.2 MIEX®通水倍数对混凝效果的影响 MIEX®投加量为10mL/L，通水倍数分别为500，1000，1500BV，PAC剂量为20mg/L时， MIEX®与混凝、沉淀联用工艺对DON的去除率分别为30.1%、23.2%、21.2%（图5），而相同条件下DOC的去除率则分别达到44.2%、39.1%、35.7%；增加PAC的投加量对两指标的去除效果改善不明显.

综合图3～图5可以看出，MIEX®预处理可以有效去除水中DON、DOC，与混凝、沉淀工艺组合可进一步提升其去除效果，但是组合工艺的处理效能低于两工艺单独使用时的效果之和，说明两种工艺对有机物的去除有一定的互补，同时又存在一定的干扰影响.

图5 通水倍数对MIEX®预处理强化混凝去除DON的影响Fig.5 Effect of treating volumes on the removal of DON by MIEX®pretreatment enhanced coagulation

2.3 MIEX®强化混凝去除DON机理

2.3.1 有机物分子量分布的变化 为探讨MIEX®对藻源DON的强化去除机理，投加15mL/L MIEX®、反应20min后取样测定各分子量区间内DOC、DON.自配水样DON浓度为0.71mg/L，总可溶解性蛋白（TSP）浓度为5.13mg/L.各分子量区间DON的变化见图6.

图6 处理过程中各分子量区间DON的变化Fig.6 Molecular weight distribution of DON in the effluent of different processes

由图6可以看出，原水中DON的分子量分布主要集中在10～30Ku和＜1Ku区间内，分别占DON总量的38.7%、28.1%，这主要是由于高藻水体中含氮有机物主要由蛋白质及小分子游离氨基酸组成.混凝、沉淀工艺对DON的去除十分有限，且去除主要集中于分子量区间为＞30Ku、10～30Ku的部分，其他分子量区间的DON基本没有去除.而MIEX®预处理对各个分子量区间的DON均有较好的去除，对于＞30Ku、10～30Ku、＜1Ku分子量区间DON去除率分别为28.3%、23.3%、37.9%，这是由于DON所代表的有机物各分子量区间均显带负电性.单独的混凝+沉淀工艺对DON的去除效果较差的原因正是由于DON的亲水性及强负电性；通过MIEX®预处理将部分负电性较强的DON去除，改变了原水的水质特征，从而可以达到强化混凝的效果.

由图6的结果还表明，虽然MIEX®预处理、混凝+沉淀工艺对水中DON的分子量去除区间具有一定的差异，但存在部分的重叠区间，因此两种工艺对DON去除具有一定的互补作用，但也存在针对部分大分子有机物的竞争去除，通过工艺组合可达到对原水中各个分子量区间DON均有一定去除的结果.

2.3.2 可溶性蛋白的变化 为进一步探索MIEX®预处理强化混凝+沉淀工艺去除DON的机理，以铜绿微囊藻胞内有机物配制原水，分别针对原水及经过15mL/L MIEX树脂反应20min后水样分别进行双向电泳实验，电泳图谱见图7.

图7 MIEX®处理前后TSP双向电泳图谱（15mL/L）Fig.7 TSP two-dimensional electrophoresis spectra before and after MIEX®treatment （15mL/L）

从电泳图谱中可以得出藻类蛋白的分子量分布和等电点值，图7（a）中显示的电泳图谱上总共有230个蛋白点，且绝大部分分布于酸性端；分子量在15～40Ku、65～75Ku左右区间的蛋白点较多，这与分子量分布的测定结果基本一致，低于1Ku的部分应该主要由氨基酸组成.由于高藻期太湖水源水中的优势藻属为铜绿微囊藻，可以推断太湖水体中的主体蛋白种类与针对铜绿微囊藻胞内有机物的测定结果相近.与图7（b）对比可以看出:对于相同等电点的蛋白，MIEX®对小分子蛋白去除效果较好，这是由于MIEX®粒径是一般树脂的1/5～1/2（180μm左右），小分子量的蛋白更易于在水中扩散至树脂颗粒表面，从而实现交换去除；对于一些等电点较低的蛋白，MIEX®对大分子蛋白的去除效果得到加强，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®对水中DON的去除主要通过交换作用来进行，而高藻水源水中大部分含氮有机物均处于酸性端，在高藻水源水通常的pH值条件下显带负电，从而可以通过MIEX®预处理较好地去除.

3 结论

3.1 MIEX®对高藻水中的含氮有机物具有较好的去除效果，且对混凝、沉淀工艺具有较好的强化作用，提升DON去除率20%.

3.2 原水pH值对MIEX®去除DON的效能影响较大，高藻水源水的偏碱性条件有利于MIEX®对水中含氮有机物的去除.

3.3 双向电泳及分子量分布的测定结果表明，铜绿微囊藻胞内主体蛋白种类约为230个，且大部分分布于酸性端（pI＜7），主要分布在分子量区间为15～40Ku、65～75Ku，从而在通常高藻原水pH值时显带正电，可通过离子交换机理去除.

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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

刘 成（1977-），男，山东济南人，副教授，博士，主要研究方向为水处理理论及技术.发表论文50余篇.

2014-07-15

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， 教授， cw5826@hhu.edu.cn