南方速生桉凋落物中溶解性有机物表征、消毒副产物生成风险及控制研究

我国南方,速生桉因其较高的经济效益,被广泛种植,然而,速生桉被砍伐后,在桉树林较密集的地区的河流、溪流甚至水库,经常会出现不同程度的“黑水”现象,其原因是桉树林向水源地释放了溶解性有机物(Dissolved organic matter,DOM),恶化了水源的水质,当其进入水厂处理工艺将带来潜在的环境健康风险。消毒作为饮用水进入管网前的重要处理工艺,虽然可以有效杀灭水中的致病微生物,但氯化消毒会导致多种消毒副产物(Disinfection by-products,DBPs)的生成,对人体健康造成潜在威胁。本文探究了桉树凋落物向水中释放DOM的规律,对浸出液中DOM进行了表征;探究了桉树凋落物释放的DOM在不同消毒过程中生成的DBPs及其毒性,并分析了DOM与DBPs之间的相关性,探究了桉树凋落物释放的DOM在饮用水处理厂处理工艺下的去除效果。具体结论如下:(1)对不同浸出时间下不同树种,凋落物部位,温度,p H条件下浸出DOM的DOC、UV_(254)、SUVA_(254)、DON进行对比分析。利用紫外可见光谱、三维荧光光谱对桉树凋落叶浸出液中的DOM进行表征分析,用超滤法对DOM进行分子量分离。研究发现,桉树凋落叶中的有机物在一周的时间基本浸出完毕。其中,小于1000 Da分子量的DOM将近占浸出液中的60%DOM。在碱性和较高温条件下更易于桉树凋落叶中DOM的浸出。浸出液中的荧光溶解有机物(FDOM),主要是类蛋白质有机物。通过三维荧光平行因子分析得到了四个荧光组分:氨基酸成分,游离或结合在蛋白质中可能表明完整的蛋白质样(C1)、陆地腐殖酸样(C2)、酪氨酸样(C3)、氨基酸酪氨酸成分(C4)。从高分辨质谱分析的V-K图及元素分配结果来看,浸出液中相对占比较多的是木质素和脂质类物质,CHO、CHON组成的有机物较多。(2)以桉树凋落叶浸出液和购自国际标准腐殖酸协会的萨旺尼河NOM模拟水样(Suwannee River Natural Organic Matter,SRNOM)为研究对象,考察了桉树凋落叶浸出液及SRNOM模拟水样与不同消毒剂及次生消毒剂的反应活性,考察消毒后产生的DBPs,测定了DBPs的浓度并计算了它们的细胞毒性和基因毒性。探究了桉树凋落叶浸出液中作为DBPs前驱物的DOM与消毒副产物生成势(Disinfection by-products formation potential,DBPFP)之间的相关性分析。结果表明,桉树凋落叶浸出液消毒后生成的DBPFPs显著大于SRNOM模拟水样和自来水处理厂原水。桉树凋落叶浸出液消毒后会生成部分含氮DBPs(N-DBPs),尤其是与一氯氨(NH_2Cl)反应后,会生成大量的N-DBPs。当加入了Br~-和I~-后,桉树凋落叶浸出液与三种消毒剂反应生成的DBPs的生成量都增加,与Cl O_2反应生成DBPs的计算毒性大幅增加。通过高分辨质谱的非靶向分析,得到了39个(次氯酸,HOCl)、70个(NH_2Cl)、21个(二氧化氯,Cl O_2)个疑似未知的DBPs。其中,有14个(HOCl),45个(NH_2Cl),11个(Cl O_2)脂Mirdametinib纯度肪族DBPs,而与NH_2Cl反应后检测到的疑似N-DBPs高达46个,远高于HOCCaput medusael和Cl O_2,表明NH_2Cl作为消毒剂可能会产生较多的N-DBPs。从桉树凋落叶浸出液中的DOM与消毒后生成的DBPs浓度之间的相关性分析结果来看,桉树凋落叶浸出时间越久(14 d内),溶液生成的三卤甲烷(THMs)越多。浸出液中的C1荧光组分以及色氨酸类蛋白质对浸出液HAAs生成势的影响较大。溶液中的陆生源有机物,含氮有机物和木质素是卤代乙酰胺(HAc Ams)的重要前体物。溶液中的C1荧光组分,难降解的木质素,是DBPs的重要前体物。(3)研究了桉树凋落物寻找更多浸出液,广西天雹水库原水,南宁某水厂原水(HNWTP)及SRNOM模拟水样,考察了其经混凝-砂滤-活性炭吸附-超滤处理后,DOM的去除效率以及最佳混凝条件。结果表明,混凝对桉树凋落叶浸出液四个荧光组分的其中三种(类蛋白质和类腐殖酸有机物)都有比较好的去除效果,对HNWTP原水三个荧光组分的其中两种(类蛋白质和类腐殖酸有机物)有比较好的去除效果,对天雹水库原水四个荧光组分的其中两种(类腐殖酸和新生有机物)有比较好的去除效果,对SRNOM水样中的陆地来源类腐殖酸有机物荧光组分有比较好的去除效果。混凝是去除水中DOM最有效的手段,能去除大部分的有机物。而砂滤更多的是去除部分的不溶性杂质,对DOM的去除效果甚微。活性炭吸附作为深度处理工艺,能进一步去除水中的部分腐殖酸类有机物和新生的DOM;超滤对水中的蛋白质类有机物有较好的去除效果。根据四种不同类型水样的三维荧光平行因子分析结果,推断出桉树对饮用水水源地的影响之一可能是引入了蛋白质类有机物荧光组分,超滤可以较好的减弱这种影响。