地表水中磷酸酯類物質的處理方法優化及風險評估研究

帕提古力·阿不都米吉提

(喀什水文勘測局,新疆 喀什844000)

characteristics

0 引 言

磷酸酯類物質是包含一類磷酸基團的有機化合物,通常存在于化學肥料、農業產生的污水、工業廢水等中[1]。地表水中磷酸酯在水中會促進有害藻類生長,導致水華,損害水生態和生物[2]。因此,優化處理地表水中的磷酸酯物質并進行風險評估十分重要。

最佳去除技術的研究有助于減少對水生態系統的傷害,減少富營養化,保護生物多樣性和水生物健康。目前的處理方法包括化學沉淀、生物吸附、生物降解和高級氧化等技術[3-4],但這些方法存在一定缺陷。如化學沉淀法對于磷酸酯類物質的去除效果有限,且產生的沉淀物難以處理[5];生物吸附方法在應用過程中可能受到環境條件的限制;生物降解過程耗時且操作復雜[6];高級氧化技術雖然能夠有效去除磷酸酯類物質,但需要面臨高能耗和高成本的挑戰[7]。

本次研究的方法將綜合應用多種技術,如物理化學法和生物技術,并結合模型模擬和試驗研究。研究旨在優化地表水中磷酸酯類物質的處理方法,提高去除效率和降低成本。同時,研究將評估不同處理方法對環境和人類健康的潛在風險,以確保所選擇的方法在實際應用中是可行且安全的。本次研究的創新點在于綜合利用多種處理方法,尋找一種高效、經濟、環境友好且可持續的技術,來處理地表水中的磷酸酯類物質。

1 地表水中OPEs的處理方法及優化

1.1 地表水中OPEs的污染特征分析

有機磷酸酯類化合物(Organophosphate esters,OPEs)作為一類有機化合物,通常用作增塑劑、阻燃劑和防腐劑[8]。其可以進入地表水體,引起水體污染,并對生態系統和人類健康產生潛在危害。OPEs主要來源于工業廢水、城市和農村排放、廢棄物處置和農業用藥等。根據研究,地表水中OPEs的濃度可能會受到季節性變化的影響[9]。如在農業區域,農藥使用可能導致OPEs濃度在種植季節增加,而在非種植季節減少[10]。OPEs進入飲用水源可能對人類健康構成潛在風險,有些OPEs被認為是內分泌干擾物質,可能與一些健康問題相關,如生殖和神經系統問題。

為了了解地表水中OPEs的污染情況,需要進行定期的監測和分析。通常涉及采集水樣并使用化學分析方法如氣相色譜質譜(GC-MS),來測量OPEs的濃度。地表水中OPEs的污染特征流程圖見圖1。

圖1 地表水中OPEs污染特征分析

由圖1可知,針對地表水中有機磷酸酯類化合物的污染特征研究,需要遵循一系列步驟,以確?？茖W的準確性和可靠性。首先,明確研究目的和問題,并設計合適的采樣計劃,包括采樣頻率、地點和季節。在實地采樣時,使用適當的工具和容器,并準確記錄采樣信息。樣品回到實驗室后,進行必要的處理,如過濾去除懸浮物,并妥善保存樣品以保持其完整性。然后,利用先進的實驗室技術進行OPEs的分析,建立標準曲線以量化含量,并進行質量控制以確保數據的準確性。對實驗室數據進行系統整理和分析,了解OPEs的種類、濃度、分布及其時空變化。通過源追蹤和風險評估,確定OPEs的可能來源并評估其對環境和健康的潛在影響。最后,根據研究結果制定相應的環境管理策略,并將研究成果向相關方清晰傳達,為保護水資源和生態系統提供科學依據。長期監測是確保環境保護效果的重要手段,也需要被納入考慮。

1.2 地表水中OPEs的分析處理方法優化

地表水是飲用水、農業灌溉和生態系統的重要來源,必須確保其質量符合環保法規和健康標準,分析處理OPEs可進一步監測和評估地表水中的污染程度[11]。OPEs屬于有機磷化合物,有潛在的毒性和生態風險。分析處理OPEs的濃度和組成,有助于評估其對水體生態系統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過樣品采集與前處理、濃度與組成分析、地表水對OPEs的去除率研究以及OPEs濃度隨時間變化的監測等[12]。首先,樣品采集要確保代表性,通常采用采集器具和容器。前處理階段包括過濾、提取和濃縮,以準備樣品供分析。然后,使用適當的分析方法如氣相色譜質譜(GC-MS),來測定OPEs的濃度,并確定不同OPEs的種類和含量,以了解其組成。此外,地表水經過水處理工藝后對OPEs的去除率,一般通過比較進水和出水中的濃度來計算,以評估水質改善效果。最后,通過定期采樣和分析地表水樣品,建立時間序列數據,以監測OPEs濃度隨時間的變化趨勢,識別季節性和長期污染趨勢,以便采取適當的控制和管理措施來減少OPEs對水體環境和人類健康的潛在影響。

評估水體中有機磷酸酯類化合物的綜合污染程度,通常使用污染指數(Pollution Index,PI)來完成。污染指數是一種定量評估水體污染程度的方法,將不同污染物的濃度綜合考慮,允許綜合評估水體的質量。其計算方法如下:

PI=∑(Ci*Wi) (i=1,2,3,...,n)

(1)

式中:PI為污染指數,用于評估水體中OPEs的綜合污染程度;Ci為每種OPEs的濃度;Wi為每種OPEs的毒性權重系數;n為OPEs的種類數量。

預測無效應濃度(Predicted No-Effect Concentration,PNEC)也是一項重要的參數,用于評估OPEs對水生生態系統的潛在危害。PNEC表示在不產生不利影響的情況下,水體中允許的最高OPEs濃度,其計算方式如下:

PNEC=NOEC/AF

(2)

式中:AF為評估因子,通常是一個安全系數,考慮了數據不確定性;NOEC為無觀察到毒性效應的最高濃度。

如果處理劑的濃度低于預測的無效應濃度,可能會導致磷酸酯物質的不完全去除,從而影響水質的凈化效率。除了污染指數和濃度外,在處理地表水中的磷酸酯類物質時,關鍵的技術參數還包括以下幾種:初始磷酸酯濃度,即水中磷酸酯的起始濃度;無效應劑濃度,即處理劑的最低有效濃度,用于確保高效去除磷酸酯物質;接觸時間,即處理劑與水中磷酸酯接觸的時間;pH值,用于調整和控制酸堿度;溫度,影響化學反應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,不同的物質和方法可能需要不同的處理劑。此外,后處理和監測也是關鍵,以確保水質符合環保標準,實施實時監測系統,以維護磷酸酯去除效率。

上述技術參數在優化處理方法時至關重要,可實現高效的水質凈化和環境保護。確定關鍵參數后,主要的優化技術路線見圖3。

由圖3可知,在處理地表水中的磷酸酯類物質時,多個重要技術參數需要綜合考慮,以確保水質凈化的高效性和環境保護的可行性。①初始磷酸酯濃度的準確測定。這有助于明確水體的污染程度,為進一步制定適當的處理策略提供基礎。②無效應劑濃度的設定。因為它可確保處理劑(如吸附劑、化學沉淀劑、生物降解劑)的最低有效濃度,可有效去除磷酸酯物質。不足的濃度可能導致不完全去除,而過高的濃度則可能帶來不必要的成本和環境問題。③適當的接觸時間。這是處理劑與水中磷酸酯物質進行反應的時間,通常以分鐘或小時計算。確保充分的接觸時間對于保證處理劑有效地與污染物發生反應,從而有效去除污染物至關重要。④pH值和溫度的控制。因為不同的處理方法對這些參數有不同的要求,保持適當的酸堿度和溫度有助于提高反應速率。⑤攪拌或混合的適當實施,是確保處理劑與污染物充分接觸的關鍵因素,特別是對于化學沉淀或吸附等處理方法而言。⑥選擇適當的處理劑。因為不同的磷酸酯類物質和處理方法可能需要不同類型的處理劑。⑦后處理和監測步驟必不可少,以確保處理后的水質達到環保標準,同時實施實時監測系統有助于及時調整處理過程,以維持穩定的磷酸酯去除效率。這些技術參數的細致考慮和精確控制,對于實現高效的水質凈化和環境保護都具有關鍵作用。

圖3 優化水體中OPEs的處理主要技術路線

2 地表水中OPEs處理優化驗證及環境風險評價

2.1 地表水中OPEs的優化處理驗證

本次研究旨在探究常規水處理工藝,對不同類型有機磷酸酯的去除效果。在試驗方面,準備了水處理設備、樣品采集和準備工具、實驗室儀器以及處理劑和試劑。同時,對OPEs的類型、性質以及所處理水體的來源和特性進行了深入了解。本次研究選擇了沉淀、預臭氧處理、砂濾、炭濾和絮凝這5種飲用水廠常規的水處理工藝。這些工藝在飲用水處理過程中發揮著關鍵作用,通過一系列物理、化學和生物反應,可有效去除水中的懸浮物、溶解物、有機和無機污染物,從而提高水質的安全性和可靠性。

在工程實踐中,根據水源水質的不同和水處理目標的需求,選擇合適的工藝組合,以確保水質穩定可靠地達到預期的要求。研究旨在比較并分析不同處理工藝,對3類有機磷酸酯的處理效果,結果見圖4。

由圖4可知,預氧化池對烷基類有機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%。氯代類和芳基類有機磷酸酯類化合物在沉降池中的去除表現相對較差,甚至在某些月份表現為負值,表明沉降池的效果受到外部因素的較大影響。超過61%的水處理廠對研究中的兩類有機磷酸酯類化合物表現積極的除去效果,表明砂濾池對氯代類和烷基類有機磷酸酯類化合物表現出較好的去除效率。另一方面,烷基類有機磷酸酯類化合物在活性炭濾池中的去除效率達到43.3%,而芳基類有機磷酸酯類化合物在活性炭濾池中的去除效率為33.6%。表明通過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有關?？傊?與烷基類和氯代類有機磷酸酯類化合物相比,不同水處理廠對芳基類有機磷酸酯類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,可能與這類物質的濃度、去除工藝、去除工具等有關。

研究測試水樣和污泥樣品,通過基質加標來評估其回收率,同時確定方法的檢測限。具體結果見表1。

圖4 常規水處理工藝對3種類型 OPEs 的去除效果

表1 水樣和污泥樣品的基質加標回收率評估

由表1可知,相對其他方法,研究提出的方法在液體樣品方面表現出更高的非極性 OPEs(如EHDP和TEHP)回收率(分別為91%和76%對比梁鈧等學者的52%和47%)。此外,本方法還提供了TCPP的基質加標數據,并且多種 OPEs 的檢測限低于梁鈧等學者的方法。在液體樣品中,該方法使用了較大的樣品量(1 000ml),相比于梁鈧等學者的方法中100ml樣品,結果更為穩定和可靠。針對固體樣品,相對于LIANG等學者的方法,本方法中EHDP的回收率明顯更高(本方法為81%,LIANG等學者的方法為33%)。同樣,本方法提供了多種 OPEs 的檢測限,低于LIANG等的方法。對于固體樣品,本方法使用了0.2g的樣品量,相比于LIANG等的0.1g,結果更為穩定。

2.2 地表水中OPEs的環境風險評價

地表水作為城市供水和自然生態系統的重要來源,常常受到來自農業、工業和城市污水等源頭的OPEs污染。這種污染可能對水生生物、食物鏈和生態系統的穩定性產生負面影響。由于OPEs的毒性和生物積累性,可能對水中生物產生急性或慢性毒性影響,甚至對人類健康造成威脅。因此,對地表水中OPEs的環境風險進行評價研究具有重要意義。

本次研究旨在確定地表水體中OPEs的種類、分布、濃度和潛在影響,評估其對生態系統和人類健康的潛在風險,為相關政策制定和水資源管理提供科學依據。此外,研究人員也致力于開發有效的監測方法和防控措施,以減少OPEs對生態環境的負面影響。這些工作對于保護地表水質量、維護生態平衡以及人類健康具有重要意義。

本次研究針對新疆一河域中OPEs 的風險熵RQ進行了研究,結果見圖5。

圖5 河域中OPEs 的風險RQ

由圖5可知,在點位A3中,TEHP的風險值(RQ值)為1.45,表明存在高風險。其他點位如A2、A5以及A9-A14等,則顯示中等風險,中等風險點位占總點位的57.14%。而其他化合物的RQ值均低于0.1,表明其風險較低或幾乎沒有風險。整體來看,這一河域中的有機磷酸酯(OPEs)存在較低的生態風險。

盡管如此,OPEs仍然具有長期潛在的風險,可能對水生生態系統和人體健康產生負面影響,表明對水體中OPEs的監測和管理的重要性,因此不能忽視。

3 結 論

本文針對優化地表水中磷酸酯類物質的處理方法進行了研究,并評估了相關風險。在處理地表水中磷酸酯類物質時,關鍵考慮因素包括污染水平、處理劑濃度、反應時間、pH值、溫度、攪拌、處理劑選擇以及后續監測。結果顯示,研究開發的新方法在液體和固體樣品中表現出顯著優勢,非極性OPEs(如EHDP和TEHP)的回收率分別達到91%、76%和81%,檢測限也明顯低于現有方法,為更準確地監測地表水質量提供了可靠的技術支持。