地表水中磷酸酯类物质的处理方法优化及风险评估研究

帕提古力·阿不都米吉提

(喀什水文勘测局,新疆 喀什844000)

characteristics

0 引 言

磷酸酯类物质是包含一类磷酸基团的有机化合物,通常存在于化学肥料、农业产生的污水、工业废水等中[1]。地表水中磷酸酯在水中会促进有害藻类生长,导致水华,损害水生态和生物[2]。因此,优化处理地表水中的磷酸酯物质并进行风险评估十分重要。

最佳去除技术的研究有助于减少对水生态系统的伤害,减少富营养化,保护生物多样性和水生物健康。目前的处理方法包括化学沉淀、生物吸附、生物降解和高级氧化等技术[3-4],但这些方法存在一定缺陷。如化学沉淀法对于磷酸酯类物质的去除效果有限,且产生的沉淀物难以处理[5];生物吸附方法在应用过程中可能受到环境条件的限制;生物降解过程耗时且操作复杂[6];高级氧化技术虽然能够有效去除磷酸酯类物质,但需要面临高能耗和高成本的挑战[7]。

本次研究的方法将综合应用多种技术,如物理化学法和生物技术,并结合模型模拟和试验研究。研究旨在优化地表水中磷酸酯类物质的处理方法,提高去除效率和降低成本。同时,研究将评估不同处理方法对环境和人类健康的潜在风险,以确保所选择的方法在实际应用中是可行且安全的。本次研究的创新点在于综合利用多种处理方法,寻找一种高效、经济、环境友好且可持续的技术,来处理地表水中的磷酸酯类物质。

1 地表水中OPEs的处理方法及优化

1.1 地表水中OPEs的污染特征分析

有机磷酸酯类化合物(Organophosphate esters,OPEs)作为一类有机化合物,通常用作增塑剂、阻燃剂和防腐剂[8]。其可以进入地表水体,引起水体污染,并对生态系统和人类健康产生潜在危害。OPEs主要来源于工业废水、城市和农村排放、废弃物处置和农业用药等。根据研究,地表水中OPEs的浓度可能会受到季节性变化的影响[9]。如在农业区域,农药使用可能导致OPEs浓度在种植季节增加,而在非种植季节减少[10]。OPEs进入饮用水源可能对人类健康构成潜在风险,有些OPEs被认为是内分泌干扰物质,可能与一些健康问题相关,如生殖和神经系统问题。

为了了解地表水中OPEs的污染情况,需要进行定期的监测和分析。通常涉及采集水样并使用化学分析方法如气相色谱质谱(GC-MS),来测量OPEs的浓度。地表水中OPEs的污染特征流程图见图1。

图1 地表水中OPEs污染特征分析

由图1可知,针对地表水中有机磷酸酯类化合物的污染特征研究,需要遵循一系列步骤,以确保科学的准确性和可靠性。首先,明确研究目的和问题,并设计合适的采样计划,包括采样频率、地点和季节。在实地采样时,使用适当的工具和容器,并准确记录采样信息。样品回到实验室后,进行必要的处理,如过滤去除悬浮物,并妥善保存样品以保持其完整性。然后,利用先进的实验室技术进行OPEs的分析,建立标准曲线以量化含量,并进行质量控制以确保数据的准确性。对实验室数据进行系统整理和分析,了解OPEs的种类、浓度、分布及其时空变化。通过源追踪和风险评估,确定OPEs的可能来源并评估其对环境和健康的潜在影响。最后,根据研究结果制定相应的环境管理策略,并将研究成果向相关方清晰传达,为保护水资源和生态系统提供科学依据。长期监测是确保环境保护效果的重要手段,也需要被纳入考虑。

1.2 地表水中OPEs的分析处理方法优化

地表水是饮用水、农业灌溉和生态系统的重要来源,必须确保其质量符合环保法规和健康标准,分析处理OPEs可进一步监测和评估地表水中的污染程度[11]。OPEs属于有机磷化合物,有潜在的毒性和生态风险。分析处理OPEs的浓度和组成,有助于评估其对水体生态系统和生物多样性的潜在危害。地表水中OPEs的分析处理方法流程见图2。

图2 地表水中OPEs的污染分析处理流程图

由图2可知,地表水中OPEs污染特征分析需要经过样品采集与前处理、浓度与组成分析、地表水对OPEs的去除率研究以及OPEs浓度随时间变化的监测等[12]。首先,样品采集要确保代表性,通常采用采集器具和容器。前处理阶段包括过滤、提取和浓缩,以准备样品供分析。然后,使用适当的分析方法如气相色谱质谱(GC-MS),来测定OPEs的浓度,并确定不同OPEs的种类和含量,以了解其组成。此外,地表水经过水处理工艺后对OPEs的去除率,一般通过比较进水和出水中的浓度来计算,以评估水质改善效果。最后,通过定期采样和分析地表水样品,建立时间序列数据,以监测OPEs浓度随时间的变化趋势,识别季节性和长期污染趋势,以便采取适当的控制和管理措施来减少OPEs对水体环境和人类健康的潜在影响。

评估水体中有机磷酸酯类化合物的综合污染程度,通常使用污染指数(Pollution Index,PI)来完成。污染指数是一种定量评估水体污染程度的方法,将不同污染物的浓度综合考虑,允许综合评估水体的质量。其计算方法如下:

PI=∑(Ci*Wi) (i=1,2,3,...,n)

(1)

式中:PI为污染指数,用于评估水体中OPEs的综合污染程度;Ci为每种OPEs的浓度;Wi为每种OPEs的毒性权重系数;n为OPEs的种类数量。

预测无效应浓度(Predicted No-Effect Concentration,PNEC)也是一项重要的参数,用于评估OPEs对水生生态系统的潜在危害。PNEC表示在不产生不利影响的情况下,水体中允许的最高OPEs浓度,其计算方式如下:

PNEC=NOEC/AF

(2)

式中:AF为评估因子,通常是一个安全系数,考虑了数据不确定性;NOEC为无观察到毒性效应的最高浓度。

如果处理剂的浓度低于预测的无效应浓度,可能会导致磷酸酯物质的不完全去除,从而影响水质的净化效率。除了污染指数和浓度外,在处理地表水中的磷酸酯类物质时,关键的技术参数还包括以下几种:初始磷酸酯浓度,即水中磷酸酯的起始浓度;无效应剂浓度,即处理剂的最低有效浓度,用于确保高效去除磷酸酯物质;接触时间,即处理剂与水中磷酸酯接触的时间;pH值,用于调整和控制酸碱度;温度,影响化学反应速率和生物降解效率;搅拌或混合,以确保处理剂与污染物充分接触;处理剂的选择,不同的物质和方法可能需要不同的处理剂。此外,后处理和监测也是关键,以确保水质符合环保标准,实施实时监测系统,以维护磷酸酯去除效率。

上述技术参数在优化处理方法时至关重要,可实现高效的水质净化和环境保护。确定关键参数后,主要的优化技术路线见图3。

由图3可知,在处理地表水中的磷酸酯类物质时,多个重要技术参数需要综合考虑,以确保水质净化的高效性和环境保护的可行性。①初始磷酸酯浓度的准确测定。这有助于明确水体的污染程度,为进一步制定适当的处理策略提供基础。②无效应剂浓度的设定。因为它可确保处理剂(如吸附剂、化学沉淀剂、生物降解剂)的最低有效浓度,可有效去除磷酸酯物质。不足的浓度可能导致不完全去除,而过高的浓度则可能带来不必要的成本和环境问题。③适当的接触时间。这是处理剂与水中磷酸酯物质进行反应的时间,通常以分钟或小时计算。确保充分的接触时间对于保证处理剂有效地与污染物发生反应,从而有效去除污染物至关重要。④pH值和温度的控制。因为不同的处理方法对这些参数有不同的要求,保持适当的酸碱度和温度有助于提高反应速率。⑤搅拌或混合的适当实施,是确保处理剂与污染物充分接触的关键因素,特别是对于化学沉淀或吸附等处理方法而言。⑥选择适当的处理剂。因为不同的磷酸酯类物质和处理方法可能需要不同类型的处理剂。⑦后处理和监测步骤必不可少,以确保处理后的水质达到环保标准,同时实施实时监测系统有助于及时调整处理过程,以维持稳定的磷酸酯去除效率。这些技术参数的细致考虑和精确控制,对于实现高效的水质净化和环境保护都具有关键作用。

图3 优化水体中OPEs的处理主要技术路线

2 地表水中OPEs处理优化验证及环境风险评价

2.1 地表水中OPEs的优化处理验证

本次研究旨在探究常规水处理工艺,对不同类型有机磷酸酯的去除效果。在试验方面,准备了水处理设备、样品采集和准备工具、实验室仪器以及处理剂和试剂。同时,对OPEs的类型、性质以及所处理水体的来源和特性进行了深入了解。本次研究选择了沉淀、预臭氧处理、砂滤、炭滤和絮凝这5种饮用水厂常规的水处理工艺。这些工艺在饮用水处理过程中发挥着关键作用,通过一系列物理、化学和生物反应,可有效去除水中的悬浮物、溶解物、有机和无机污染物,从而提高水质的安全性和可靠性。

在工程实践中,根据水源水质的不同和水处理目标的需求,选择合适的工艺组合,以确保水质稳定可靠地达到预期的要求。研究旨在比较并分析不同处理工艺,对3类有机磷酸酯的处理效果,结果见图4。

由图4可知,预氧化池对烷基类有机磷酸酯具有较高的去除效率,在不同月份分别为39.4%和18.4%。氯代类和芳基类有机磷酸酯类化合物在沉降池中的去除表现相对较差,甚至在某些月份表现为负值,表明沉降池的效果受到外部因素的较大影响。超过61%的水处理厂对研究中的两类有机磷酸酯类化合物表现积极的除去效果,表明砂滤池对氯代类和烷基类有机磷酸酯类化合物表现出较好的去除效率。另一方面,烷基类有机磷酸酯类化合物在活性炭滤池中的去除效率达到43.3%,而芳基类有机磷酸酯类化合物在活性炭滤池中的去除效率为33.6%。表明通过活性炭吸附和微生物降解两种方法都有去除效果,但去除性能和其种类有关。总之,与烷基类和氯代类有机磷酸酯类化合物相比,不同水处理厂对芳基类有机磷酸酯类化合物的去除效果存在较大差异,且在不同处理工艺段中差异明显,可能与这类物质的浓度、去除工艺、去除工具等有关。

研究测试水样和污泥样品,通过基质加标来评估其回收率,同时确定方法的检测限。具体结果见表1。

图4 常规水处理工艺对3种类型 OPEs 的去除效果

表1 水样和污泥样品的基质加标回收率评估

由表1可知,相对其他方法,研究提出的方法在液体样品方面表现出更高的非极性 OPEs(如EHDP和TEHP)回收率(分别为91%和76%对比梁钪等学者的52%和47%)。此外,本方法还提供了TCPP的基质加标数据,并且多种 OPEs 的检测限低于梁钪等学者的方法。在液体样品中,该方法使用了较大的样品量(1 000ml),相比于梁钪等学者的方法中100ml样品,结果更为稳定和可靠。针对固体样品,相对于LIANG等学者的方法,本方法中EHDP的回收率明显更高(本方法为81%,LIANG等学者的方法为33%)。同样,本方法提供了多种 OPEs 的检测限,低于LIANG等的方法。对于固体样品,本方法使用了0.2g的样品量,相比于LIANG等的0.1g,结果更为稳定。

2.2 地表水中OPEs的环境风险评价

地表水作为城市供水和自然生态系统的重要来源,常常受到来自农业、工业和城市污水等源头的OPEs污染。这种污染可能对水生生物、食物链和生态系统的稳定性产生负面影响。由于OPEs的毒性和生物积累性,可能对水中生物产生急性或慢性毒性影响,甚至对人类健康造成威胁。因此,对地表水中OPEs的环境风险进行评价研究具有重要意义。

本次研究旨在确定地表水体中OPEs的种类、分布、浓度和潜在影响,评估其对生态系统和人类健康的潜在风险,为相关政策制定和水资源管理提供科学依据。此外,研究人员也致力于开发有效的监测方法和防控措施,以减少OPEs对生态环境的负面影响。这些工作对于保护地表水质量、维护生态平衡以及人类健康具有重要意义。

本次研究针对新疆一河域中OPEs 的风险熵RQ进行了研究,结果见图5。

图5 河域中OPEs 的风险RQ

由图5可知,在点位A3中,TEHP的风险值(RQ值)为1.45,表明存在高风险。其他点位如A2、A5以及A9-A14等,则显示中等风险,中等风险点位占总点位的57.14%。而其他化合物的RQ值均低于0.1,表明其风险较低或几乎没有风险。整体来看,这一河域中的有机磷酸酯(OPEs)存在较低的生态风险。

尽管如此,OPEs仍然具有长期潜在的风险,可能对水生生态系统和人体健康产生负面影响,表明对水体中OPEs的监测和管理的重要性,因此不能忽视。

3 结 论

本文针对优化地表水中磷酸酯类物质的处理方法进行了研究,并评估了相关风险。在处理地表水中磷酸酯类物质时,关键考虑因素包括污染水平、处理剂浓度、反应时间、pH值、温度、搅拌、处理剂选择以及后续监测。结果显示,研究开发的新方法在液体和固体样品中表现出显著优势,非极性OPEs(如EHDP和TEHP)的回收率分别达到91%、76%和81%,检测限也明显低于现有方法,为更准确地监测地表水质量提供了可靠的技术支持。