Effect of Pre-chlorination on Algae as Precursors for Disinfection By-products

自來水廠在處理原水的程序上，除了最後清水中的加氯消毒之外，為因應原水中較高的有機物濃度，會採用前加氯的方法來氧化部份汙染物及其它有機物質，以減輕後續混凝、沉澱、過濾單元的處理負擔，並減少操作成本，目前台灣地區許多自來水廠皆採用此一方法。 前加氯的氧化作用固然可解決一部份水質問題，但當原水中含有藻類細胞，甚至是來自高優養化的水源時，可能反而會造成飲用水中消毒副產物(Disinfection By-Products, DBPs)前趨物質的增加，提高民眾健康危害的風險。 以往的文獻中大多著重在優養化原水中藻類細胞的去除，或是藻類本身所產生的消毒副產物生成潛能，鮮少有研究強調在前加氯處理後所產生的影響，以及藻類所產生的消毒副產物前趨物質在淨水單元中的流佈。本研究以各種實驗室培養的含藻原水進行淨水程序的模擬，並討論有無前加氯的差異、藻類細胞及胞外物質的貢獻量、培養溫度的影響、溴離子與氯離子的競爭，以及三鹵甲烷(Trihalomethanes, THMs)及部份含鹵乙酸(Haloacetic Acids, HAAs)的生成。 實驗結果表示，前加氯的氧化作用會增加過濾水中消毒副產物前趨物質的含量，且這部份前趨物質是由於藻類細胞破裂，釋出胞內物質而產生的；藻類細胞所產生的有機物大多為脂肪族的前趨物質，因此在形成消毒副產物時溴離子會增加其生成量1~2倍；而前加氯的氧化力對於低溫(17~20℃)環境培養下的藻類細胞作用較小。 此外，本研究採集金門地區太湖及榮湖淨水廠的原水進行相同的實驗，分析結果中由於水樣含高濃度非藻類的有機物質，以致於無法推論實驗室所模擬之結果，但是可確定前加氯處理的水樣在過濾出水中會導致得到較高的消毒副產物生成量。Water treatment plants generally use chlorine as disinfectant to ensure the safety and health of drinking water. Besides, chlorine is also used as pre-oxidant when there is high level of organic matter in raw water, called pre-chlorination. Pre-chlorination could decompose a part of contaminants, like ammonia nitrogen and TOC, to alleviate the load of treatment units and diminish the operation cost of waterworks .It is a common process of water treatment in Taiwan. However, pre-chlorination might bring certain problems when dealing with anthropogenic pollutants. Reactions between pre-chlorination and algae from eutrophic water would increase the content of precursors of disinfection by-products (DBPs) in treated water and raise the risk of public health hazard. This study focus on the effects after pre-chlorination and the fate of algal cells and extracellular products (ECPs) in water treatment processes. Various kinds of simulation water samples with Microcystis aeruginosa (a species of blue-green algae) were used to proceed water treatment processes, including coagulation, flocuulation, settling, and filtration. Besides pre-chlorination, the contribution of cells and ECPs as DBPs precursors, cultivating temperature, competition between Br- and Cl-, formation of trihalomethanes(THMs) and haloacetic acids(HAAs) would also be discussed in the study. The results show that the oxidation of pre-chlorination did increase the content of DBPs precursors in treated water after filtration. These precursors were released into water because the breaking of algae cells. According to some literatures, many extracellular and intracellular products of Microcystis aeruginosa belong to aliphatic precursors so that Br- would increase the DBPs formation for 1~2 times. The aliphatic precursors tended to form Br-DBPs because of steric hindrance limit. Moreover, the algae cultivated in low temperature condition could resist the oxidation of pre-chlorination and release less precursors into water. Furthermore, this study also collected the raw water from two water treatment plants in Kinmen to proceed the water treatment processes. The results of DBPs analysis could not be inferred by the outcome from simulating experiments because the concentration of non-algal organic matter was too high. However, the treated water with pre-chlorination process revealed higher DBPs concentration than that one without pre-chlorination process, in both two plants.摘 要 I Abstract II 目 錄 IV 表 目 錄 VII 圖 目 錄 VIII 第一章、前言 1 1.1研究背景 1 1.2研究目的 3 1.3研究架構 4 第二章、文獻回顧 5 2.1 藻類概述 5 2.1.1 藻類生長環境 5 2.1.2 藻類生理特性 5 2.2 優養化簡介 7 2.2.1 優養化之成因 7 2.2.2 對湖庫水體及自來水處理之影響 8 2.3 飲用水中之消毒副產物 11 2.3.1 消毒副產物之生成 11 2.3.2 消毒副產物的危害性 13 2.4 自來水處理常使用之前氧化劑 14 2.4.1 氯 14 2.4.2 臭氧 14 2.4.3 高錳酸鉀 15 2.5 金門湖庫水質特性 16 第三章、實驗材料與方法 18 3.1 實驗流程之規劃 18 3.2 實驗材料 21 3.2.1藻類培養 21 3.2.1.1 實驗藻種 21 3.2.1.2 藻類培養液 23 3.2.2 金門湖庫原水 24 3.3 實驗方法 25 3.3.1 藻類培養設計 25 3.3.2 葉綠素a分析 (NIEA E508.00B) 28 3.3.3 藻類細胞計數 29 3.3.4 溶解性有機碳(DOC)分析 29 3.3.5 三鹵甲烷(THM)生成潛能 30 3.3.6 含鹵乙酸(HAA)生成潛能 32 3.3.7 淨水程序實驗 37 第四章、結果與討論 39 4.1 純種藻類生長情形觀測 39 4.1.1 批次型培養 40 4.1.2 連續型培養 41 4.2 藻類細胞內及其胞外物質形成消毒副產物之比較 43 4.2.1 藻體胞外物質在各淨水程序中對消毒副產物生成潛能之貢獻 45 4.2.1.1 批次型培養中不同生長時期之差異 45 4.2.1.2 連續型培養中不同生長時期之差異 46 4.2.2 藻類細胞在各淨水程序中對消毒副產物生成潛能之貢獻 47 4.2.2.1 批次型培養中不同生長時期之差異 47 4.2.2.2 連續型培養中不同生長時期之差異 48 4.3 前加氯處理對消毒副產物之影響 49 4.3.1 在各淨水程序處理後消毒副產物生成潛能之變化 49 4.3.1.1 批次型培養 49 4.3.1.2 連續型培養 51 4.3.2 有無前加氯對出水中消毒副產物生成潛能之影響 53 4.4 氯與溴對前趨物質的競爭 56 4.4.1 三鹵甲烷生成潛能中含氯與含溴物種之比較 56 4.4.2 含鹵乙酸生成潛能中含氯與含溴物種之比較 61 4.5 不同溫度培養下消毒副產物生成的比較 66 4.5.1 有無前加氯對消毒副產物的影響 66 4.5.2 溴離子和氯離子在形成消毒副產物時的競爭 74 4.6 湖庫原水試驗 79 4.6.1 金門地區原水在各淨水處理流程中消毒副產物的生成變化 79 第五章、結論與建議 83 5.1 結論 83 5.2 建議 85 參考文獻 87 附 錄 91 表 目 錄 表2-1. 各淨水程序中各大小分子之DOC及CHCl3濃度變化 10 表3-1. 調整過後的改良型M-11培養液 23 表3-2. 三鹵甲烷之定性及定量離子設定 31 表3-3. 含鹵乙酸分析之定性及定量離子設定 37 圖 目 錄 圖1-1. 飲用水消毒處理程序 2 圖1-2. 本研究之研究架構 4 圖2-1. 藻類生長情形與TOC及THMFP之關係圖 ......................... 9 圖2-2. 三鹵甲烷(THMs)之化學結構式 12 圖2-3. 含鹵乙酸(HAAs)之化學結構式 12 圖3-1. 本研究之採樣分析計劃 ...................................... 19 圖3-2. 大採樣中THMFP及HAAFP實驗前處理流程 20 圖3-3. 顯微鏡下的銅綠微囊藻(放大1000倍) 22 圖3-4. 批次型藻類培養設備 26 圖3-5. 連續型藻類培養設備 26 圖3-6. 低溫(17~20℃)培養槽 27 圖3-7. 高溫(27~30℃)培養槽 27 圖3-8. 含鹵乙酸分析步驟 35 圖4-1. 批次型培養下藻類生長的葉綠素a及NPDOC濃度曲線 ............ 40 圖4-2. 連續型培養下藻類生長的葉綠素a及NPDOC濃度曲線 41 圖4-3. 溫度27~30℃連續型培養下藻類生長的葉綠素a及NPDOC濃度曲線 42 圖4-4. 溫度17~20℃連續型培養下藻類生長的葉綠素a及NPDOC濃度曲線 42 圖4-5. 批次型培養下各程序處理後含藻原水之THMFP 44 圖4-6. chemostat培養下各程序處理後含藻原水之THMFP 44 圖4-7. 批次型培養下各程序處理後藻類胞外物質之THMFP 45 圖4-8. chemostat培養下各程序處理後藻類胞外物質之THMFP 46 圖4-9. 批次型培養下各程序處理後藻類細胞之THMFP 47 圖4-10. chemostat培養下各程序處理後藻類細胞之THMFP 48 圖4-11. 批次型培養前加氯處理下各程序處理後含藻原水之THMFP 49 圖4-12. 批次型培養前加氯處理下各程序處理後藻類胞外物質之THMFP 50 圖4-13. 批次培養前加氯處理下各程序處理後藻體細胞之THMFP 50 圖4-14. chemostat培養前加氯處理下各程序處理後含藻原水之THMFP 51 圖4-15. chemostat培養前加氯處理下各程序處理後藻類胞外物質之THMFP 52 圖4-16. chemostat培養前加氯處理下各程序處理後藻體細胞之THMFP 52 圖4-17. 批次型培養各時期，有無前加氯對過濾出水中THMFP之影響 54 圖4-18. chemostat培養各時期中，有無前加氯對THMFP之影響 55 圖4-19. chemostat培養第30天無前加氯處理下藻類胞外物質在各單元之THMFP 57 圖4-20. chemostat培養第30天無前加氯處理下藻類細胞在各單元之THMFP 58 圖4-21. chemostat培養第30天前加氯處理下藻類胞外物質在各單元之THMFP 59 圖4-22. chemostat培養第30天前加氯處理下藻類細胞在各單元之THMFP 60 圖4-23. chemostat培養第30天無前加氯處理下藻類胞外物質在各單元之HAAFP 62 圖4-24. chemostat培養第30天前加氯處理下藻類細胞在各單元之HAAFP 63 圖4-25. chemostat培養第30天無前加氯處理下藻類胞外物質在各單元之HAAFP 64 圖4-26. chemostat培養第30天前加氯處理下藻類細胞在各單元之HAAFP 65 圖4-27. 溫度27~30℃下chemostat培養的藻類原水在各單元之THMFP 68 圖4-28. 溫度17~20℃下chemostat培養的藻類原水在各單元之THMFP 71 圖4-29. 溫度27~30℃下chemostat培養的藻類細胞 72 圖4-30. 溫度17~20℃下chemostat培養的藻類細胞 73 圖4-31. 溫度27~30℃下chemostat培養的藻類原水在各單元處理後之THMFP 75 圖4-32. 溫度27~30℃下chemostat培養的藻類原水經前加氯處理下各單元處理後之THMFP 76 圖4-33. 溫度17~20℃下chemostat培養的藻類原水在各單元處理後之THMFP 77 圖4-34. 溫度17~20℃下chemostat培養的藻類原水經前加氯處理下各單元處理後之THMFP 78 圖4-35. 太湖淨水廠原水經混凝、沉澱及過濾處理後，各單元出水之THMFP 81 圖4-36. 榮湖淨水廠原水經混凝、沉澱及過濾處理後，各單元出水之THMFP 82 附錄一、THM層析圖譜及離子碎片圖................................... 91 附錄二、THM 各物種之檢量線 94 附錄三、HAA層析圖譜及離子碎片圖 96 附錄四、HAA各物種之檢量線 100 附錄五、27~30℃培養下藻類胞外代謝物之THMFP(無前加氯) 103 附錄六、27~30℃培養下藻類細胞之THMFP(無前加氯) 104 附錄七、27~30℃培養下藻類胞外物質之THMFP(前加氯) 105 附錄八、27~30℃培養下藻類細胞之THMFP(前加氯) 106 附錄九、17~20℃培養下藻類胞外代物之THMFP(無前加氯) 107 附錄十、17~20℃培養下藻類細胞之THMFP(無前加氯) 108 附錄十一、17~20℃培養下藻類胞外物質之THMFP(前加氯) 109 附錄十二、17~20℃培養下藻類細胞之THMFP(前加氯) 110 附錄十三、藻類培養槽設計圖 11