摘要：水華事件和藻毒素的產(chǎn)生可能性已經(jīng)成為全世界范圍內(nèi)飲用水行業(yè)要考慮的重要 問題 。飲用水水源，如湖泊、水庫及一些河流(如漢江)中藻類的過量生長會造成濾池堵塞，產(chǎn)生異味異嗅，生成消毒副產(chǎn)物和毒素等問題。本文列舉了 目前 全球用于控制水華的不同水處理工藝;著重介紹了關(guān)于采用激光輻照法除藻的 研究 ，探索一種 經(jīng)濟(jì) 、高效的新處理 方法 。

。

關(guān)鍵詞：水華 激光輻射 除藻 高藻原水

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)測中心對漢江中下游江段進(jìn)行監(jiān)測，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，驟然呈幾何級數(shù)增長，水體顏色加深的一種生物現(xiàn)象，出現(xiàn)在國內(nèi)內(nèi)河流域極為罕見。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、磷等污染營養(yǎng)成分相對增高，加上光照、氣溫大幅回升，導(dǎo)致水體中藻類瘋長。另據(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。武漢市自來水公司的10座水廠中，就有宗關(guān)、白鶴嘴、琴斷口、國棉4座水廠從漢江取水，負(fù)責(zé)漢口、漢陽等地的供水任務(wù)，日供水量164萬立方米，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高藻水源水的處理無特效，為保證出廠水水質(zhì)符合國家生活飲用水水質(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160萬元，98年增加到280萬元，2000年又有提高。即使如此，由于處理過程中大量藻的死亡，使自來水中帶有"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。對藻類形態(tài)觀察發(fā)現(xiàn)，臭氧對藻類具有較大的破壞作用。顯微鏡下經(jīng)�？梢砸姷窖趸髷嗔训臍�?jiān)迤我约笆ゼ?xì)胞質(zhì)的空細(xì)胞壁，而對臭氧預(yù)氧化后未經(jīng)過其它處理的水樣檢測發(fā)現(xiàn)，藻類數(shù)量仍然減少了30%~50%。

臭氧化技術(shù)目前在國內(nèi)應(yīng)用還不多，尚存在一些有待解決的問題。首先是經(jīng)濟(jì)問題，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，不能儲存。其次，據(jù)近年來關(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，來解決上述問題，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。國際上將二氧化氯列為飲用水AI級安全消毒劑。

一般來說，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)，對藻類有較好的殺滅效果，但對氨氮和亞硝酸鹽的氧化效果不明顯。對有機(jī)物和色度也幾乎沒有去除效果。二氧化氯能有效地控制藻類的生長以及因此而產(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)生成無嗅無味無毒的物質(zhì)，并能夠成功地控制霉味、魚腥味以及防線菌帶來的異味。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)，若用臭氧消毒就會增加臭氧的消耗，因二者會互相反應(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控制和除去來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 過氧化氫預(yù)氧化

過氧化氫是一種比較常見的氧化劑，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，過氧化氫具有一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢，即它本身的氧化產(chǎn)物為水，不會向水體增加任何副作用，而且目前也未見其氧化產(chǎn)生其它副產(chǎn)物的報(bào)道。過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。

另據(jù)武漢市自來水公司水質(zhì)檢測中心[2]試驗(yàn)表明，KMnO4氧化有機(jī)物的動力學(xué)過程是一個(gè)耗時(shí)的過程，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)武漢市自來水公司水質(zhì)檢測中心[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，若不能在后續(xù)處理工藝中有效的去除，將對人和水生物均產(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，即形成聚合陽離子，對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)150萬~600萬。它的混凝效果在于對固體表面具有強(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來，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來，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。水解度過高，負(fù)電性過強(qiáng)，對絮凝也產(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 起來的新型凈水劑，是以二甲基二烯丙基氯化氨(Diallyl Dimethyl Ammonium Chloride 簡稱DMDAAC或FL45C)均聚而成的高分子陽離子聚電解質(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，其用量僅為混凝劑用量的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離子基團(tuán)和活性吸附基團(tuán),對懸浮膠體和含負(fù)電荷的物質(zhì)通過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)較多核型無機(jī)混凝劑強(qiáng)烈。由于藻類表面帶負(fù)電荷，易與陽離子型HCA接觸，使其絮凝成團(tuán)，因而可加速其沉淀去除。

使用無機(jī)混凝劑(如FeCl3)同時(shí)籍助HCA陽離子基團(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，投加方式簡單，運(yùn)輸、儲存方便，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)致過高的產(chǎn)品成本，因而沒有形成生產(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)過程制備穩(wěn)定性較高的高鐵復(fù)合產(chǎn)品，開發(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)勢高鐵酸鹽與絮凝劑復(fù)合的現(xiàn)場與在線投加產(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�(GAC)

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，用顆粒活性炭替換全部砂層，即活性炭吸附兼過濾。目前法國、美國、瑞士等國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，可以延長活性炭對去除殺蟲劑、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、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。從國內(nèi)外眾多活性炭凈化水廠的運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)可知，顆�；钚蕴课酱驳囊淮问褂脡勖话銥�2~3年，有的更長些。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)造簡單、操作方便、體積小、熱效率高。另日本采用顆粒活性炭吸附池的水廠，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，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)局與自來水公司以大伙房水庫水為原水，進(jìn)行了除藻試驗(yàn)[14]，原水含藻平均203×103/L，在使用國產(chǎn)Ⅱ號網(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 直接過濾法

⑴　常規(guī)濾池直接過濾

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

⑵　輻射流濾池直接過濾試驗(yàn)

武漢 工業(yè) 大學(xué)進(jìn)行過輻射流濾池直接過濾試驗(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)輻射流過濾器過濾，輻射過濾器平面呈扇形，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中直接過濾為好，輻射流過濾是減速過濾，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)動場中，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，通過架橋與網(wǎng)捕作用，截留水中微粒，試驗(yàn)裝置見 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，除分離無機(jī)及有機(jī)懸浮物外，氣浮法對于水中溶解性有機(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)裝置參見文獻(xiàn)[15]。預(yù)處理池三級串聯(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%，可見生物處理對藻的去除有較好的穩(wěn)定性。有資料說明，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程，也稱為高級氧化法(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。短波長的紫外光(波長為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。 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，以利于通過混凝、沉淀等后續(xù)工藝除藻。我們的研究表明，波長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，相信不久的將來我們就可以將廉價(jià)、高效、無污染的激光技術(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內(nèi)分散顆粒的相互作用，其目的是降低懸浮物對聚集的穩(wěn)定性，為順利地通過凝聚及絮凝過程而創(chuàng)造條件，而凝聚和絮凝過程可導(dǎo)致形成的聚集物在切斷電場后也不會分散，因而隨后能加速沉淀作用或用過濾的方法去除它。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。可以考慮改善電場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 市政工程中南設(shè)計(jì)院與武漢市自來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-氣浮-過濾-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，并測得第1個(gè)水庫水中含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。

㈢ 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，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。正如前面介紹過的，單獨(dú)應(yīng)用臭氧化除藻存在一些 問題 ，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。常見的生物活性炭工藝如下：

↓混凝劑 　　　　　　　↓ O3

原水-----→澄清----→過濾----→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級的有機(jī)物;此外，還可使活性炭部分再生，明顯延長了再生周期;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，微生物生長在炭粒表面的大孔中，通過細(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月世界上第一臺激光器--紅寶石激光器問世以來，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)上萬條，波長從幾百微米到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十萬億瓦(1013瓦)，激光的單色性也在不斷提高，一臺好的激光器所產(chǎn)生的激光的波長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)果是光吸收的逆過程。當(dāng)處于激發(fā)態(tài)的原子數(shù)超過處于基態(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，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，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)、一萬億分之一秒(10-12秒)甚至更短，這樣一來，△S、△t、△Ω都很小，所以激光的亮度也就可以很高。簡言之，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，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。單色光就是指波長范圍很窄的一段光輻射。以△λ/λ(λ為光波波長，△λ為光波的波長范圍)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范圍小于一千萬分之一埃(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的光，從而防止由于其它波長的光的存在而產(chǎn)生的不良 影響 和能量浪費(fèi)。

⒊ 激光的生物效應(yīng)[22]

激光對生物體的作用效應(yīng)大致可以從光、熱、壓力、電磁場等幾個(gè)方面加以考慮：

⑴ 光效應(yīng)

一般來說，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)過程，即只有被吸收了的那一部分光，才可能對有機(jī)物發(fā)生作用。因此，研究激光對有機(jī)物的影響時(shí)，激光波長地透射率(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，對不同波長的激光的反應(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，要通過實(shí)驗(yàn)來回答。

⑵ 熱效應(yīng)

激光是時(shí)空上的相干輻射，它對有機(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)動在代謝過程中經(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)來自兩方面：

① 激光聚焦后會產(chǎn)生極大的功率密度，因而會產(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。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，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，激光可能通過光、熱、壓力和電磁場效應(yīng)對生物有機(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、繁殖。所有的光生物學(xué)過程都具有如下特征：色素分子的光吸收，光激發(fā)，分子內(nèi)能級之間的躍遷，能量向反應(yīng)中心的轉(zhuǎn)移。毫無疑問，光是其中的重要因素，也就是說，我們可以通過控制、改變光作用的條件，來影響和研究光化學(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光反應(yīng)動力學(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)的激光器都不成問題。著對于生物學(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。

研究激光輻射對生物細(xì)胞的大量交換過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?死亡、延續(xù)、生命活動的改變)首先由能量上和生命上的重要過程(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?/p>

比較各種波長的激光的除藻效果，找出針對原水除藻的最佳激光方案(穩(wěn)定態(tài)或脈沖態(tài)、波長、照射時(shí)間)。

⒉ 實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備

顯微鏡一臺、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]DGE100-5YB激光 治療 儀

[660nm 波長]ZSM-1信頻YAG激光儀

[1064nm波長]DGR100-5YB激光治療儀

[1320nm 波長]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)、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)來看，其濁度和色度都比較低，不會對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，而每臺激光器的輸出頻率(激光的波長)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。在確定了何種波長的激光除藻效果最好之后，采用該種波長的穩(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(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，確定最佳照射時(shí)間;

Ⅱ.使用(一)中所定波長的穩(wěn)定態(tài)激光和相同波長的脈沖激光分別進(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1L的(考慮到在轉(zhuǎn)移過程中會漏失部分水樣，因而多取少許水樣)原水。

③ 啟動激光器，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，在啟動激光器后將光纖端部接近小木塊，若有灼燒現(xiàn)象則說明已發(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始計(jì)時(shí)，均勻擺動光纖端部，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中選定波長的穩(wěn)定態(tài)激光和相同波長的脈沖激光進(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：532nm，這一結(jié)論與前面原理分析中關(guān)于200nm-1000nm的激光對生物體有較大作用效果的論斷相符。

⑵ 照射時(shí)間越長除藻率越高，因?yàn)檎丈鋾r(shí)間長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，通過光動力學(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，對昆蟲也有同樣情況。[23]所以，在激光輻射法除藻過程中，也可以考慮與使用藥劑結(jié)合：通過投加藥劑，催化光動力學(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 沒有532nm波長的脈沖激光器，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，波長越短的激光對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)室還沒有波長更短的激光器，待新的紫外激光器生產(chǎn)后，可作進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。

⒉　由于水華期已過，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，這對實(shí)驗(yàn)結(jié)果多少會有一些影響，因而在進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)中，需要考慮這一 問題 ，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定法來測定激光輻照法的除藻率。為了使測定更準(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)還要考慮藻毒素問題，只有認(rèn)真研究了藻毒素的毒性及其在水廠水處理過程中的動態(tài)變化，解決了其分析方法以后才能解決這一問題。[19]

參考 文獻(xiàn)

1　漢江"水華"事件匯報(bào)材料，武漢自來水公司，2000.3.23。

2　曾卓等，團(tuán)山水源水質(zhì)現(xiàn)狀及對策。

3 劉益萱等，顆�；钚蕴吭陲嬘盟疃忍幚碇械� 應(yīng)用 ，給水排水，Vol.27，No.3，2001。

4 濮慶嬌等，粉末活性炭在滇池水處理中的應(yīng)用 研究 。

5 尤作亮等，二氧化氯凈化微污染水源水的研究進(jìn)展。

6 嚴(yán)煦世等主編，給水工程，第三版， 中國 建筑 工業(yè) 出版社，1995。

7 許沁等，光氧化法去除水中有機(jī)污染物的研究與應(yīng)用，西南給排水，Vol.23，No.1，2001。

8 張華梁等，HCA做助凝劑在生產(chǎn)中的應(yīng)用，1999.9.20。

9 石穎等，pH值對高鐵酸鹽復(fù)合藥劑強(qiáng)化除藻的 影響 ，中國給水排水。

10 中國給水排水中南設(shè)計(jì)院等.東湖水廠水處理測試報(bào)告.1984,8。

11 李鏡明等.輻射流濾池直接過濾處理含藻湖水的試驗(yàn)研究.給水排水,1992,1(75),5～8。

12 李鏡明等.高營養(yǎng)化湖水絮凝新工藝的試驗(yàn)研究.給水排水，1993,1(105),14～16。

13 陳寶書等.微孔濾網(wǎng)除藻的試驗(yàn)研究.給水凈化學(xué)術(shù)會議論文，中國土木工程學(xué)會市政工程委員會，1964 ,6。

14 湖南大學(xué)等.洪覺民執(zhí)筆.微濾機(jī)除藻試驗(yàn) 總結(jié) .1982,7。

15 李家新等.高營養(yǎng)化湖泊水源生物預(yù)處理研究.中國給水排水，1992,6(8),4～7。

16 張賜承.東湖水廠自來水中三鹵甲烷及對策研究.中國給水排水，1995,5(11)9～13。

17 Li Wanying, et al."Research on Odor Origin and Treatment Technology for Reservoir Water"Water and Waste-water Treatment Proceedings of International Conference, July 12～16 1994 BEijing, China VO1.1,P.170～180。

18 Oskam G & et al."Entrophication and development of algae in surface Water-a threat for the future".國際供水協(xié)會第20屆年會論文論文集，STECIAL SUBJECT,SS.8-1～8-10。

19 岳舜琳等，湖泊水除藻工藝研究，上海環(huán)境 科學(xué) 學(xué)會編文集，1999。

20 丁俊華等，激光原理及應(yīng)用，清華大學(xué)出版社，1987。

21 王壽祥譯，激光在生物學(xué)研究中的應(yīng)用，激光(第十冊)，科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社重慶分社，1970。

22 吉林農(nóng)大激光科研小組，激光在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，激光(第十冊)，科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社重慶分社，1970。

23 劉頌豪，生物光子學(xué)，激光和激光光譜學(xué)在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中地應(yīng)用，1996。