中国地质大学（武汉）张伟军研究员课题组：不同水处理工艺中溶解有机物去除和分子转化对消毒副产物形成的影响 - 行业资讯 - 实验与分析

中国地质大学（武汉）张伟军研究员课题组：不同水处理工艺中溶解有机物去除和分子转化对消毒副产物形成的影响

赵桂芝 2023-10-30

消毒能有效杀灭饮用水中的病原微生物，控制饮用水途径传播的传染病的发病率，从而保障公共卫生安全。因此，消毒已成为水处理系统中不可或缺的一部分。但水中的溶解性有机质（Dissolved organic matter，DOM）与消毒剂（氯、氯胺和二氧化氯等）反应时会不可避免的产生有毒有害的消毒副产物（Disinfection byproducts，DBPs）。

消毒能有效杀灭饮用水中的病原微生物，控制饮用水途径传播的传染病的发病率，从而保障公共卫生安全。因此，消毒已成为水处理系统中不可或缺的一部分。但水中的溶解性有机质（Dissolved organic matter，DOM）与消毒剂（氯、氯胺和二氧化氯等）反应时会不可避免的产生有毒有害的消毒副产物（Disinfection byproducts，DBPs）。毒理学研究表明DBPs具有细胞毒性、遗传毒性和致突变性。消毒能有效杀灭饮用水中的病原微生物，控制饮用水途径传播的传染病的发病率，从而保障公共卫生安全。因此，消毒已成为水处理系统中不可或缺的一部分。但水中的溶解性有机质（Dissolved organic matter，DOM）与消毒剂（氯、氯胺和二氧化氯等）反应时会不可避免的产生有毒有害的消毒副产物（Disinfection byproducts，DBPs）。毒理学研究表明DBPs具有细胞毒性、遗传毒性和致突变性。流行病学研究报道显示，城市膀胱癌发病率与自来水DBPs浓度具有一定的相关性。因此，饮用水DBPs控制已成为环境工程与环境健康领域的热点问题。控制DBPs的方法有三种：源头控制、过程控制和末端控制，分别发生在消毒前、消毒中和消毒后。其中源头控制指的是通过去除DBPs前体物DOM来最小化DBPs的生成。常规的饮用水处理工艺，包括混凝沉淀、介质过滤和消毒，只能去除疏水性的大分子DOM，可能无法将出水DBPs控制在可接受的水平。因此，亟待全面探究常用水处理工艺对DOM前体的选择性去除效果及其对后续消毒过程中DBPs生成的影响机制。目前，高分辨率质谱可以从分子层面解析DOM在水处理过程中去除与转化，结合linkage分析可以识别消毒过程中潜在的DBPs前体分子。此外，先前的研究从单个分子水平上构建了DOM与DBPs生成势之间的相关性，这使得阐明水处理过程中DOM的去除与转化对DBPs生成的影响机制成为可能。

▲图1 图文摘要（来源：ScienceDirect）

本研究采用FT-ICRMS结合linkage分析，系统研究了混凝、吸附、纳滤、曝气生物滤池（BAF）及其组合工艺（混凝-吸附和BAF-混凝-吸附）处理过程中DOM的去除和转化，以及对随后氯化消毒过程中DBPs生成的影响。主要结论如下:

（1）高不饱和（H/C < 1.25）和高氧化度（O/C > 0.4）分子易于被混凝去除。而粉末活性炭吸附倾向于去除与氯反应性更强的低氧化度（O/C < 0.4）组分，因此对DBPs具有较好的控制效果。混凝-吸附联用技术对已知和未知DBPs的都有较高的去除率，进一步证明了混凝和吸附在分子水平上对DBPs前体的去除具有互补性。

（2）纳滤膜通过静电斥力选择性截留O/C较高的分子（含更多带负电官能团），而与氯反应性更强的低氧化度（O/C < 0.3）组分难以被滤膜截留。因此，纳滤虽然实现最高的DBPs去除率，但其出水中THMs和HAAs的产率（μg DBP/mg DOC）最高。

（3）BAF对DBPs前体的去除效率不高，但其能将低氧化度和低不饱和的分子转化为高度氧化和高不饱和分子，这显著地强化了后续的混凝吸附工艺对DBPs前体的去除。

本研究的结果有助于开发更有效的水处理技术以最小化饮用水DBPs的形成。如，纳滤可能无法有效去除与氯反应性较高的还原性分子。在水源水受到污染的情况下，应考虑将纳滤与预氧化技术相结合，以提高DBPs前体的去除效果。此外，BAF作为水处理厂的前端工艺时，可通过微生物转化增加DOM的氧化度，从而强化混凝过程中DBPs前体与水解金属的络合。

▲图2 DOM经(A)混凝、(B)吸附、(C)混凝-吸附、(D)纳滤、(E) BAF和(F) BAF/混凝吸附处理后的去除与转化（来源：ScienceDirect）

▲图3 (A) DBPs和TOCl浓度；(B) DBPs的细胞毒性；(C) THMs，(D) HAAs，(E) HANs和(F) HNMs浓度。（来源：ScienceDirect）

参考文献

[1] He H, Sun N, Li L, et al. Effects of dissolved organic matter removal and molecular transformation in different water treatment processes on formation of disinfection byproducts [J]. Water Research, 2023: 120626.

[2] He H, Xu H, Li L, et al. Molecular transformation of dissolved organic matter and the formation of disinfection byproducts in full-scale surface water treatment processes [J]. Science of The Total Environment, 2022, 838: 156547.

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