地表水中磷酸酯類(lèi)物質(zhì)的處理方法優(yōu)化及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究

帕提古力·阿不都米吉提

(喀什水文勘測(cè)局,新疆 喀什844000)

characteristics

0 引 言

磷酸酯類(lèi)物質(zhì)是包含一類(lèi)磷酸基團(tuán)的有機(jī)化合物,通常存在于化學(xué)肥料、農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的污水、工業(yè)廢水等中[1]。地表水中磷酸酯在水中會(huì)促進(jìn)有害藻類(lèi)生長(zhǎng),導(dǎo)致水華,損害水生態(tài)和生物[2]。因此,優(yōu)化處理地表水中的磷酸酯物質(zhì)并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估十分重要。

最佳去除技術(shù)的研究有助于減少對(duì)水生態(tài)系統(tǒng)的傷害,減少富營(yíng)養(yǎng)化,保護(hù)生物多樣性和水生物健康。目前的處理方法包括化學(xué)沉淀、生物吸附、生物降解和高級(jí)氧化等技術(shù)[3-4],但這些方法存在一定缺陷。如化學(xué)沉淀法對(duì)于磷酸酯類(lèi)物質(zhì)的去除效果有限,且產(chǎn)生的沉淀物難以處理[5];生物吸附方法在應(yīng)用過(guò)程中可能受到環(huán)境條件的限制;生物降解過(guò)程耗時(shí)且操作復(fù)雜[6];高級(jí)氧化技術(shù)雖然能夠有效去除磷酸酯類(lèi)物質(zhì),但需要面臨高能耗和高成本的挑戰(zhàn)[7]。

本次研究的方法將綜合應(yīng)用多種技術(shù),如物理化學(xué)法和生物技術(shù),并結(jié)合模型模擬和試驗(yàn)研究。研究旨在優(yōu)化地表水中磷酸酯類(lèi)物質(zhì)的處理方法,提高去除效率和降低成本。同時(shí),研究將評(píng)估不同處理方法對(duì)環(huán)境和人類(lèi)健康的潛在風(fēng)險(xiǎn),以確保所選擇的方法在實(shí)際應(yīng)用中是可行且安全的。本次研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于綜合利用多種處理方法,尋找一種高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境友好且可持續(xù)的技術(shù),來(lái)處理地表水中的磷酸酯類(lèi)物質(zhì)。

1 地表水中OPEs的處理方法及優(yōu)化

1.1 地表水中OPEs的污染特征分析

有機(jī)磷酸酯類(lèi)化合物(Organophosphate esters,OPEs)作為一類(lèi)有機(jī)化合物,通常用作增塑劑、阻燃劑和防腐劑[8]。其可以進(jìn)入地表水體,引起水體污染,并對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)健康產(chǎn)生潛在危害。OPEs主要來(lái)源于工業(yè)廢水、城市和農(nóng)村排放、廢棄物處置和農(nóng)業(yè)用藥等。根據(jù)研究,地表水中OPEs的濃度可能會(huì)受到季節(jié)性變化的影響[9]。如在農(nóng)業(yè)區(qū)域,農(nóng)藥使用可能導(dǎo)致OPEs濃度在種植季節(jié)增加,而在非種植季節(jié)減少[10]。OPEs進(jìn)入飲用水源可能對(duì)人類(lèi)健康構(gòu)成潛在風(fēng)險(xiǎn),有些OPEs被認(rèn)為是內(nèi)分泌干擾物質(zhì),可能與一些健康問(wèn)題相關(guān),如生殖和神經(jīng)系統(tǒng)問(wèn)題。

為了了解地表水中OPEs的污染情況,需要進(jìn)行定期的監(jiān)測(cè)和分析。通常涉及采集水樣并使用化學(xué)分析方法如氣相色譜質(zhì)譜(GC-MS),來(lái)測(cè)量OPEs的濃度。地表水中OPEs的污染特征流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 地表水中OPEs污染特征分析

由圖1可知,針對(duì)地表水中有機(jī)磷酸酯類(lèi)化合物的污染特征研究,需要遵循一系列步驟,以確?？茖W(xué)的準(zhǔn)確性和可靠性。首先,明確研究目的和問(wèn)題,并設(shè)計(jì)合適的采樣計(jì)劃,包括采樣頻率、地點(diǎn)和季節(jié)。在實(shí)地采樣時(shí),使用適當(dāng)?shù)墓ぞ吆腿萜?并準(zhǔn)確記錄采樣信息。樣品回到實(shí)驗(yàn)室后,進(jìn)行必要的處理,如過(guò)濾去除懸浮物,并妥善保存樣品以保持其完整性。然后,利用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室技術(shù)進(jìn)行OPEs的分析,建立標(biāo)準(zhǔn)曲線以量化含量,并進(jìn)行質(zhì)量控制以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。對(duì)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)整理和分析,了解OPEs的種類(lèi)、濃度、分布及其時(shí)空變化。通過(guò)源追蹤和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,確定OPEs的可能來(lái)源并評(píng)估其對(duì)環(huán)境和健康的潛在影響。最后,根據(jù)研究結(jié)果制定相應(yīng)的環(huán)境管理策略,并將研究成果向相關(guān)方清晰傳達(dá),為保護(hù)水資源和生態(tài)系統(tǒng)提供科學(xué)依據(jù)。長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)是確保環(huán)境保護(hù)效果的重要手段,也需要被納入考慮。

1.2 地表水中OPEs的分析處理方法優(yōu)化

地表水是飲用水、農(nóng)業(yè)灌溉和生態(tài)系統(tǒng)的重要來(lái)源,必須確保其質(zhì)量符合環(huán)保法規(guī)和健康標(biāo)準(zhǔn),分析處理OPEs可進(jìn)一步監(jiān)測(cè)和評(píng)估地表水中的污染程度[11]。OPEs屬于有機(jī)磷化合物,有潛在的毒性和生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。分析處理OPEs的濃度和組成,有助于評(píng)估其對(duì)水體生態(tài)系統(tǒng)和生物多樣性的潛在危害。地表水中OPEs的分析處理方法流程見(jiàn)圖2。

圖2 地表水中OPEs的污染分析處理流程圖

由圖2可知,地表水中OPEs污染特征分析需要經(jīng)過(guò)樣品采集與前處理、濃度與組成分析、地表水對(duì)OPEs的去除率研究以及OPEs濃度隨時(shí)間變化的監(jiān)測(cè)等[12]。首先,樣品采集要確保代表性,通常采用采集器具和容器。前處理階段包括過(guò)濾、提取和濃縮,以準(zhǔn)備樣品供分析。然后,使用適當(dāng)?shù)姆治龇椒ㄈ鐨庀嗌V質(zhì)譜(GC-MS),來(lái)測(cè)定OPEs的濃度,并確定不同OPEs的種類(lèi)和含量,以了解其組成。此外,地表水經(jīng)過(guò)水處理工藝后對(duì)OPEs的去除率,一般通過(guò)比較進(jìn)水和出水中的濃度來(lái)計(jì)算,以評(píng)估水質(zhì)改善效果。最后,通過(guò)定期采樣和分析地表水樣品,建立時(shí)間序列數(shù)據(jù),以監(jiān)測(cè)OPEs濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì),識(shí)別季節(jié)性和長(zhǎng)期污染趨勢(shì),以便采取適當(dāng)?shù)目刂坪凸芾泶胧﹣?lái)減少OPEs對(duì)水體環(huán)境和人類(lèi)健康的潛在影響。

評(píng)估水體中有機(jī)磷酸酯類(lèi)化合物的綜合污染程度,通常使用污染指數(shù)(Pollution Index,PI)來(lái)完成。污染指數(shù)是一種定量評(píng)估水體污染程度的方法,將不同污染物的濃度綜合考慮,允許綜合評(píng)估水體的質(zhì)量。其計(jì)算方法如下:

PI=∑(Ci*Wi) (i=1,2,3,...,n)

(1)

式中:PI為污染指數(shù),用于評(píng)估水體中OPEs的綜合污染程度;Ci為每種OPEs的濃度;Wi為每種OPEs的毒性權(quán)重系數(shù);n為OPEs的種類(lèi)數(shù)量。

預(yù)測(cè)無(wú)效應(yīng)濃度(Predicted No-Effect Concentration,PNEC)也是一項(xiàng)重要的參數(shù),用于評(píng)估OPEs對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)的潛在危害。PNEC表示在不產(chǎn)生不利影響的情況下,水體中允許的最高OPEs濃度,其計(jì)算方式如下:

PNEC=NOEC/AF

(2)

式中:AF為評(píng)估因子,通常是一個(gè)安全系數(shù),考慮了數(shù)據(jù)不確定性;NOEC為無(wú)觀察到毒性效應(yīng)的最高濃度。

如果處理劑的濃度低于預(yù)測(cè)的無(wú)效應(yīng)濃度,可能會(huì)導(dǎo)致磷酸酯物質(zhì)的不完全去除,從而影響水質(zhì)的凈化效率。除了污染指數(shù)和濃度外,在處理地表水中的磷酸酯類(lèi)物質(zhì)時(shí),關(guān)鍵的技術(shù)參數(shù)還包括以下幾種:初始磷酸酯濃度,即水中磷酸酯的起始濃度;無(wú)效應(yīng)劑濃度,即處理劑的最低有效濃度,用于確保高效去除磷酸酯物質(zhì);接觸時(shí)間,即處理劑與水中磷酸酯接觸的時(shí)間;pH值,用于調(diào)整和控制酸堿度;溫度,影響化學(xué)反應(yīng)速率和生物降解效率;攪拌或混合,以確保處理劑與污染物充分接觸;處理劑的選擇,不同的物質(zhì)和方法可能需要不同的處理劑。此外,后處理和監(jiān)測(cè)也是關(guān)鍵,以確保水質(zhì)符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn),實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),以維護(hù)磷酸酯去除效率。

上述技術(shù)參數(shù)在優(yōu)化處理方法時(shí)至關(guān)重要,可實(shí)現(xiàn)高效的水質(zhì)凈化和環(huán)境保護(hù)。確定關(guān)鍵參數(shù)后,主要的優(yōu)化技術(shù)路線見(jiàn)圖3。

由圖3可知,在處理地表水中的磷酸酯類(lèi)物質(zhì)時(shí),多個(gè)重要技術(shù)參數(shù)需要綜合考慮,以確保水質(zhì)凈化的高效性和環(huán)境保護(hù)的可行性。①初始磷酸酯濃度的準(zhǔn)確測(cè)定。這有助于明確水體的污染程度,為進(jìn)一步制定適當(dāng)?shù)奶幚聿呗蕴峁┗A(chǔ)。②無(wú)效應(yīng)劑濃度的設(shè)定。因?yàn)樗纱_保處理劑(如吸附劑、化學(xué)沉淀劑、生物降解劑)的最低有效濃度,可有效去除磷酸酯物質(zhì)。不足的濃度可能導(dǎo)致不完全去除,而過(guò)高的濃度則可能帶來(lái)不必要的成本和環(huán)境問(wèn)題。③適當(dāng)?shù)慕佑|時(shí)間。這是處理劑與水中磷酸酯物質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)的時(shí)間,通常以分鐘或小時(shí)計(jì)算。確保充分的接觸時(shí)間對(duì)于保證處理劑有效地與污染物發(fā)生反應(yīng),從而有效去除污染物至關(guān)重要。④pH值和溫度的控制。因?yàn)椴煌奶幚矸椒▽?duì)這些參數(shù)有不同的要求,保持適當(dāng)?shù)乃釅A度和溫度有助于提高反應(yīng)速率。⑤攪拌或混合的適當(dāng)實(shí)施,是確保處理劑與污染物充分接觸的關(guān)鍵因素,特別是對(duì)于化學(xué)沉淀或吸附等處理方法而言。⑥選擇適當(dāng)?shù)奶幚韯Ｒ驗(yàn)椴煌牧姿狨ヮ?lèi)物質(zhì)和處理方法可能需要不同類(lèi)型的處理劑。⑦后處理和監(jiān)測(cè)步驟必不可少,以確保處理后的水質(zhì)達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有助于及時(shí)調(diào)整處理過(guò)程,以維持穩(wěn)定的磷酸酯去除效率。這些技術(shù)參數(shù)的細(xì)致考慮和精確控制,對(duì)于實(shí)現(xiàn)高效的水質(zhì)凈化和環(huán)境保護(hù)都具有關(guān)鍵作用。

圖3 優(yōu)化水體中OPEs的處理主要技術(shù)路線

2 地表水中OPEs處理優(yōu)化驗(yàn)證及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.1 地表水中OPEs的優(yōu)化處理驗(yàn)證

本次研究旨在探究常規(guī)水處理工藝,對(duì)不同類(lèi)型有機(jī)磷酸酯的去除效果。在試驗(yàn)方面,準(zhǔn)備了水處理設(shè)備、樣品采集和準(zhǔn)備工具、實(shí)驗(yàn)室儀器以及處理劑和試劑。同時(shí),對(duì)OPEs的類(lèi)型、性質(zhì)以及所處理水體的來(lái)源和特性進(jìn)行了深入了解。本次研究選擇了沉淀、預(yù)臭氧處理、砂濾、炭濾和絮凝這5種飲用水廠常規(guī)的水處理工藝。這些工藝在飲用水處理過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用,通過(guò)一系列物理、化學(xué)和生物反應(yīng),可有效去除水中的懸浮物、溶解物、有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物,從而提高水質(zhì)的安全性和可靠性。

在工程實(shí)踐中,根據(jù)水源水質(zhì)的不同和水處理目標(biāo)的需求,選擇合適的工藝組合,以確保水質(zhì)穩(wěn)定可靠地達(dá)到預(yù)期的要求。研究旨在比較并分析不同處理工藝,對(duì)3類(lèi)有機(jī)磷酸酯的處理效果,結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可知,預(yù)氧化池對(duì)烷基類(lèi)有機(jī)磷酸酯具有較高的去除效率,在不同月份分別為39.4%和18.4%。氯代類(lèi)和芳基類(lèi)有機(jī)磷酸酯類(lèi)化合物在沉降池中的去除表現(xiàn)相對(duì)較差,甚至在某些月份表現(xiàn)為負(fù)值,表明沉降池的效果受到外部因素的較大影響。超過(guò)61%的水處理廠對(duì)研究中的兩類(lèi)有機(jī)磷酸酯類(lèi)化合物表現(xiàn)積極的除去效果,表明砂濾池對(duì)氯代類(lèi)和烷基類(lèi)有機(jī)磷酸酯類(lèi)化合物表現(xiàn)出較好的去除效率。另一方面,烷基類(lèi)有機(jī)磷酸酯類(lèi)化合物在活性炭濾池中的去除效率達(dá)到43.3%,而芳基類(lèi)有機(jī)磷酸酯類(lèi)化合物在活性炭濾池中的去除效率為33.6%。表明通過(guò)活性炭吸附和微生物降解兩種方法都有去除效果,但去除性能和其種類(lèi)有關(guān)?？傊?與烷基類(lèi)和氯代類(lèi)有機(jī)磷酸酯類(lèi)化合物相比,不同水處理廠對(duì)芳基類(lèi)有機(jī)磷酸酯類(lèi)化合物的去除效果存在較大差異,且在不同處理工藝段中差異明顯,可能與這類(lèi)物質(zhì)的濃度、去除工藝、去除工具等有關(guān)。

研究測(cè)試水樣和污泥樣品,通過(guò)基質(zhì)加標(biāo)來(lái)評(píng)估其回收率,同時(shí)確定方法的檢測(cè)限。具體結(jié)果見(jiàn)表1。

圖4 常規(guī)水處理工藝對(duì)3種類(lèi)型 OPEs 的去除效果

表1 水樣和污泥樣品的基質(zhì)加標(biāo)回收率評(píng)估

由表1可知,相對(duì)其他方法,研究提出的方法在液體樣品方面表現(xiàn)出更高的非極性 OPEs(如EHDP和TEHP)回收率(分別為91%和76%對(duì)比梁鈧等學(xué)者的52%和47%)。此外,本方法還提供了TCPP的基質(zhì)加標(biāo)數(shù)據(jù),并且多種 OPEs 的檢測(cè)限低于梁鈧等學(xué)者的方法。在液體樣品中,該方法使用了較大的樣品量(1 000ml),相比于梁鈧等學(xué)者的方法中100ml樣品,結(jié)果更為穩(wěn)定和可靠。針對(duì)固體樣品,相對(duì)于LIANG等學(xué)者的方法,本方法中EHDP的回收率明顯更高(本方法為81%,LIANG等學(xué)者的方法為33%)。同樣,本方法提供了多種 OPEs 的檢測(cè)限,低于LIANG等的方法。對(duì)于固體樣品,本方法使用了0.2g的樣品量,相比于LIANG等的0.1g,結(jié)果更為穩(wěn)定。

2.2 地表水中OPEs的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

地表水作為城市供水和自然生態(tài)系統(tǒng)的重要來(lái)源,常常受到來(lái)自農(nóng)業(yè)、工業(yè)和城市污水等源頭的OPEs污染。這種污染可能對(duì)水生生物、食物鏈和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。由于OPEs的毒性和生物積累性,可能對(duì)水中生物產(chǎn)生急性或慢性毒性影響,甚至對(duì)人類(lèi)健康造成威脅。因此,對(duì)地表水中OPEs的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)研究具有重要意義。

本次研究旨在確定地表水體中OPEs的種類(lèi)、分布、濃度和潛在影響,評(píng)估其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)和人類(lèi)健康的潛在風(fēng)險(xiǎn),為相關(guān)政策制定和水資源管理提供科學(xué)依據(jù)。此外,研究人員也致力于開(kāi)發(fā)有效的監(jiān)測(cè)方法和防控措施,以減少OPEs對(duì)生態(tài)環(huán)境的負(fù)面影響。這些工作對(duì)于保護(hù)地表水質(zhì)量、維護(hù)生態(tài)平衡以及人類(lèi)健康具有重要意義。

本次研究針對(duì)新疆一河域中OPEs 的風(fēng)險(xiǎn)熵RQ進(jìn)行了研究,結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 河域中OPEs 的風(fēng)險(xiǎn)RQ

由圖5可知,在點(diǎn)位A3中,TEHP的風(fēng)險(xiǎn)值(RQ值)為1.45,表明存在高風(fēng)險(xiǎn)。其他點(diǎn)位如A2、A5以及A9-A14等,則顯示中等風(fēng)險(xiǎn),中等風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位占總點(diǎn)位的57.14%。而其他化合物的RQ值均低于0.1,表明其風(fēng)險(xiǎn)較低或幾乎沒(méi)有風(fēng)險(xiǎn)。整體來(lái)看,這一河域中的有機(jī)磷酸酯(OPEs)存在較低的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

盡管如此,OPEs仍然具有長(zhǎng)期潛在的風(fēng)險(xiǎn),可能對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)和人體健康產(chǎn)生負(fù)面影響,表明對(duì)水體中OPEs的監(jiān)測(cè)和管理的重要性,因此不能忽視。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)優(yōu)化地表水中磷酸酯類(lèi)物質(zhì)的處理方法進(jìn)行了研究,并評(píng)估了相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。在處理地表水中磷酸酯類(lèi)物質(zhì)時(shí),關(guān)鍵考慮因素包括污染水平、處理劑濃度、反應(yīng)時(shí)間、pH值、溫度、攪拌、處理劑選擇以及后續(xù)監(jiān)測(cè)。結(jié)果顯示,研究開(kāi)發(fā)的新方法在液體和固體樣品中表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì),非極性O(shè)PEs(如EHDP和TEHP)的回收率分別達(dá)到91%、76%和81%,檢測(cè)限也明顯低于現(xiàn)有方法,為更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)地表水質(zhì)量提供了可靠的技術(shù)支持。