一、背景資料
　　
2000年3月漢江發(fā)生繼1992年2月，1998年2月之后的第三次水華。3月8~9日，湖北省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心對(duì)漢江中下游江段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，硅藻和綠藻為主要種類，二者均占總數(shù)的40%左右，藍(lán)藻、裸藻、甲藻和隱藻均有出現(xiàn)，合計(jì)約占20%，多數(shù)藻類屬中污型。水華本是指在靜止的湖泊或死水中，因藻類大量繁殖，驟然呈幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)，水體顏色加深的一種生物現(xiàn)象，出現(xiàn)在國(guó)內(nèi)內(nèi)河流域極為罕見(jiàn)。漢江水華的原因在于時(shí)值枯水期，江水流速減緩，沿江城市排放的污水中氮、磷等污染營(yíng)養(yǎng)成分相對(duì)增高，加上光照、氣溫大幅回升，導(dǎo)致水體中藻類瘋長(zhǎng)。另?yè)?jù)武漢大學(xué)夏軍教授及其領(lǐng)導(dǎo)的課題組研究發(fā)現(xiàn)，南水北調(diào)中線工程實(shí)施后，漢江中下游多年平均徑流量將減少1/3，加上全球氣候變暖，漢江中下游污水排放量不斷增加，漢江武漢段水質(zhì)惡化的因素在宏觀上將逐漸增強(qiáng)。
　　
漢江武漢段水體是武漢市的重要飲用水源。武漢市自來(lái)水公司的10座水廠中，就有宗關(guān)、白鶴嘴、琴斷口、國(guó)棉4座水廠從漢江取水，負(fù)責(zé)漢口、漢陽(yáng)等地的供水任務(wù)，日供水量164萬(wàn)立方米，占全市總供水量的56%。在漢江"水華"期間，公司漢江各水廠所采用的凈水工藝對(duì)高藻水源水的處理無(wú)特效，為保證出廠水水質(zhì)符合國(guó)家生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，不得不采取緊急預(yù)防措施，加大成本投入即增大投氯量、投礬量、廠自用水量，縮短濾池運(yùn)行周期。由此增加的成本費(fèi)用92年為160萬(wàn)元，98年增加到280萬(wàn)元，2000年又有提高。即使如此，由于處理過(guò)程中大量藻的死亡，使自來(lái)水中帶有"腥味"，水質(zhì)投訴電話有所增加。
　　

為了有效的預(yù)防可能越來(lái)越頻繁的"水華"事件，控制制水成本，滿足用戶的用水要求，有必要找到一種切實(shí)可行、經(jīng)濟(jì)可靠的高藻水源水處理方法。為此特將國(guó)內(nèi)目前出現(xiàn)的除藻技術(shù)作如下比較分析，以供參考。

二、原水除藻單項(xiàng)工藝

㈠　試劑法

⒈ 預(yù)氧化作用
⑴ 氯預(yù)氧化
　　
氯消毒經(jīng)濟(jì)、有效、使用方便，應(yīng)用歷史最久，是目前國(guó)內(nèi)采用最廣泛的預(yù)氧化劑。采用氯預(yù)氧化可以明顯提高對(duì)原水濁度和藻類的去除率，但有研究表明，由于原水中含有較多的腐殖質(zhì)類天然有機(jī)物，而氯預(yù)氧化所需要的投加量較高，因而使用氯預(yù)氧化可能會(huì)在一定程度上導(dǎo)致消毒副產(chǎn)物（如三氯甲烷）濃度的增加，影響出廠水水質(zhì)。

⑵ 臭氧預(yù)氧化
　　
臭氧氧化和消毒同樣歷史悠久，歐洲國(guó)家使用較多。在常用氧化劑中，臭氧是氧化能力最強(qiáng)的。在一定的濃度下，臭氧可以將相當(dāng)多的有機(jī)物和無(wú)機(jī)還原性物質(zhì)徹底氧化分解；在較低濃度下，也可以將大分子有機(jī)物氧化為小分子有機(jī)物，起到預(yù)氧化的作用。對(duì)于藻類的去除也有比較好的作用效果。
　　
臭氧極不穩(wěn)定，分解是放出新生態(tài)氧：O3 = O2 + [O] 新生態(tài)氧具有強(qiáng)氧化能力,對(duì)頑強(qiáng)的微生物如病菌、芽孢等也有強(qiáng)大的殺傷力。臭氧的消毒能力之所以強(qiáng)，除氧化能力強(qiáng)以外，還可能由于滲入細(xì)胞壁能力強(qiáng)，亦可能由于臭氧破壞細(xì)菌有機(jī)體鏈狀結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致細(xì)菌死亡。對(duì)藻類形態(tài)觀察發(fā)現(xiàn)，臭氧對(duì)藻類具有較大的破壞作用。顯微鏡下經(jīng)�？梢砸�(jiàn)到氧化后斷裂的殘?jiān)迤我约笆ゼ?xì)胞質(zhì)的空細(xì)胞壁，而對(duì)臭氧預(yù)氧化后未經(jīng)過(guò)其它處理的水樣檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，藻類數(shù)量仍然減少了30%~50%。
　　
臭氧化技術(shù)目前在國(guó)內(nèi)應(yīng)用還不多，尚存在一些有待解決的問(wèn)題。首先是經(jīng)濟(jì)問(wèn)題，臭氧消毒設(shè)備復(fù)雜，投資大，耗電量大，且需要邊生產(chǎn)邊使用，不能儲(chǔ)存。其次，據(jù)近年來(lái)關(guān)于臭氧消毒和去除有機(jī)物可能產(chǎn)生的潛在危害的研究表明：A.含有有機(jī)物的水經(jīng)過(guò)臭氧處理后，有可能將致突變物質(zhì)或THMs的前驅(qū)物如腐殖酸等大分子有機(jī)物分解成小分子中間產(chǎn)物，而在這些中間產(chǎn)物中，也可能存在致突變物質(zhì)，除非臭氧投量高到足以使全部有機(jī)物無(wú)機(jī)化（從費(fèi)用上考慮是不現(xiàn)實(shí)的）。因而，若在臭氧化后再加氯化（臭氧在水中不穩(wěn)定，容易消失，不能在管網(wǎng)中繼續(xù)保持殺菌能力，故臭氧化后，通常還需加少量氯以維持水中一定的余氯量），水中THMs也許仍會(huì)產(chǎn)生甚至更多。B.在臭氧投量有限的情況下，不可能去除水中氨氮，因而水中有機(jī)氮含量高時(shí)，臭氧則把有機(jī)氮氧化成氨氮，致使水中的氨氮含量反而增高。C. 在臭氧的氧化作用下，有相當(dāng)數(shù)量的藻類細(xì)胞的物理形態(tài)被破壞，細(xì)胞質(zhì)外泄，甚至相當(dāng)多的藻類整個(gè)藻體全被分解而引起藻類數(shù)量的減少。因而，如果使用臭氧預(yù)氧化，可能會(huì)增加水中溶解性有機(jī)物的含量，在有毒藻類存在時(shí)，可能會(huì)增加水中的藻毒素含量，引起水質(zhì)的二次污染。
　　
實(shí)際使用中，常把臭氧與能夠去除溶解性有機(jī)物的后續(xù)工藝如活性炭吸附等結(jié)合使用，來(lái)解決上述問(wèn)題，其主要目的不在于消毒，而在于去除水中有機(jī)物。因?yàn)榻?jīng)臭氧化后，大分子有機(jī)物被臭氧分解成小分子中間產(chǎn)物，而這些中間產(chǎn)物易被活性炭吸附或活性炭表面生物所降解，其后再加氯消毒，就無(wú)THMs產(chǎn)生的危險(xiǎn)。

⑶ 二氧化氯預(yù)氧化
　　
二氧化氯的氧化性比氯氣強(qiáng)，剩余量更穩(wěn)定，并能有效地控制水的色度、嗅味等。此外，二氧化氯的化學(xué)反應(yīng)不同于氯，它與三氯甲烷（THMs）前驅(qū)物幾乎不發(fā)生氯代反應(yīng)，從而氯的消毒副產(chǎn)物可得到有效控制。國(guó)際上將二氧化氯列為飲用水AI級(jí)安全消毒劑。
　　
一般來(lái)說(shuō)，二氧化氯用作預(yù)氧化劑的劑量是預(yù)氯化的所需劑量的30%~50%，研究表明[5]，當(dāng)其投加量達(dá)到0.2mg/L時(shí)，對(duì)藻類有較好的殺滅效果，但對(duì)氨氮和亞硝酸鹽的氧化效果不明顯。對(duì)有機(jī)物和色度也幾乎沒(méi)有去除效果。二氧化氯能有效地控制藻類的生長(zhǎng)以及因此而產(chǎn)生的異味。有研究認(rèn)為其機(jī)理在于：二氧化氯能破壞藻類葉綠素中的吡咯環(huán)，使葉綠素失活，導(dǎo)致藻類無(wú)法進(jìn)行新陳代謝而死亡。二氧化氯與藻類及其分泌物反應(yīng)生成無(wú)嗅無(wú)味無(wú)毒的物質(zhì)，并能夠成功地控制霉味、魚(yú)腥味以及防線菌帶來(lái)的異味。有利于提高水廠出水品質(zhì)，滿足用戶色、味、口感等要求。
　　
但有研究認(rèn)為，二氧化氯用于水源水的預(yù)氧化，對(duì)后續(xù)的混凝效果有一定的不利影響。同時(shí)，當(dāng)以二氧化氯作為預(yù)氧化時(shí)，若用臭氧消毒就會(huì)增加臭氧的消耗，因二者會(huì)互相反應(yīng)產(chǎn)生額外消耗。所以，不能采用以二氧化氯作預(yù)氧化，以臭氧為消毒的處理工藝。
　　
另外，據(jù)有關(guān)研究表明，穩(wěn)定性二氧化氯預(yù)氧化對(duì)藻類和濁度都有較好的強(qiáng)化去除效果。所以，實(shí)際生產(chǎn)中最好采用現(xiàn)場(chǎng)制備二氧化氯。
　　
考慮到二氧化氯的運(yùn)行成本比氯氣高，可采用濾前投加ClO2除藻除嗅，而濾后仍可投加氯氣保持殘留，即達(dá)到了有效除藻除嗅殺菌的目的，保持余氯量，有能有效的控制THMs的生成。這種利用已有的氯氣作原料生成二氧化氯來(lái)控制和除去來(lái)自地表水中的藻類和嗅味，減少THMs的方法適用于采用氯消毒工藝的老廠改造。

⑷ 過(guò)氧化氫預(yù)氧化
　　
過(guò)氧化氫是一種比較常見(jiàn)的氧化劑，其氧化還原電位比氯高，比二氧化氯和臭氧低。 與其它預(yù)氧化劑相比，過(guò)氧化氫具有一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，即它本身的氧化產(chǎn)物為水，不會(huì)向水體增加任何副作用，而且目前也未見(jiàn)其氧化產(chǎn)生其它副產(chǎn)物的報(bào)道。過(guò)氧化氫有很好的濁度去除效果，除藻效果與二氧化氯、KMnO4接近。 采用過(guò)氧化氫作預(yù)氧化劑的殺藻實(shí)驗(yàn)?zāi)壳斑�在進(jìn)行中，有待對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較。

⑸ 高錳酸鉀預(yù)氧化
　　
高錳酸鉀也是一種常見(jiàn)的消毒劑和氧化劑，投加高錳酸鉀可以有效提高藻類的去除率。但是，隨著高錳酸鉀投加量的增加，出水濁度也會(huì)隨之增高。而且，高錳酸鉀具有較重的顏色，投加后容易使水的色度增加甚至超標(biāo)。另外，還要注意錳是否會(huì)超標(biāo)。所以，從水質(zhì)安全角度考慮，不宜采用高錳酸鉀作預(yù)氧化劑，除非后續(xù)處理工藝能有效地去除色度和錳。
　　
另?yè)?jù)武漢市自來(lái)水公司水質(zhì)檢測(cè)中心[2]試驗(yàn)表明，KMnO4氧化有機(jī)物的動(dòng)力學(xué)過(guò)程是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程，若接觸時(shí)間少于2小時(shí)則效果不甚明顯，若能有5小時(shí)的接觸時(shí)間則效果是令人滿意的，但目前大部分水廠的凈水工藝達(dá)不到該接觸時(shí)間。

⑹ 硫酸銅殺藻
　　
以硫酸銅作為殺藻劑，是許多水廠曾經(jīng)和現(xiàn)在采用的傳統(tǒng)方法。但是據(jù)武漢市自來(lái)水公司水質(zhì)檢測(cè)中心[2]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，同高錳酸鉀一樣，硫酸銅殺藻是一個(gè)較緩慢的過(guò)程，不可能象預(yù)氯化那樣，在很短的時(shí)間里將藻殺死。此外，硫酸銅在水體中殘留的時(shí)間很長(zhǎng)，若不能在后續(xù)處理工藝中有效的去除，將對(duì)人和水生物均產(chǎn)生毒害。所以，我們認(rèn)為投加硫酸銅殺藻不可取。

⒉ 加強(qiáng)混凝作用

⑴ 聚合氯化鋁（PAC） 聚合氯化鋁又名堿式氯化鋁或羥基氯化鋁。它是以鋁灰或含鋁礦物作為原料，采用酸溶或堿溶法加工制成。其分子式為 [Al2(OH)nCl6-n]m ，其中m為聚合度，單體為鋁的羥基配合物 Al2(OH)nCl6-n ，通常n=1~5，m≤10。聚合氯化鋁溶于水后，即形成聚合陽(yáng)離子，對(duì)水中膠粒起電中和及架橋作用。由于藻類多帶負(fù)電荷，PAC能較有效地使藻類與其它膠體顆粒脫穩(wěn)絮凝。但是，原水含藻量過(guò)高時(shí)，形成的絮體較松散，不易下沉，不利于后續(xù)去除。

⑵ 聚丙烯酰胺（PAM） 聚丙烯酰胺是非離子型聚合物，是目前使用最為廣泛的人工合成有機(jī)高分子混凝劑和助凝劑。其分子式為：
 
聚丙烯酰胺的聚合度可高達(dá)20000~90000，相應(yīng)的分子量高達(dá)150萬(wàn)~600萬(wàn)。它的混凝效果在于對(duì)固體表面具有強(qiáng)烈的吸附作用，在膠粒間形成橋聯(lián)。聚丙烯酰胺每一鏈節(jié)中均含有一個(gè)酰胺基（－CONH2）。由于酰胺基之間的氫鍵作用，線形分子往往不能充分伸展開(kāi)來(lái)，致使架橋作用削弱。為此，通常將PAM在堿性條件下（pH＞10）進(jìn)行部分水解，生成陰離子型聚合物（HPAM）：
 
PAM經(jīng)部分水解后，部分酰胺基帶負(fù)電荷，在靜電斥力下，高分子得以充分伸展開(kāi)來(lái)，吸附架橋作用得以充分發(fā)揮。由酰胺基轉(zhuǎn)化為羧基的百分?jǐn)?shù)稱水解度，亦即y/x值。水解度過(guò)高，負(fù)電性過(guò)強(qiáng)，對(duì)絮凝也產(chǎn)生阻礙作用。一般控制水解度在30%~40%較好。通常以HPAM作助凝劑以配合鋁鹽或鐵鹽作用，效果明顯。
　　
有機(jī)高分子混凝劑可能有毒性，PAM和HPAM的毒性主要在于單體丙烯酰胺。故產(chǎn)品中的單體殘留量要嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)定控制。

⑶ HCA助凝劑
　　
HCA是近年發(fā)展起來(lái)的新型凈水劑，是以二甲基二烯丙基氯化氨（Diallyl Dimethyl Ammonium Chloride 簡(jiǎn)稱DMDAAC或FL45C）均聚而成的高分子陽(yáng)離子聚電解質(zhì)[8]，水溶性好，能完全溶解于水呈真溶液。HCA做助凝劑投加，有很好的降濁、除藻及去除有機(jī)物的作用，其用量?jī)H為混凝劑用量的1%左右，能節(jié)省混凝劑約1/3用量。
　　
HCA的助凝作用機(jī)理是籍助聚合物本身含有的陽(yáng)離子基團(tuán)和活性吸附基團(tuán),對(duì)懸浮膠體和含負(fù)電荷的物質(zhì)通過(guò)電中和及吸附架橋等作用使之失穩(wěn)、絮凝。由于有機(jī)高分子有極高的聚合度，故其架橋作用遠(yuǎn)較多核型無(wú)機(jī)混凝劑強(qiáng)烈。由于藻類表面帶負(fù)電荷，易與陽(yáng)離子型HCA接觸，使其絮凝成團(tuán)，因而可加速其沉淀去除。
　　
使用無(wú)機(jī)混凝劑（如FeCl3）同時(shí)籍助HCA陽(yáng)離子基團(tuán)和活性吸附基團(tuán)，可將藻類大量吸附下沉，提高混凝效果，對(duì)高藻水處理有明顯效果，且適用的pH值范圍也較廣。有關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，在保證出水水質(zhì)的前提下，可節(jié)約藥耗15%~30%，降低制水成本12.7%~23.6%，謁制了鋁鹽、液氯大量投加所帶來(lái)的副作用。投加HCA后，池面浮藻明顯減少，減輕可濾池的負(fù)擔(dān)。HCA產(chǎn)品毒性低，投加量少，投加方式簡(jiǎn)單，運(yùn)輸、儲(chǔ)存方便，是一種高效、經(jīng)濟(jì)、安全的凈水材料。

⑷ 高鐵酸鹽復(fù)合藥劑
　　
高鐵酸鹽復(fù)合藥劑是鐵的+6價(jià)化合物，具有氧化、絮凝、殺菌和吸附等多功能水處理效果，是一種很有發(fā)展前途的新型水處理藥劑。在高鐵酸鹽復(fù)合藥劑強(qiáng)化混凝過(guò)程中，高鐵酸鹽復(fù)合藥劑的氧化性起主要作用。高鐵酸鹽復(fù)合藥劑的氧化能力較強(qiáng)，能使水中有機(jī)物分解和破壞，而且，伴隨其在水中分解過(guò)程，可能產(chǎn)生高正電多聚水解產(chǎn)物，最終形成Fe(OH)3膠體沉淀，使其不僅可以氧化水中某些有機(jī)物，而且可以通過(guò)吸附和共沉的協(xié)同作用去除水中的有機(jī)物[9]。因而，高鐵酸鹽預(yù)氧化對(duì)水中藻類具有優(yōu)良的強(qiáng)化去除作用；隨著pH值的降低，高鐵酸鹽的強(qiáng)化混凝除藻作用更加顯著。
　　
影響高鐵在水處理中推廣應(yīng)用的原因主要有兩點(diǎn)：第一，產(chǎn)品制備復(fù)雜，成本頗高。目前的制備方法以化學(xué)法為主，均以獲得高純度的高鐵固體產(chǎn)品為目的，導(dǎo)致過(guò)高的產(chǎn)品成本，因而沒(méi)有形成生產(chǎn)規(guī)模。第二，高鐵的液體產(chǎn)品極比穩(wěn)定，在一般條件下即分解失效，不能作為一種商品存放和使用，更無(wú)法在水處理中應(yīng)用。根據(jù)高鐵酸鹽的化學(xué)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，應(yīng)采取電化學(xué)和特殊化學(xué)過(guò)程制備穩(wěn)定性較高的高鐵復(fù)合產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)出穩(wěn)定高鐵絮凝劑制備的設(shè)備系統(tǒng)，獲取具有優(yōu)勢(shì)高鐵酸鹽與絮凝劑復(fù)合的現(xiàn)場(chǎng)與在線投加產(chǎn)品，具有強(qiáng)化的絮凝、氧化、吸附除污染與消毒殺菌的作用功能。

⒊ 吸附作用
　　
為去除水的嗅味、天然色度和合成溶解有機(jī)物、微污染物質(zhì)等，活性炭吸附是有效的措施。大部分比較大的有機(jī)物分子、芳香族化合物和低分子量有機(jī)物有明顯的去除效果。實(shí)踐證明，活性炭可降低總有機(jī)碳TOC，總有機(jī)鹵化物TOX和總?cè)u甲烷TTHM等指標(biāo)。
　　
活性炭是用煙煤、褐煤、果殼或木屑等多種原料經(jīng)碳化和活化過(guò)程制成的黑色多孔顆粒，其主要特性是比表面積大和孔隙構(gòu)造。在制造活性碳的活化階段，炭粒晶格間生成的空隙形成了各種形狀和大小不同的細(xì)孔，其中大孔孔隙半徑100~10000nm，中孔孔隙半徑為2~100nm，小孔孔隙半徑<2nm，大、中、小孔孔壁的中面積就是活性炭的總表面積，活性炭的強(qiáng)吸附性能主要發(fā)生在這些孔的表面上�；钚蕴康奈搅砍c表面積有關(guān)外，還與細(xì)孔的形狀、分布及表面的化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。一般情況，由于水處理的活性炭應(yīng)具有適當(dāng)比例的孔，以去除水中分子量（或分子直徑）較大的吸附質(zhì)�；钚蕴勘砻婢哂形⑷醯臉O性，不僅可以去除水中的非極性吸附質(zhì)，還可以去除極性吸附質(zhì)，甚至某些微量的金屬離子及其化合物。
　　
水華期間，藻類大量繁殖，使水源帶有色、臭、味�；钚蕴课绞浅⒊�、味最有效的方法之一。此外，活性炭用于由鐵、錳及植物分解產(chǎn)物或由于有機(jī)污染而使水體帶有的顏色的去除也是十分有效的。用活性炭去除水中微量有機(jī)氯及其產(chǎn)生的異臭味也是最為有效的方法之一。
　　
活性炭分為顆粒活性炭（GAC）和粉末活性炭（PAC）兩種，盡管兩者的顆粒大小不同，但因吸附性能決定于炭的孔隙大小和孔隙的表面積，所以吸附性能本質(zhì)上沒(méi)有差別。雖然如此，但在生產(chǎn)實(shí)際中，兩種活性炭的使用方式卻大不相同，下面分別進(jìn)行介紹：

⑴　顆�；钚蕴浚℅AC）
　　
顆�；钚蕴康挠行Я揭话銥�0.4~1.0mm，均勻系數(shù)約為1.4~2.0。顆�；钚蕴康氖褂梅绞酵ǔＳ幸韵氯N[3]：
　　
第一種，用顆�；钚蕴刻鎿Q部分砂濾料，成為炭砂雙層濾料濾池。采用這種方式，凈化效果比單層好，可以減少反沖洗次數(shù)，降低反沖洗強(qiáng)度。目前在瑞士、日本、美國(guó)都有采用。由于僅用活性炭替換部分砂層，可以迅速投產(chǎn)使用。但是這種方式換炭較困難，一般只作為應(yīng)急措施采用。
　　
第二種，用顆�；钚蕴刻鎿Q全部砂層，即活性炭吸附兼過(guò)濾。目前法國(guó)、美國(guó)、瑞士等國(guó)的水廠采用這種方式的活性炭吸附池也很多。
　　
第三種，在砂濾之后建獨(dú)立的活性炭吸附池。先經(jīng)砂濾，再經(jīng)炭吸附池，可以延長(zhǎng)活性炭對(duì)去除殺蟲(chóng)劑、酚、有機(jī)物產(chǎn)生的臭與味的使用周期，有效地利用活性炭的吸附性能。特別是在原水中含鐵和錳時(shí)效果更為明顯。目前美國(guó)、荷蘭、日本有不少水廠采用這種形式。
　　
當(dāng)水源受到生活水污染時(shí)，水中有機(jī)物及氨濃度增加，采用折點(diǎn)加氯法可能使出水中形成顯著的氯氨味，用顆粒活性炭可以有效地去除氯氨味。還可以利用活性炭表面的微生物觸氨，減少在水處理過(guò)程中形成的新的有機(jī)氯化物。
　　
采用顆�；钚蕴课匠靥幚硭畷r(shí)，一定要考慮失效炭的再生。從國(guó)內(nèi)外眾多活性炭?jī)艋畯S的運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)可知，顆粒活性炭吸附床的一次使用壽命一般為2~3年，有的更長(zhǎng)些。由于在水廠內(nèi)建造再生爐，基建費(fèi)用較高，利用率低，在經(jīng)濟(jì)上不合算，因此活性炭再生通常由制造廠出租給水廠使用或?qū)⑹Щ钚蕴克偷皆偕鷮I(yè)廠再生。較小的水廠也有在廠內(nèi)采用小型再生設(shè)備的，如我國(guó)白銀地區(qū)飲用水深度處理工程中采用直接電流加熱再生爐，構(gòu)造簡(jiǎn)單、操作方便、體積小、熱效率高。另日本采用顆�；钚蕴课匠氐乃畯S，一般均設(shè)有再生爐。

⑵　粉末活性炭（PAC）
　　
粉末活性炭的粒徑一般為10~50μm，因其顆粒小，比表面積大，吸附速度較快，一般情況可與混凝過(guò)程相結(jié)合，直接投加到原水中，經(jīng)混合吸附水中有機(jī)和無(wú)機(jī)雜質(zhì)后，粘附在絮體上的炭粒大部分在沉淀池中成為污泥后排除，常應(yīng)用于季節(jié)性水質(zhì)惡化時(shí)的間歇處理以及粉末活性炭投加量不高時(shí)。粉末活性炭吸附效果特別顯著，同時(shí)可增加絮凝礬花的核心作用[4]，提高懸浮顆粒的碰撞機(jī)會(huì)，可提高混凝工藝的處理效果，并有利于浮渣的去除。
　　
采用粉末活性炭吸附工藝，能降低水體中的溶解性有機(jī)物含量，同時(shí)粉末活性炭也能去除異嗅、異味物質(zhì)，提高飲用水水質(zhì)。

㈡　非試劑法

⒈ 濾網(wǎng)除藻
　　
1963年華東市政工程設(shè)計(jì)院與上海市自來(lái)水公司等進(jìn)行了此項(xiàng)試驗(yàn)研究[13]，以太湖水為水源，濾網(wǎng)濾速達(dá)21～56cm/h ，相應(yīng)水頭損失2～13cm，由30次試驗(yàn)結(jié)果的平均值可見(jiàn)濾網(wǎng)除藻效率顯著，除濁、除色、除耗氧量CODMn較差，混凝沉淀除藻不及濾網(wǎng)除藻。
　　
1980～1981年湖南大學(xué)、撫順市建設(shè)局與自來(lái)水公司以大伙房水庫(kù)水為原水，進(jìn)行了除藻試驗(yàn)[14]，原水含藻平均203×103/L，在使用國(guó)產(chǎn)Ⅱ號(hào)網(wǎng)（經(jīng)100，緯700）時(shí)，微濾機(jī)產(chǎn)水量可達(dá)30.7～127.2m3/h/m2，藻類去除率平均達(dá)61%，浮游動(dòng)物去除率可達(dá)99.7%，水頭損失5～15cm，微濾機(jī)沖洗水率1%，電耗每1000m3耗10kw/h。

⒉ 直接過(guò)濾法

⑴　常規(guī)濾池直接過(guò)濾
　　
采用在石英濾料表面敷設(shè)一定厚度的大顆粒無(wú)煙煤的方式，可以有效地緩解藻類對(duì)濾池的堵塞情況，延長(zhǎng)濾池的過(guò)濾周期。無(wú)煙煤的顆粒粒徑越大，濾池的工作周期越長(zhǎng)。應(yīng)注意的是對(duì)于敷設(shè)無(wú)煙煤濾料的濾池，應(yīng)考慮反沖洗方式對(duì)濾料層結(jié)構(gòu)和過(guò)濾效果的影響，選擇適宜的反沖洗方式。

⑵　輻射流濾池直接過(guò)濾試驗(yàn)
　　
武漢工業(yè)大學(xué)進(jìn)行過(guò)輻射流濾池直接過(guò)濾試驗(yàn)[11]，原水經(jīng)加礬，加助濾劑聚丙烯酰胺后，進(jìn)入旋流反應(yīng)池，反應(yīng)歷時(shí)5min，然后經(jīng)輻射流過(guò)濾器過(guò)濾，輻射過(guò)濾器平面呈扇形，圓心角為22 1/2度，圓心至濾床進(jìn)水表面半徑ro=400mm，濾床水平厚度800mm，垂直高度300mm。底部配水系統(tǒng)采用夾尼龍網(wǎng)的雙層穿孔板，孔板開(kāi)孔率為2%，采用均粒濾料，粒徑1.00～1.25mm，以一雙層濾料濾池作對(duì)比，雙層濾池采用φ1.25～2.00mm的煤，厚400mm，φ0.5～1.0mm的砂，厚400mm。試驗(yàn)結(jié)果表明，由于采用了聚合氯化鋁絮凝劑及聚丙烯酰胺助濾劑，除藻、除濁效果均較⑴中直接過(guò)濾為好，輻射流過(guò)濾是減速過(guò)濾，其凈水效果與豎向流相近而略優(yōu)。

⑶　流化床接觸絮凝澄清池試驗(yàn)
　　
武漢工業(yè)大學(xué)進(jìn)行的活性砂絮凝沉淀試驗(yàn)[12]，實(shí)質(zhì)上流化床接觸絮凝澄清（過(guò)濾）試驗(yàn)，其工作原理是上升水流中的微粒在微渦體運(yùn)動(dòng)場(chǎng)中，依靠活性砂表面吸附的高分子絮凝劑，具有大的表面和吸附力，通過(guò)架橋與網(wǎng)捕作用，截留水中微粒，試驗(yàn)裝置見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。試驗(yàn)成果表明，懸砂濃度以12000mg/L為妥，液面上升速度以不大于3mm/s為妥，聚丙烯酰胺PAM投加量與投砂的重量比3:10000為宜，活性砂的成熟期1h，初期工作期8h、循環(huán)投砂期0.5h，后續(xù)工作期4h，該項(xiàng)設(shè)備經(jīng)加斜管后，在高負(fù)荷下有防止上升水流挾帶微粒的作用。

⒊ 浮選分離法
　　
氣浮法由于分離效率高，并兼有向水中充氧曝氣的作用，所以特別適用于處理低溫、低濁、高藻、高色和受有機(jī)物污染的原水。工程應(yīng)用及研究均表明，除分離無(wú)機(jī)及有機(jī)懸浮物外，氣浮法對(duì)于水中溶解性有機(jī)物也有一定的去除效果。
　　
實(shí)際上，即使是在含沙量較大的江河水或混凝良好的水中，也還存同樣適于為氣浮法所去除的小沉速顆粒。更何況隨著國(guó)內(nèi)水環(huán)境受到日益嚴(yán)重的污染，許多河水兼有了江河水與湖、塘、水庫(kù)水的水質(zhì)特征，如含藻量增多、色臭味加重、并呈現(xiàn)季節(jié)性變化（如漢江水華現(xiàn)象），增加了混凝-沉淀-過(guò)濾工藝的處理難度。因此，將氣浮工藝引入傳統(tǒng)水處理流程中，可充分發(fā)揮氣浮法與沉淀法各自的特點(diǎn)，以期獲得較好的處理效果。
　　
實(shí)踐表明，氣浮工藝用于水廠改造，具有實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用面廣、投資少、見(jiàn)效快等特點(diǎn)，可作為處理微污染江河飲用水的一種備選方法。對(duì)于緩解由于水源污染而造成的處理難度，改善供水水質(zhì)，降低制水成本，具有普遍的意義和較高的應(yīng)用價(jià)值。

⒋ 生物（接觸氧化）預(yù)處理除藻
　　
1989～1991年中南設(shè)計(jì)院在武漢東湖水廠進(jìn)行了生物接觸氧化預(yù)處理除藻試驗(yàn)[15]，試驗(yàn)裝置參見(jiàn)文獻(xiàn)[15]。預(yù)處理池三級(jí)串聯(lián)，內(nèi)裝3m高峰窩填料，由空壓機(jī)供氣，氣水依次逆流、順流、逆流接觸。隱藻門、藍(lán)藻門藻類易被氧化分解，去除率可達(dá)90%以上，但綠藻門中的柵裂藻不易氧化，去除率僅43.8%，硅藻由于硅殼難于完全分解，去除率僅為65.4%，氣水比對(duì)水中溶解氧、水循環(huán)、生物膜更新都有影響，從而影響藻類的去除率，提高氣水比，有利于提高藻的去除率。
　　
水溫對(duì)除藻率的影響呈一次線性關(guān)系。水溫低于20℃時(shí)，除藻率隨藻負(fù)荷（藻負(fù)荷為單位體積填料每小時(shí)負(fù)擔(dān)藻類的數(shù)量）提高而下降，但幅度不大，如當(dāng)水溫為5.5～10℃時(shí)，藻負(fù)荷自200×107 個(gè)／m3•h，上升到1380×107 個(gè)／m3•h，提高了69倍，而藻的去除率僅從83%下降至67%，可見(jiàn)生物處理對(duì)藻的去除有較好的穩(wěn)定性。有資料說(shuō)明，生物處理除藻的同時(shí)，氨氮的去除率達(dá)80%～95%，除濁率為48%～80%，除色度率為30%～60%，COD去除率為18%~26%，臭閾值冬季去除率為60%~70%，Ames致突變率有所減弱[16]。

⒌ 光氧化法
　　
光氧化法是指在可見(jiàn)光或是紫外光（UV）作用下進(jìn)行的光化學(xué)、光催化或是光敏化的氧化過(guò)程，也稱為高級(jí)氧化法（AOPs）[7]。

⑴　光化學(xué)氧化
　　
光化學(xué)氧化是指加入水體中的O3、H2O2和O2等氧化劑在紫外光作用下，產(chǎn)生羥基自由基（•OH）強(qiáng)氧化性物質(zhì)，大幅度地加快對(duì)水體中的有機(jī)物污染物的降解作用。光化學(xué)氧化能力與反應(yīng)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單獨(dú)使用氧化劑的氧化能力。為了產(chǎn)生•OH自由基和活化有機(jī)物，光化學(xué)需要較大的離解能。短波長(zhǎng)的紫外光（波長(zhǎng)為200~280nm）產(chǎn)生•OH自由基最為有效，使用最廣泛的紫外光光源是低壓陰離子汞燈（蒸汽壓力在10-2~10-3在毫帕內(nèi)），其放射光譜為253.7nm的單色波長(zhǎng)。目前采用的主要工藝為UV-O3、UV-H2O2、UV-O3-H2O2和UV-O2-H2O2。

⑵　光催化氧化
　　
光催化氧化是指采用n型半導(dǎo)體作為催化劑，水分子經(jīng)光照射后在催化劑表面上失去電子生成羥基自由基•OH與同時(shí)生成的•O2-和光生空穴等一起礦化有機(jī)物。TiO2被認(rèn)為是目前n型半導(dǎo)體中催化型和穩(wěn)定性最好的催化劑。以TiO2催化劑為例，為了完成電子躍遷，光催化需要光子能量必須大于TiO2的禁帶寬度（3.2eV），因此使用波長(zhǎng)為300~400nm的紫外光，如高壓汞燈、黑光燈和紫外線殺菌燈，這些光源均能滿足所需入射光的最大波長(zhǎng)387nm。

⑶　光敏化氧化
　　
光敏化氧化是指在敏化劑的存在下，敏化劑被光照射后吸收光能，進(jìn)入激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)的敏化劑與溶解氧（DO）反應(yīng)，產(chǎn)生強(qiáng)氧化能力的超氧負(fù)離子•O2-或單線態(tài)氧1O2，從而氧化被激活的有機(jī)物。天然水體中所含的微量染料和腐殖質(zhì)可以作為敏化劑，民戶籍在反應(yīng)過(guò)程中僅充當(dāng)能量轉(zhuǎn)移的媒介，與有機(jī)污染物不發(fā)生直接反應(yīng)，所以可循環(huán)使用，并且所需濃度很低。光敏化氧化技術(shù)由于其復(fù)雜性因而研究很少。

⒍ 激光照射法
　　
激光照射法是目前我們課題組正在研究的一種新型除藻方法，利用激光的生物效應(yīng)，使用特定波長(zhǎng)的激光照射含藻水，破壞藻體結(jié)構(gòu)，使之死亡，以利于通過(guò)混凝、沉淀等后續(xù)工藝除藻。我們的研究表明，波長(zhǎng)較短的紫外激光有較好的除藻效果，照射時(shí)間在1到3分鐘左右即可。
激光照射法的不足之處在于：設(shè)備昂貴，投資大，但隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展，激光設(shè)備的成本正在不斷下降，相信不久的將來(lái)我們就可以將廉價(jià)、高效、無(wú)污染的激光技術(shù)應(yīng)用于水處理中。

⒎ 電泳法
　　
由于藻類帶正電荷，可以考慮采用電泳法分離水中的藻類。該法趨向于研究在多相電場(chǎng)內(nèi)分散顆粒的相互作用，其目的是降低懸浮物對(duì)聚集的穩(wěn)定性，為順利地通過(guò)凝聚及絮凝過(guò)程而創(chuàng)造條件，而凝聚和絮凝過(guò)程可導(dǎo)致形成的聚集物在切斷電場(chǎng)后也不會(huì)分散，因而隨后能加速沉淀作用或用過(guò)濾的方法去除它。但電凝結(jié)作用產(chǎn)生的沉淀物的濕度很大，十分疏松且易流動(dòng)�？梢钥紤]改善電場(chǎng)條件或加入特殊的試劑使之密實(shí)。

三、原水除藻組合工藝

㈠ 氣浮濾池除藻
　　
中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)院與武漢市自來(lái)水公司以東湖水為原水進(jìn)行了氣浮濾池除藻試驗(yàn)[4]，試驗(yàn)在生產(chǎn)設(shè)備上進(jìn)行，所謂氣浮濾池是將氣浮池和濾池疊加，氣浮池在上，濾池在下形成的一種水處理池型。
　　
夏秋季5～12月采用：預(yù)加氯－絮凝－氣�。^(guò)濾－加氯組合工藝系統(tǒng)。
　　
氣浮池結(jié)合濾池凈水，其除藻效果較好，我國(guó)武漢、昆明、蘇州等城市都采用此種池型。武漢市東湖水廠采用氣浮濾池工藝多年，原水預(yù)加氯0.8～1.0mg/L，1992～1995年生產(chǎn)實(shí)測(cè)除藻效率很好，生產(chǎn)上除藻率數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)頗為接近，盡管原水含藻量增加了20倍。

㈡ 活性炭濾池一常規(guī)處理設(shè)備組合工藝除藻
　　
有關(guān)試驗(yàn)（原水條件：含藻量平均值分別為2183×103/L及1695×103/L，放射菌測(cè)得值平均分別為2583CFU/mL及2858CFU/mL，臭味閾(TON)分別為9.3及8.2，并測(cè)得第1個(gè)水庫(kù)水中含Geosmin4.6ng/L，2-MIB3.7ng/L）[17]證明：采用預(yù)加氯及常規(guī)水處理工藝，不能將TON降至標(biāo)準(zhǔn)要求(<4)，采用曝氣法，不僅耗用大量空氣，而且TON亦不能達(dá)標(biāo)。但加1.0mg/L O3，TON可以從12降至4，若用活性炭過(guò)濾，則效果較加O3為好，在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出凈水廠的設(shè)計(jì)流程為：
預(yù)加氯－常規(guī)處理－GAC過(guò)濾－加氯－出廠
　　
某水廠采用這一組合水處理工藝流程已10余年，每年12月至2月底原水不加氯，其余時(shí)間預(yù)加氯3.0～3.5mg/L，原水進(jìn)廠后，加聚合氯化鋁和三氯化鐵，以商品計(jì)分別為4mg/L和8mg/L，采用加速澄清池凈水，上升流速1mm/s，濾池采用煤砂雙層濾料，各厚400mm，濾速7.7m/h，活性炭濾池濾料厚度1500mm。濾速10m/h，其活性炭濾池濾后除藻率達(dá)到90%左右。

生物活性炭工藝
　　
歐洲應(yīng)用臭氧和活性炭去除飲用水中有機(jī)物時(shí)，發(fā)現(xiàn)活性炭濾料上有大量微生物，出水水質(zhì)很好并且活性炭再生周期明顯延長(zhǎng)，于是發(fā)展成為一種有效的給水深度處理工藝，稱為生物活性炭法（BAC）。它是指由臭氧化、砂過(guò)濾、活性炭吸附等結(jié)合在一起的水處理工藝。正如前面介紹過(guò)的，單獨(dú)應(yīng)用臭氧化除藻存在一些問(wèn)題，并且電耗高，成本高，不經(jīng)濟(jì)。所以，現(xiàn)在的實(shí)際生產(chǎn)中通�？紤]采用臭氧和活性炭聯(lián)合使用處理工藝。常見(jiàn)的生物活性炭工藝如下：

　　　↓混凝劑 　　　　　　　↓ O3
原水-----→澄清----→過(guò)濾----→活性炭吸附----→消毒---→出水
　　
生物活性炭法的特點(diǎn)是：完成生物硝化作用將NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3-；將溶解有機(jī)物進(jìn)行生物氧化，可去除mg/L級(jí)濃度的溶解有機(jī)碳（DOC）和三鹵甲烷形成潛力（THMFP），以及mg/L到μg/L級(jí)的有機(jī)物；此外，還可使活性炭部分再生，明顯延長(zhǎng)了再生周期；臭氧加在濾池之前還可以防止藻類和浮游植物在濾池中生長(zhǎng)繁殖。在目前水源受到污染，水中氨氮、酚、農(nóng)藥以及其它有毒有害有機(jī)物經(jīng)常超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)，而水廠常規(guī)水處理工藝又不能將其驅(qū)除的情況下，生物活性炭法成為飲用水深度處理的有效方法之一。
　　
在水中投加少量氧化劑（常用O3）的目的是，將藻類、溶解和膠體有機(jī)物轉(zhuǎn)化為較易生物降解的有機(jī)物，將某些分子量較高的腐殖質(zhì)氧化為分子量較低、易生物降解的物質(zhì)并成為炭床中微生物的養(yǎng)料來(lái)源。在活性炭床內(nèi)，有機(jī)物吸附在炭粒的表面和小孔隙中，微生物生長(zhǎng)在炭粒表面的大孔中，通過(guò)細(xì)胞酶的作用將某些有機(jī)物降解，所以有機(jī)外的去除在于吸附和生物降解的雙重作用。
　　
新建水廠采用生物活性炭工藝時(shí)，由于投資很大，應(yīng)先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室和中試研究，主要是觀測(cè)活性炭柱去除有機(jī)物的效果（可用COD、TOC、DOC或UV吸光值等指標(biāo)表示），并確定炭柱的主要實(shí)際參數(shù)，如接觸時(shí)間等。國(guó)外采用的生物活性炭池濾速為8-12m/h，炭床厚度為2-4m，接觸時(shí)間為15-25min。

四、激光輻照法除藻研究

㈠ 激光除藻概論
　　
繼1960年7月世界上第一臺(tái)激光器--紅寶石激光器問(wèn)世以來(lái)，各種激光器應(yīng)運(yùn)而生。激光器件迅速發(fā)展到上千種，激光譜線達(dá)上萬(wàn)條，波長(zhǎng)從幾百微米到100埃左右的真空紫外。激光的工作物質(zhì)有固體、氣體、半導(dǎo)體和液體，已發(fā)展到上千種。激光的輸出功率已超過(guò)十萬(wàn)億瓦（1013瓦），激光的單色性也在不斷提高，一臺(tái)好的激光器所產(chǎn)生的激光的波長(zhǎng)范圍可以小于十億分之一埃（10-9埃）。與此同時(shí)，激光理論的研究也日趨深入和完善。隨著激光技術(shù)的迅速發(fā)展，新型激光的研究已不再是主流，如何將激光技術(shù)應(yīng)用于各行各業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際中，才是當(dāng)前和今后我們的主要研究方向。目前，激光技術(shù)再現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、通訊、國(guó)防、科學(xué)等方面的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的可喜成果，而在環(huán)保事業(yè)上，激光技術(shù)的應(yīng)用還很少。采用日益廉價(jià)的激光技術(shù)，開(kāi)發(fā)出一種新型、經(jīng)濟(jì)、高效的水處理工藝，是我們的心愿。

⒈ 激光原理
　　
激光器是這樣一種技術(shù)裝置，它由于受激發(fā)原子和分子的受激輻射而或者能放大光波，或者能產(chǎn)生光頻相干輻射。按其本質(zhì)，受激輻射的過(guò)程作為被激發(fā)的原子或分子同電磁波相互作用的結(jié)果是光吸收的逆過(guò)程。當(dāng)處于激發(fā)態(tài)的原子數(shù)超過(guò)處于基態(tài)的原子數(shù)時(shí)，便產(chǎn)生受激輻射；這樣的系統(tǒng)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。用持續(xù)時(shí)間不超過(guò)原子或分子在激發(fā)態(tài)的壽命的強(qiáng)的光脈沖照射原子或分子系統(tǒng)時(shí)，便能在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。如果把這種系統(tǒng)放置在兩塊反射鏡之間，則作為受激原子和分子自發(fā)輻射的結(jié)果而出現(xiàn)的光波，將在多次通過(guò)系統(tǒng)并在兩鏡之間多次反射之后而得到放大，若這種放大作用超過(guò)反射時(shí)的損耗，便產(chǎn)生相干電磁振蕩。若用一塊半透明鏡置換一塊反射鏡，就能得到光輻射的輸出。

⒉ 激光的特性
　　
激光是一種有異于普通光源的新型光源。激光是光的受激輻射，而普通光源是光的自發(fā)輻射。激光與普通光源（包括紫外線燈）比較有以下三個(gè)特點(diǎn)：
　　
普通光源的發(fā)光面積比激光器的發(fā)光面積大的多，因?yàn)槠胀ü庠词窃谡麄�(gè)燈泡面上發(fā)光，而激光只集中在激光其諧振腔的一端發(fā)光（小于0.2厘米）。更為重要的差別還在于普通光源的能量只分散在四周的整個(gè)立體空間內(nèi)，而激光器的發(fā)光僅僅局限在很小的發(fā)散角α所包含的立體角Ω內(nèi)。也就是說(shuō)，在總輻射能量完全相同的情況下，激光能將所有能量集中在很小的面積內(nèi)發(fā)出，而普通光源只能將能量向四面八方分散放射。顯而易見(jiàn)，激光由于發(fā)光面積和發(fā)光方向的高度集中，其單位面積上輸出的能量將大大超過(guò)普通光源。在實(shí)際應(yīng)用中，方向性好還意味著更容易控制激光的輻照方向和輻照范圍，不會(huì)因?yàn)槁�、散射而浪費(fèi)能源。

⑵ 亮度高
　　
亮度高，即激光在單位面積、單位立體角內(nèi)的輸出功率特別大（指脈沖輸出）。用B表示亮度，則 B=W/(△S•△t•△Ω)。W表示光源發(fā)射的總能量，以焦耳為單位；△S表示光源發(fā)光的面積，用平方厘米作單位；△t表示光源發(fā)光的時(shí)間，用秒作單位。如上所述，激光的發(fā)光面積和發(fā)光立體角可以壓縮得很小，而激光的發(fā)光時(shí)間（激光脈沖的持續(xù)時(shí)間）也可以壓縮至僅為十億分之一秒（10-9秒）、一萬(wàn)億分之一秒（10-12秒）甚至更短，這樣一來(lái)，△S、△t、△Ω都很小，所以激光的亮度也就可以很高。簡(jiǎn)言之，激光就是把巨大的能量集中在很短的時(shí)間、很小的發(fā)光面積和立體角內(nèi)發(fā)射出來(lái)，從而得到很高的亮度（輸出功率）。在實(shí)際應(yīng)用中，這意味著在消耗同樣能源情況下，可以得到極高的輸出功率，滿足生產(chǎn)的特定需要。

⑶ 單色性好
　　
一個(gè)光源發(fā)射的光所包含的波長(zhǎng)范圍越窄，其顏色就越單純，即其單色性越好。單色光就是指波長(zhǎng)范圍很窄的一段光輻射。以△λ/λ（λ為光波波長(zhǎng)，△λ為光波的波長(zhǎng)范圍）的比值表示單色性，則△λ越小，單色性越好。激光的出現(xiàn)使光源的單色性有了極大的提高，如He-Ne激光器產(chǎn)生的激光所包含的波長(zhǎng)范圍小于一千萬(wàn)分之一埃（10-7埃）。在實(shí)際應(yīng)用中，單色性好意味著我們可以取得特定波長(zhǎng)的光，從而防止由于其它波長(zhǎng)的光的存在而產(chǎn)生的不良影響和能量浪費(fèi)。

⒊ 激光的生物效應(yīng)[22]
　　
激光對(duì)生物體的作用效應(yīng)大致可以從光、熱、壓力、電磁場(chǎng)等幾個(gè)方面加以考慮：

⑴ 光效應(yīng)
　　
一般來(lái)說(shuō)，光和物質(zhì)的相互作用是個(gè)基礎(chǔ)。有機(jī)物由于吸收了光，而發(fā)生分解和電解，發(fā)生熒光產(chǎn)生熱，這符合一般地光化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，即只有被吸收了的那一部分光，才可能對(duì)有機(jī)物發(fā)生作用。因此，研究激光對(duì)有機(jī)物的影響時(shí)，激光波長(zhǎng)地透射率（T）和吸收率（A）就成為重要的因素，TA值大，光效應(yīng)就強(qiáng)。另外，由于激光具有能量密度極高的特點(diǎn)，還可能導(dǎo)致有機(jī)物發(fā)生多光子吸收的非線形效應(yīng)和其它效應(yīng)，而使有機(jī)體產(chǎn)生較大的突變效應(yīng)。
　　
各種生物有機(jī)體由于其形態(tài)、結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的不同，對(duì)不同波長(zhǎng)的激光的反應(yīng)是不同的，為了獲得理想的光效應(yīng)，需要反復(fù)實(shí)驗(yàn)，才能確定其有效的作用光譜范圍。在用普通的紫外光誘發(fā)突變的實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)明確其有效的作用光譜為2000-3000埃，而以2600-2650埃最為明顯，這是和DNA的吸收光譜相一致的。至于激光的作用光譜是否與此符合，要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)回答。

⑵ 熱效應(yīng)
　　
激光是時(shí)空上的相干輻射，它對(duì)有機(jī)體的熱效應(yīng)十分顯著，而且不同于一般的光熱效應(yīng)。如將脈沖振蕩的紅寶石激光器和釹玻璃激光器的激光，聚焦于有機(jī)物的微小部分，持續(xù)幾微秒的時(shí)間，就能使這部分的溫度上升幾百度，并且其溫度下降的速度，比激光以外的任何方法都要來(lái)得慢。遺傳學(xué)的研究證明，激溫是誘發(fā)突變的一個(gè)因素。例如用不同溫度處理果蠅，在14℃下突變率為0.086%，22℃時(shí)為0.191%，28℃時(shí)為0.347%。依此計(jì)算，在一定的溫度范圍內(nèi)，溫度較常溫每升高10℃，突變率可以增加一倍。激溫能夠引起突變的原因，可從量子變化規(guī)律來(lái)理解。據(jù)估算每一基因是由大約1000個(gè)原子所組成的分子，熱能運(yùn)動(dòng)在代謝過(guò)程中經(jīng)常進(jìn)行，基因中的原子就可能受到高能量的作用而改變位置，變成異構(gòu)分子，因而引起突變。

⑶ 壓力效應(yīng)
　　
壓力效應(yīng)來(lái)自兩方面：

① 激光聚焦后會(huì)產(chǎn)生極大的功率密度，因而會(huì)產(chǎn)生很大的輻射壓力。例如，當(dāng)功率密度為108瓦/厘米2時(shí)，其輻射壓力可達(dá)3.4×104達(dá)因/厘米2，即3.4×10-2大氣壓。

② 由于聚焦激光在有機(jī)體組織中產(chǎn)生的局部瞬間熱效應(yīng)，造成組織的膨脹、汽化、變形，從而產(chǎn)生所謂的次生沖擊波壓力。
　　
光壓和次生沖擊波構(gòu)成的總壓力可能引起有機(jī)體結(jié)構(gòu)和組成的改變，從而引起性狀的變異。

⑷ 電磁場(chǎng)效應(yīng)
　　
激光是一種高能量的電磁波，伴隨著激光的強(qiáng)光必然也產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)的電磁場(chǎng)。例如，當(dāng)激光的功率密度達(dá)到5×1014瓦/厘米2時(shí)，就可產(chǎn)生4×108伏特/厘米2的強(qiáng)大電場(chǎng)，從而可使有機(jī)體組織的分子、原子離化以及產(chǎn)生自由基等。這些變化可以引起DNA分子中氫鍵的斷裂和堿基的替換，即使基因物質(zhì)發(fā)生了改變。改變了的基因在復(fù)制其自身時(shí)就能產(chǎn)生突變。
　　
總之，激光可能通過(guò)光、熱、壓力和電磁場(chǎng)效應(yīng)對(duì)生物有機(jī)體發(fā)生作用，由于作用強(qiáng)度的不同，使有機(jī)體表現(xiàn)出刺激或抑制的效應(yīng)，至于哪一種效應(yīng)占主導(dǎo)地位，需視具體條件而定，但是其中的光效應(yīng)無(wú)疑是基礎(chǔ)。

⒋ 激光在除藻工藝中的應(yīng)用可能性
　　
藻類是自養(yǎng)生物，憑借自身的葉綠素，吸收陽(yáng)光、水分、CO2等，發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，制造有機(jī)物，從而生長(zhǎng)、繁殖。所有的光生物學(xué)過(guò)程都具有如下特征：色素分子的光吸收，光激發(fā)，分子內(nèi)能級(jí)之間的躍遷，能量向反應(yīng)中心的轉(zhuǎn)移。毫無(wú)疑問(wèn)，光是其中的重要因素，也就是說(shuō)，我們可以通過(guò)控制、改變光作用的條件，來(lái)影響和研究光化學(xué)反應(yīng)，也即是影響和研究生物體（如藻類）的生物特性。改變光作用的條件，可以是改變光閃爍的持續(xù)時(shí)間、光的能量、功率、功率密度等等。通過(guò)這樣的一系列實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果，我們就可以研究初級(jí)光反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的規(guī)律性及各個(gè)階段的特性。
　　
如前所述，激光是一種新型的光源，它具有普通光源所沒(méi)有的高單色性、高亮度、大能量、大功率和功率密度、極短的發(fā)光時(shí)間等特性�，F(xiàn)在，由于有機(jī)染料激光器等技術(shù)的發(fā)明，制造從短的真空紫外到長(zhǎng)的遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)域的輻射頻率可調(diào)的激光器都不成問(wèn)題。著對(duì)于生物學(xué)研究是非常重要的，因?yàn)槟壳霸谏矬w的光譜學(xué)里所采利用的主要波段為2000埃到10000埃。選擇上述的光譜區(qū)域，主要是根據(jù)包含在生物組織的組成里的復(fù)雜有機(jī)分子的電子吸收光譜的結(jié)構(gòu)資料。所以，在目前的研究工作中利用激光器這種新型光源是可能的和需要的。

⒌ 激光輻射法除藻的研究
　　
按其作用和方法激光器在生物學(xué)中的應(yīng)用可以從不同的方面予以實(shí)現(xiàn)，具體到我們目前的課題，我們就僅研究激光輻射同生物體系（藻類）的相互作用和它對(duì)物質(zhì)交換的各個(gè)方面的影響的機(jī)制和特征。
　　
研究激光輻射對(duì)生物細(xì)胞的大量交換過(guò)程的影響是研究激光輻射同生物體相互作用機(jī)制的關(guān)鍵，因?yàn)樽詈蟮男Чㄋ劳�、延續(xù)、生命活動(dòng)的改變）首先由能量上和生命上的重要過(guò)程（呼吸、氧化的磷酸化作用，蛋白質(zhì)和核酸的合成，光合作用和核器管的作用）的破壞所決定。[21]

㈡　激光除藻實(shí)驗(yàn)

⒈ 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br /> 　　
比較各種波長(zhǎng)的激光的除藻效果，找出針對(duì)原水除藻的最佳激光方案（穩(wěn)定態(tài)或脈沖態(tài)、波長(zhǎng)、照射時(shí)間）。

⒉ 實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備
　
　顯微鏡一臺(tái)、50mL燒杯3只、計(jì)數(shù)框、微量移液管（0.1mL）、玻璃棒1只、5L水壺1只
[532nm 波長(zhǎng)]DGE100-5YB激光治療儀
[660nm 波長(zhǎng)]ZSM-1信頻YAG激光儀
[1064nm波長(zhǎng)]DGR100-5YB激光治療儀
[1320nm 波長(zhǎng)]DGR100-5YB激光治療儀

⒊ 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)原理
　　
與原水除藻效果有關(guān)的因素有：激光器輸出功率、輸出頻率（激光的波長(zhǎng)）、照射時(shí)間、原水濁度、色度等。原水的濁度濁度和色度是不斷變化的，不易做到人為控制，但從武漢地區(qū)的原水水質(zhì)來(lái)看，其濁度和色度都比較低，不會(huì)對(duì)激光的透射造成大的影響，因而本實(shí)驗(yàn)不考慮原水濁度和色度的影響，以簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)，減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)。
　　
激光器的輸出功率通常是連續(xù)可調(diào)的，其照射時(shí)間也可以隨意控制，而每臺(tái)激光器的輸出頻率（激光的波長(zhǎng)）一般是單一固定的。所以從生產(chǎn)應(yīng)用的方便性考慮，本實(shí)驗(yàn)將各波長(zhǎng)的激光器輸出功率均設(shè)為同一固定值，而只考察同一條件下（相同水樣、相同激光器輸出功率、相同激光照射時(shí)間）不同波長(zhǎng)激光的除藻效果。
　　
激光實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有兩種激光器：穩(wěn)定態(tài)激光器和脈沖激光器。在確定了何種波長(zhǎng)的激光除藻效果最好之后，采用該種波長(zhǎng)的穩(wěn)定態(tài)激光和脈沖激光進(jìn)行照射實(shí)驗(yàn)，以確定在相同輸出功率下何種狀態(tài)的激光除藻效率最佳。

⒋ 實(shí)驗(yàn)步驟
　　
本實(shí)驗(yàn)分兩個(gè)階段：
Ⅰ.使用4種波長(zhǎng)（530nm、660nm、1064nm、1320nm）的穩(wěn)定態(tài)激光分別進(jìn)行1、2、3分鐘的照射實(shí)驗(yàn)，分析篩選出除藻效果最好的波長(zhǎng)，確定最佳照射時(shí)間；
Ⅱ.使用（一）中所定波長(zhǎng)的穩(wěn)定態(tài)激光和相同波長(zhǎng)的脈沖激光分別進(jìn)行1、2、3分鐘的照射實(shí)驗(yàn)，確定何種激光的除藻效果更好，及最佳照射時(shí)間。
具體步驟：

階段Ⅰ：

① 水壺于團(tuán)山水廠穩(wěn)定井處取得超過(guò)3L的原水水樣，帶至華中科技大學(xué)主校區(qū)的激光研究所實(shí)驗(yàn)室。

② 三只1L燒杯分別編號(hào)1、2、3，將5L水壺中的原水水樣搖勻，分別往各燒杯中倒入略超過(guò)1L的（考慮到在轉(zhuǎn)移過(guò)程中會(huì)漏失部分水樣，因而多取少許水樣）原水。

③ 啟動(dòng)激光器，調(diào)節(jié)工作電流，使激光器輸出功率為3W。

④ 確定光纖端部出光：由于1064nm和1320nm激光為紅外激光，肉眼不可見(jiàn)，在啟動(dòng)激光器后將光纖端部接近小木塊，若有灼燒現(xiàn)象則說(shuō)明已發(fā)射激光。

⑤ 設(shè)定激光器的發(fā)射時(shí)間（分別為1、2、3分鐘）或以秒表計(jì)時(shí)。將光纖端部放入水樣中開(kāi)始計(jì)時(shí)，均勻擺動(dòng)光纖端部，使激光能充分照射所有原水水樣，計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)拿出光纖。

⑥ 用玻璃棒將燒杯中照射后的水樣攪勻，以微量移液管吸取中間液層水樣，滴至計(jì)數(shù)框中央，用鑷子夾取蓋玻片，從一側(cè)輕輕蓋下，務(wù)必使計(jì)數(shù)框中不產(chǎn)生氣泡。

⑦ 調(diào)整好顯微鏡，將計(jì)數(shù)框置于顯微鏡下，以活、死藻分別計(jì)數(shù)的方法觀測(cè)水樣，計(jì)算除藻率，具體方法如下：選取兩橫兩縱共四行進(jìn)行觀察，記錄各行中死藻、活藻的的數(shù)目。區(qū)分死藻、活藻的標(biāo)準(zhǔn)是，活藻有細(xì)胞質(zhì)內(nèi)含物，有顏色；死藻只有空細(xì)胞壁，沒(méi)有細(xì)胞質(zhì)，呈透明空殼狀。最后按以下公式計(jì)算除藻率：
除藻率＝激光照射后死藻率－原水死藻率
階段Ⅱ：

① 階段Ⅰ中選定波長(zhǎng)的穩(wěn)定態(tài)激光和相同波長(zhǎng)的脈沖激光進(jìn)行如階段Ⅰ中第1、2步的實(shí)驗(yàn)。

② 進(jìn)行比較分析，確定何種激光的除藻效果更好，最佳照射時(shí)間為多少。
 
⒍ 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)論：

⑴ 最佳波長(zhǎng)：532nm，這一結(jié)論與前面原理分析中關(guān)于200nm-1000nm的激光對(duì)生物體有較大作用效果的論斷相符。

⑵ 照射時(shí)間越長(zhǎng)除藻率越高，因?yàn)檎丈鋾r(shí)間長(zhǎng)意味著激光可以照射更多地藻。當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用中要考慮經(jīng)濟(jì)因素。

⑶ 由于團(tuán)山水廠的原水含藻量很低，這使得激光輻射的利用率很底，因而從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，其最大的除藻率也只有23.38%（當(dāng)然，這一結(jié)果與照射時(shí)間長(zhǎng)短及激光的輸出功率也有很大關(guān)系）；而水華期間的含藻量極高，這使得實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)不一定適用于反映激光輻射法對(duì)漢江水華期間原水的處理效果。

⑷ 華工激光集團(tuán)激光實(shí)驗(yàn)室的激光器都是用于醫(yī)學(xué)事業(yè)的激光治療儀，其光徑極小，又是用手進(jìn)行擺動(dòng)照射，很難使水樣的各部分均勻接受輻射。在實(shí)際應(yīng)用中可考慮使用具有大直徑光束輕便激光器或?qū)?5-20個(gè)小直徑光束地激光器排成一排來(lái)照射反應(yīng)池。

⑸ 在日本有這樣的例子：把某種激光除莠劑噴在植物上，在激光地作用下，通過(guò)光動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，就可以有選擇的殺死某種有害植物而作物本身卻能正常生長(zhǎng)，對(duì)昆蟲(chóng)也有同樣情況。[23]所以，在激光輻射法除藻過(guò)程中，也可以考慮與使用藥劑結(jié)合：通過(guò)投加藥劑，催化光動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，加快反應(yīng)速度，加強(qiáng)除藻效果。
（注：由于激光實(shí)驗(yàn)室目前沒(méi)有532nm波長(zhǎng)的脈沖激光器，第二階段實(shí)驗(yàn)還不能進(jìn)行）

㈢ 分析與討論

⒈　根據(jù)第一階段的數(shù)據(jù)分析，波長(zhǎng)較短的激光有較好的除藻率，在3分鐘的照射后可達(dá)到22.75%，可以據(jù)此推測(cè)，波長(zhǎng)越短的激光對(duì)藻類的破壞能力越強(qiáng)，除藻效果越好�，F(xiàn)在激光實(shí)驗(yàn)室還沒(méi)有波長(zhǎng)更短的激光器，待新的紫外激光器生產(chǎn)后，可作進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

⒉　由于水華期已過(guò)，本實(shí)驗(yàn)中采用的水樣取自東湖（團(tuán)山水廠穩(wěn)定井處）。漢江中的藻類以硅藻為主，而東湖水中藻類以藍(lán)、綠藻為主，這對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果多少會(huì)有一些影響，因而在進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)中，需要考慮這一問(wèn)題，建議采用近似于漢江水質(zhì)的培養(yǎng)液。

⒊　目前采用的活藻、死藻分辨方法式常用于觀察預(yù)氧化法的除藻率。由于激光輻照法除藻與預(yù)氧化法除藻的機(jī)理不一樣，后者的觀察方法是否同樣適用于前者，還有待商榷。預(yù)氧化劑氧化藻類的細(xì)胞物質(zhì)，破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)，使細(xì)胞質(zhì)外泄，只剩下空的細(xì)胞壁，因而可以使用該方法觀察、計(jì)算除藻率。而激光輻照法除藻時(shí)，激光殺死的藻類的細(xì)胞結(jié)構(gòu)是否也發(fā)生如氧化般的重大破壞，造成細(xì)胞質(zhì)外泄而只余空細(xì)胞壁，這還沒(méi)有可信的實(shí)驗(yàn)加以證實(shí)。所以，目前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否完全真實(shí)可靠，還有待對(duì)激光輻照法除藻機(jī)理的進(jìn)一步研究。在此之前，可以考慮采用準(zhǔn)確度較高的葉綠素測(cè)定法來(lái)測(cè)定激光輻照法的除藻率。為了使測(cè)定更準(zhǔn)確，建議在照射后靜置1小時(shí)，使死亡藻類的葉綠素完全失效分解。

⒋　正確評(píng)價(jià)一個(gè)水廠的除藻水處理工藝目前還缺少一個(gè)與除藻有關(guān)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定，Janssens等[18]提出水廠除藻最終出水中的葉綠素－a的濃度要小于0.1μg/L，以防止管網(wǎng)中的生物繁殖；Oskam等則認(rèn)為最終出水中葉綠素－a的濃度達(dá)到0.3～0.5μg/L已經(jīng)足夠[18]。岳舜琳等認(rèn)為確定除藻水廠的最終出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)還要考慮藻毒素問(wèn)題，只有認(rèn)真研究了藻毒素的毒性及其在水廠水處理過(guò)程中的動(dòng)態(tài)變化，解決了其分析方法以后才能解決這一問(wèn)題。[19]

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