王 杰，劉 成，朱浩強，陳 衛(wèi)，（.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 0098；.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇 南京 0098）

太陽光催化氧化工藝對藻源含氮有機物的降解研究

王 杰1，劉 成2*，朱浩強2，陳 衛(wèi)1，2（1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098）

利用小試試驗研究了太陽光/TiO2體系對銅綠微囊藻細(xì)胞內(nèi)的溶解性有機氮（DON）的氧化降解過程，考察了氧化降解過程中總可溶性蛋白、多糖、UV254等指標(biāo)的變化，分析了其作用機理.結(jié)果表明，7h處理后，太陽光/TiO2體系對水樣中的DON降解率為29%，且降解過程中TN含量基本沒有變化，而和的濃度明顯增加；氧化過程中，總可溶性蛋白和多糖的含量明顯減少，去除率達(dá)48.6%和54.5%.水樣的渾濁度、UV254和DOC也有不同程度的去除.

太陽光催化氧化；負(fù)載TiO2；含氮有機物；銅綠微囊藻

由于藻類及其代謝產(chǎn)物大部分為蛋白質(zhì)、氨基酸、核酸類等氮元素含量比較豐富的物質(zhì)［1］，從而導(dǎo)致藻類成為天然水中含氮有機物的重要來源之一.高藻水源水中含量較高的含氮有機物，一方面影響飲用水常規(guī)處理工藝的正常運行（含氮有機物的大量存在會使得混凝效果降低，耗氯量增加，出水水質(zhì)變差），另一方面含氮有機物也是一類新型消毒副產(chǎn)物（含氮消毒副產(chǎn)物，N-DBPs）的主要前體物［2-3］.由于含氮有機物的種類復(fù)雜，通常以溶解性有機氮（DON）來代表其含量的高低.如何有針對性去除水中的含氮有機物是目前水處理領(lǐng)域的研究熱點之一，但尚未形成共識［4-6］.太陽光催化氧化技術(shù)作為一種綠色環(huán)保的水處理技術(shù)，目前已初步用于各類有機、無機污染物的去除以及細(xì)菌、藻類等微生物的殺滅研究中［7-10］，并已在景觀水體中用于抑制藻類的過度繁殖［11］.本文主要考察太陽光催化氧化技術(shù)對藻類細(xì)胞中的含氮有機物的去除效能，并分析其作用機理，以期為該技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用提供技術(shù)支持.

1 材料與方法

1.1 試驗儀器與材料

馬弗爐（上海理大智能電子有限公司）、定時恒溫磁力攪拌器（國華78-1）、高速冷凍離心機（美國貝克曼公司）、超聲波細(xì)胞粉碎儀（寧波新芝儀器有限公司）、UV-A單通道紫外輻照計（北京師范大學(xué)光電儀器廠）、紫外可見分光光度計（北京普析通用儀器公司）、TOC分析儀（德國耶拿分析儀器有限公司）、紫GE Ettan DALT II system雙向電泳儀.

納氏試劑、氫氧化鈉、過硫酸鉀、酒石酸鉀鈉、鹽酸、鈦酸丁酯、乙醇、硝酸、醋酸纖維濾膜（0.45μm）均購自南京中東化玻儀器有限公司，分析純.

1.2 試驗方法

1.2.1 待處理水樣的準(zhǔn)備 將培養(yǎng)至對數(shù)增長期的銅綠微囊藻（藻種購自中國科學(xué)院水生生物研究所）細(xì)胞，經(jīng)7500r/min離心清洗后至于超聲波細(xì)胞粉碎機內(nèi)破碎，使銅綠微囊的胞內(nèi)有機物（IOM）完全釋放到水中，經(jīng)0.45μm濾膜過濾后用純水稀釋至DON濃度為1mg/L，以此水樣作為待處理原水.

1.2.2 催化劑的制備 在不斷攪拌下將80mL鈦酸丁酯緩慢加入到400mL無水乙醇中混合均勻，即得A液.將320mL無水乙醇、8mL H2O和2.5mL （1：4）硝酸混合均勻，即得B液.將B液緩慢倒入劇烈攪拌中的A液，持續(xù)攪拌30min，陳化24h，即得TiO2膠液.采用浸漬提拉法，將經(jīng)過預(yù)處理（除去其表面蠟質(zhì)和其他有機物）后的玻璃纖維網(wǎng)浸入其中，5min后緩慢提起，取出自然晾干，然后在馬弗爐中高溫煅燒（從室溫以2°C/min的速度逐漸升溫至500°C），恒溫1h，冷卻后取出.重復(fù)以上過程3～4次后即可制得TiO2薄膜［12］.

1.2.3 太陽光催化氧化實驗 取1000mL水樣于直徑15cm的燒杯中，負(fù)載有TiO2催化劑的玻璃纖維網(wǎng)固定在燒杯內(nèi)壁，同時設(shè)置未加催化劑的空白對照，置于太陽光照下處理7h（9：30～16：30），每隔20min并充分震蕩所有試驗樣品.試驗過程中定時取樣，經(jīng)0.45μm濾膜過濾后測定各類水質(zhì)指標(biāo).以上試驗分別做兩次平行樣，取平均值.

TiO2吸附對比實驗方法同太陽光催化氧化相近，唯一區(qū)別在于反應(yīng)系統(tǒng)置于黑暗條件下，避免光的影響.

1.3 主要檢測指標(biāo)及方法

1.3.1 DON的測定方法 DON的濃度通過溶解性總氮（TDN）與總無機氮（TIN）的差值來間接確定DON的濃度.TDN的測定方法為水樣經(jīng)0.45μm的濾膜過濾后，使用德國耶拿公司Multi N/C 2100型TOC分析儀的總氮測定模塊進(jìn)行測定；TIN包括硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和氨氮），其檢測方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》［13］.

1.3.2 總可溶性蛋白的測定 總可溶性蛋白（TDP）采用考馬斯亮藍(lán)法測定.水樣測定前經(jīng)過0.45μm的醋酸纖維濾膜過濾，取200μL置于比色管中，加入2.8mL考馬斯亮藍(lán)，震蕩搖勻，靜置2min后測定在595nm下的吸光度，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線計算出水樣中蛋白質(zhì)濃度.

1.3.3 多糖的測定 多糖采用蒽酮試劑法測定.水樣測定前經(jīng)過0.45μm的醋酸纖維濾膜過濾，取1mL置于比色管中，加入蒽酮試劑5mL，于沸水浴中煮沸10min，取出冷卻，然后于分光光度計上測定在625nm下的吸光度，從標(biāo)準(zhǔn)曲線上計算出水樣中多糖的濃度.

1.3.4 蛋白質(zhì)的雙向電泳分離試驗 將經(jīng)過0.45μm的醋酸纖維濾膜的水樣置于millipore超濾管中，在高速冷凍離心機中離心，轉(zhuǎn)速7000g、溫度4℃，對水樣中的蛋白質(zhì)濃縮提純.加入裂解液（7mol/L尿素、2mol/L硫脲、40g/L 3-［3-（膽酰胺丙基）二甲氨基］丙磺酸內(nèi)鹽（CHAPS）、10g/L二硫蘇糖醇強還原劑（DTT）和蛋白酶抑制劑，充分震蕩后離心，轉(zhuǎn)速15000g，取上清液上樣150μg進(jìn)行一向等電聚焦，聚焦后的膠條分別以SDS平衡緩沖液平衡2次，每次15min.平衡后IPG膠條轉(zhuǎn)移至電泳系統(tǒng)，用12.5%的膠進(jìn)行二向電泳，恒流50mV 60min，電泳至溴酚藍(lán)跑到凝膠底部即可結(jié)束電泳，凝膠進(jìn)行銀染.染色后的凝膠通過Image Scanner高密度掃描儀獲取圖像.

1.3.5 其他指標(biāo)的測定方法 DOC：水樣經(jīng)0.45μm的濾膜過濾后，使用德國耶拿公司Multi N/C 2100型TOC分析儀進(jìn)行測定；UV254：水樣測定前經(jīng)0.45μm的醋酸纖維濾膜過濾，使用LabTech UV-1000紫外分光光度計測定水樣在254nm波長處的吸光度值；渾濁度：使用HACH便攜式濁度儀2100P對水樣進(jìn)行測定.

2 結(jié)果與討論

2.1 太陽光催化氧化對DON的處理效能

圖1 不同反應(yīng)體系中DON的去除率Fig.1 Removal of DON in different reaction systems

本試驗控制水樣中DON的初始濃度為1.0mg/L，試驗的環(huán)境溫度為35℃，平均光照度為104943lux，平均UV365為1880μW/cm2，不同體系中DON含量的變化如圖1所示. 由圖1可知，不同反應(yīng)體系中DON的降解情況存在顯著的差異：TiO2吸附體系中DON的濃度基本沒有發(fā)生變化；太陽光光照體系中DON有微弱地降解，去除率大約為5%左右；而太陽光/TiO2薄膜體系中DON的降解比較明顯，去除率達(dá)29%.這是因為TiO2在太陽光（主要是波長小于387.5nm的光）照射下，其價帶上的電子被激發(fā)越過禁帶進(jìn)入導(dǎo)帶，同時在價帶上留下了空穴，從而產(chǎn)生了具有高度活性的空穴/電子對［14］.光生空穴具有很強的氧化能力，可以將吸附在半導(dǎo)體表面的OH-和H2O氧化，生成具有強氧化性的羥基自由基（·OH），從而氧化降解有機污染物.同時，空穴本身也奪取吸附在半導(dǎo)體表面的有機物質(zhì)中的電子，使原本不吸收光的物質(zhì)被直接氧化分解.TiO2吸附體系中并不存在這樣的反應(yīng)過程，而單獨的太陽光照對DON也有一定的去除作用，原因可能在于水樣中存在少量的葉綠素，葉綠素類天然有機物對太陽光具有微弱的催化氧化作用，使某些含氮有機物被氧化.

2.2 太陽光催化氧化過程總可溶性蛋白和多糖含量的變化

當(dāng)原水中DON為1mg/L時，其總可溶性蛋白的濃度為7.22mg/L，多糖的濃度為28.88mg/L.如圖2及圖3所示，經(jīng)過7h的處理，不同體系中，總可溶性蛋白和多糖的含量有明顯不同.與空白對照樣相比，在只有太陽光照射條件下，水樣中總可溶性蛋白的含量略微降低，而多糖的含量幾乎未發(fā)生改變，原因可能是由于蛋白質(zhì)在太陽光照或溫度升高的條件下發(fā)生了變化.而在太陽光催化氧化體系中，總可溶性蛋白和多糖的去除率分別達(dá)48.6%和 54.5%，表明該反應(yīng)體系對蛋白質(zhì)和多糖有持續(xù)的氧化作用，原因同前述.TiO2薄膜吸附體系中，總可溶性蛋白和多糖的濃度均未發(fā)生變化.

圖2 不同反應(yīng)體系中總可溶性蛋白含量的變化Fig.2 Variation of TDP in different reaction systems

圖3 不同反應(yīng)體系中多糖的含量變化Fig.3 Variation of polysaccharide in different reaction systems

2.3 蛋白質(zhì)性質(zhì)的變化

為進(jìn)一步分析太陽光催化氧化對DON的去除效能，針對處理后水樣中的總可溶性蛋白進(jìn)行雙向電泳試驗.

圖4 太陽光催化氧化處理前后蛋白質(zhì)的雙向電泳圖譜Fig.4 Two-dimensional electrophoresis spectra of protein before and after solar catalytic treatment

圖4（a）總共顯示了185個蛋白點，分子量主要介于30～80kD之間，絕大部分蛋白的等電點pH值小于7.由此可以推斷，實驗室所培養(yǎng)的藍(lán)藻胞內(nèi)蛋白至少有185種，且大多位于酸性端，分子量分布在30～80kD之間.由圖4（b）可以看出，處理后的蛋白分子量主要集中在20～30kD之間，而等電點也進(jìn)一步向酸性端偏移.綜合分析，大分子蛋白消失的同時，小分子蛋白的濃度增加，說明太陽光催化氧化將蛋白質(zhì)完全氧化的程度較低，更多的是將大分子蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化成了小分子蛋白質(zhì).

2.4 其他水質(zhì)指標(biāo)的變化

由圖5可以看出，經(jīng)過7h的氧化處理后，水樣的渾濁度從初始的14.40NTU降低至7.03NTU.水樣的顏色隨著反應(yīng)的進(jìn)行從最初的淡藍(lán)色變?yōu)闊o色，這主要是葉綠素在太陽光光照下發(fā)生分解，從而引起了溶液渾濁度的變化.此外，水樣中的DOC和UV254也從原先的21.84mg/L和0.108cm-1分別降低至16.68mg/L和0.056cm-1，去除率分別為23.6%和48.1%，分析其原因，主要為反應(yīng)體系中羥基自由基（·OH）或空穴（h+）對有機物的氧化，包括對有機物不飽和鍵的氧化.UV254的去除率遠(yuǎn)大于DON和DOC的去除率也是由于水樣中的大部分有機物并沒有被完全降解為無機物質(zhì)，而是通過針對有機物的不飽和鍵的改變使其分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變.

圖5 試驗過程中溶液中主要水質(zhì)參數(shù)的變化Fig.5 Variation of water qualities in solar /TiO2system

2.5 氧化產(chǎn)物及其對后續(xù)處理的分析

由圖6可以看出，經(jīng)7h光催化反應(yīng)后，DON由初始濃度1mg/L降解到0.71mg/L，去除率為29%由初始的0.127mg/L上升至0.329mg/L，由0.103mg/L增加至0.197mg/L，而總氮（TN）的含量基本沒有發(fā)生變化，說明在整個反應(yīng)過程中，DON并沒有被轉(zhuǎn)化成氮氣，而是轉(zhuǎn)化成了和.根據(jù)El-Sayed等［15］提出的電化學(xué)機理，DON被降解的過程可用如下反應(yīng)式（1）～式（4）來表示：

圖6 太陽光/TiO2降解DON的過程Fig.6 Degradation of DON in solar /TiO2system

綜合圖4、圖6的結(jié)果可以看出：太陽光催化氧化僅可使少量有機氮類有機物轉(zhuǎn)化為氨氮、硝酸鹽氮等無機氮類物質(zhì)，而其更主要的作用表現(xiàn)為將大分子有機氮類物質(zhì)轉(zhuǎn)化為小分子有機氮類物質(zhì).前期研究表明，藻類細(xì)胞的大分子疏水性有機物是影響混凝效果的重要因素［16］.因此通過氧化處理后，混凝單元的混凝劑消耗量將會顯著降低，有利于水廠常規(guī)工藝的正常運行；少量有機氮類物質(zhì)所轉(zhuǎn)化的無機氮類物質(zhì)由于含量較低，對水廠出水水質(zhì)的整體影響不太明顯.針對此部分內(nèi)容的研究將在后續(xù)研究中予以細(xì)致論述.

3 結(jié)論

3.1 太陽光/TiO2氧化體系對藻類細(xì)胞內(nèi)的DON有一定的去除作用，7h處理后降解率為29%；且降解過程中和的濃度明顯增加，而TN的含量基本沒有變化，其最終產(chǎn)物考慮為和.

3.2 降解過程中總可溶性蛋白和多糖的含量也明顯減少，分別從7.22mg/L和28.88mg/L降為3.71mg/L和13.14mg/L，去除率達(dá)48.6%和54.5%，同時蛋白質(zhì)分子也發(fā)生了從大分子向小分子的轉(zhuǎn)化，且等電點也隨之向酸性端偏移.

3.3 降解過程中水樣的渾濁度由14.4NTU降低至7.03NTU，UV254和DOC去除率分別為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，江蘇如皋人，河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院碩士研究生，主要從事水處理理論及技術(shù)研究.

2013-04-03

國家自然科學(xué)基金（51378174）；國家科技重大專項（2012ZX07403-001）；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目

* 責(zé)任作者， 副教授， liucheng8791@sina.com.cn