劉 慧,于海寬,王為木

(1.河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098; 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098)

長江常熟段水溶解性有機(jī)物分子質(zhì)量分布特性

劉 慧1,于海寬2,王為木1

(1.河海大學(xué)南方地區(qū)高效灌排與農(nóng)業(yè)水土環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京 210098; 2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098)

采用超濾膜法對水溶解性有機(jī)物進(jìn)行物理分級,研究長江常熟段水源水中不同分子質(zhì)量區(qū)間DOC和UV254分布的變化特征及其原因。結(jié)果表明,長江常熟段水源水總體水質(zhì)較好,高錳酸鹽指數(shù)、氨氮、總磷等指標(biāo)均未超過地表Ⅲ類水體水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),符合飲用水源地衛(wèi)生要求。2008年11月至2009年9月期間,水源水中分子質(zhì)量小于1kDa的DOC所占比例平均為64.3％,分子質(zhì)量小于1kDa的UV254所占比例平均為45.2％,表明長江水源水中水溶解性有機(jī)物主要以小分子質(zhì)量的有機(jī)物為主,汛期水源水中分子質(zhì)量在3～10 kDa區(qū)間的DOC和UV254比例較枯水期有顯著提高。

水源水;水溶解性有機(jī)物;分子質(zhì)量分布;超濾膜法

長江是沿江各省市的主要供水水源和納污水域。長江下游干流水質(zhì)變化不大,尤其是中泓主流常年保持在Ⅱ～Ⅲ類水之間。近年來,大量的工業(yè)污水入江,直接威脅著以長江水為城市供水水源的飲用水安全[1]。飲用水源中的有機(jī)物是水質(zhì)評價中的一項(xiàng)重要指標(biāo),也是水處理過程中主要的去除對象。近年來,隨著環(huán)境污染和水土流失的加劇,水源水中有機(jī)物含量逐漸提高,成分也日益復(fù)雜,傳統(tǒng)處理工藝不能將其完全去除,進(jìn)入管網(wǎng)后可能引發(fā)飲用水的生物穩(wěn)定性問題[2-3]。目前測定給水中有機(jī)物含量的主要指標(biāo)有總有機(jī)碳(TOC)和溶解性有機(jī)碳(DOC)等。紫外吸光度(UV254)作為水中芳香烴有機(jī)物的指示指標(biāo),也有重要的參考意義。不同水處理工藝對于有機(jī)物去除效率差別較大,這與水源水中有機(jī)物在不同分子質(zhì)量區(qū)間的分布有很大關(guān)系[4-6],因此了解長江水源水中有機(jī)物分子質(zhì)量分布特性,可為沿江水廠水處理工藝的選擇提供理論依據(jù)。

本文以長江常熟段水源水為研究對象,監(jiān)測高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)、氨氮(NH3-N)、總氮(TN)和總磷(TP)等常規(guī)指標(biāo)隨時間的動態(tài)變化;用超濾膜法(UF)研究水源水中有機(jī)物分子質(zhì)量分布規(guī)律,以評估長江水源水的水質(zhì)特征,以便后期有針對性地選擇高效凈水工藝,提高供水水質(zhì)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 水源水概況

長江常熟段為長江河口段的起始段,全長約37.5 km,按河型特點(diǎn)分為鐵黃沙段、徐六涇段和白茆河段,其中耿涇塘口至徐六涇段為長江常熟段飲用水取水區(qū)和工業(yè)用水區(qū),全長13.62 km。水源水取自常熟市某水廠,供水規(guī)模為40萬m3/d。

1.2 試驗(yàn)材料

微濾膜:0.45 μm國產(chǎn)醋酸纖維膜,使用前置于純水中煮沸30 min,冷卻后放入4℃的冰箱中備用。

超濾膜:美國Milipoere公司生產(chǎn)的YM系列100 kDa、10 kDa、3 kDa、1 kDa(1 Da=0.992 1 u)改性醋酸纖維素。使用前將膜浸泡于0.1 mol/L的NaOH溶液中,浸泡時間小于30 min。用去離子水清洗一兩遍,再浸于0.1 mol/L的HNO3溶液中,浸泡30min,然后置于4℃的純水中冷藏備用。

1.3 試驗(yàn)方法

a.取樣方法。2008年11月至2009年10月,在常熟市某水廠水源水進(jìn)水主管線水質(zhì)在線監(jiān)測口采集水樣,采樣時間為每月上旬某天的上午9時,采樣體積為2500 mL。采樣后在24h內(nèi)完成常規(guī)參數(shù)測定,并經(jīng)0.45 μm微濾膜過濾,置于2000 mL磨口瓶中。如當(dāng)天無法完成過濾,則將水樣密封后存于4℃的冰箱中冷藏備用。

b.膜過濾。膜過濾采用平行法進(jìn)行,原水先經(jīng)0.45 μm微濾膜濾除顆粒態(tài)懸浮固體,濾液再分別通過截留分子質(zhì)量為100 kDa、10 kDa、3 kDa、1 kDa的超濾膜,然后測定各濾液的DOC與UV254,采用差減法求得各分子質(zhì)量區(qū)間的有機(jī)物含量[7]。

1.4 UV254、DOC和TOC的測定

UV254測定:以純水為參比,用1cm石英比色皿,采用紫外分光光度計(jì)直接測定水樣在254 nm波長處的吸光度UV254。

DOC、TOC測定:按Douglas等[8]提出的方法進(jìn)行水樣前處理,采用德國梅特勒公司N/C3100 TOC儀測定DOC和TOC。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)動態(tài)變化特征

長江常熟段水源水主要水質(zhì)指標(biāo)動態(tài)變化特征見圖1。由圖1可以看出,2008年11月至2009年10月,水樣CODMn的質(zhì)量濃度為1.70～3.88 mg/L,均值為2.72 mg/L,年內(nèi)變化不大,介于地表水Ⅱ～Ⅲ類水之間;TP的質(zhì)量濃度為0.034～0.14 mg/L,最低值出現(xiàn)在2009年6月,最高值出現(xiàn)在2008年 11月,以均值0.088 mg/L來看,屬于Ⅱ類水質(zhì); NH3-N的質(zhì)量濃度為0.37～1.59 mg/L,均值為0.88 mg/L,屬于Ⅲ類水質(zhì);TN的質(zhì)量濃度為0.85～1.59 mg/L,屬于Ⅳ類水質(zhì)。作為水廠的水源,除TN超標(biāo)外,其余指標(biāo)均符合飲用水源地衛(wèi)生要求。

圖1 長江常熟段水源水主要水質(zhì)指標(biāo)動態(tài)變化特征

由上述結(jié)果可知,長江常熟段水質(zhì)較好,且較穩(wěn)定。NH3-N、TN表現(xiàn)為冬季高、夏季低的特點(diǎn)。2009年8月,水體中NH3-N質(zhì)量濃度顯著升高,原因可能是8月份整個長江流域受臺風(fēng)“莫拉克”的影響,大量地表雨水進(jìn)入太湖和長江上游。

2.2 DOC、TOC與UV254的變化特征

圖2 長江常熟段水源水TOC、DOC與UV254變化特征

長江常熟段水源水DOC、TOC與UV254的變化特征見圖2。從圖2可以看出,TOC與DOC的變化趨勢較為一致:自2008年11月逐漸降低,2009年2月達(dá)到最低;2—7月間變化不大,8—9月有所升高。UV254值在0.042～0.055之間變化,2008年11月至2009年2月逐漸降低,2009年3月開始呈逐漸升高的趨勢。進(jìn)入汛期,長江常熟段水源水中DOC有下降的趨勢,而UV254有增大的趨勢,這可能是汛期雨水?dāng)y帶的土壤有機(jī)物大量進(jìn)入長江所致。2009年太湖流域年降水量為1 347 mm,折合降水總量為497.1億m3,比平水年偏多14.4％,年降水頻率約為19％[9]。3—8月為太湖泄洪期,泄洪水量主要通過望虞河排入長江(排水量為2000萬～4000萬m3/d)。由于望虞河排水口距長江常熟段取水口約5 km,且排水量大、排水水質(zhì)差,因此對長江水質(zhì)影響較大[10]。泄洪初期,由于水體攪動,致使底泥中的腐殖質(zhì)進(jìn)入水體,有機(jī)物增加,此時UV254達(dá)到第一個峰值。隨著泄洪流量的穩(wěn)定,水體中懸浮物的沉降達(dá)到新的動態(tài)平衡,水體中的有機(jī)物質(zhì)量濃度降低,故4—5月UV254逐步降低。6月份,長江進(jìn)入主汛期,長江水體中有機(jī)物的質(zhì)量濃度增加,UV254值增加,到9月份主汛期結(jié)束,UV254值下降。

2.3 水溶解性有機(jī)物的物理分級特征

2.3.1 各分子質(zhì)量區(qū)間DOC分布變化特征

不同分子質(zhì)量區(qū)間DOC的分布見表1。由表1可見,水源水中分子質(zhì)量小于1 kDa的DOC最多, 2008年11月至2009年9月均值為64.3％。2009 年2月水源水中分子質(zhì)量小于1kDa的DOC所占比例最低,為47.3％;最大值出現(xiàn)在2009年7月,所占比例為69.9％;2009年7—9月分子質(zhì)量在3～10 kDa區(qū)間的DOC較前期增幅明顯。董秉直等[11-12]對黃浦江、太湖、長江以及淮河的分子質(zhì)量分布研究結(jié)果表明,長江常熟段水源水分子質(zhì)量小于4kDa的DOC所占比例為66％,UV254所占比例為63％,也說明長江水體中小分子質(zhì)量有機(jī)物的含量較高。

表1 長江常熟段水源水中各分子質(zhì)量區(qū)間DOC分布比例％

2.3.2 各分子質(zhì)量區(qū)間UV254分布變化特征

各分子質(zhì)量區(qū)間UV254分布見表2。由表2可以看出,分子質(zhì)量小于1 kDa的UV254所占比例最高,為31.3％～61.9％,均值為45.2％。蔡云龍[13]研究得出,長江鎮(zhèn)江段水源水中分子質(zhì)量小于1 kDa 的UV254所占比例最高,為38.5％。本文結(jié)果與蔡云龍[13]的研究成果相比,兩者較為接近。

表2 長江常熟段水源水中各分子質(zhì)量區(qū)間UV254分布比例％

2008年11月至2009年3月的枯水期,水源水中UV254在分子質(zhì)量小于1 kDa和10～100 kDa區(qū)間的比例最高,其中小于1 kDa的部分占絕對優(yōu)勢; 2009年4—9月的豐水期,主要集中在分子質(zhì)量小于1kDa、3～10kDa和大于100kDa的區(qū)間內(nèi)。說明進(jìn)入汛期,長江水源水增加的腐殖質(zhì)類大分子有機(jī)物以及含碳碳雙鍵和碳氧雙鍵的芳香族化合物主要集中在分子質(zhì)量小于1 kDa、3～10 kDa和大于100 kDa這3個區(qū)間內(nèi)。

UV254的季節(jié)性變化幅度較DOC更為顯著,說明有機(jī)物的分子質(zhì)量大小變化與其內(nèi)在結(jié)構(gòu)或種類的變化存在不確定性和弱對應(yīng)性。王東升[14]對深圳水體溶解性有機(jī)物分子質(zhì)量分布隨時間變化的研究也得出類似結(jié)論,雖然某些有機(jī)物分子質(zhì)量隨時間、溫度、徑流等條件改變不大,但其內(nèi)在結(jié)構(gòu)如光譜結(jié)構(gòu)等已發(fā)生了一定的變化。

3 結(jié) 論

a.2008年11月至2009年10月,長江常熟段水源水總體水質(zhì)較好,除TN外,CODMn、NH3-N、TP等介于Ⅱ～Ⅲ類水之間,均未超過Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),符合飲用水源地衛(wèi)生要求。

b.長江常熟段水源水DOC主要集中在分子質(zhì)量小于1 kDa區(qū)間,所占比例為47.3％～69.9％, 7—9月增加的有機(jī)物主要集中在分子質(zhì)量3～10 kDa區(qū)間。

c.長江常熟段水源水UV254表現(xiàn)出汛期高、枯水期低的趨勢,分子質(zhì)量小于1 kDa區(qū)間的比例最高,達(dá)31.3％～61.9％,均值為45.2％。

[1]董小蓉,楊曉明,魯翌,等.長江、漢江水源水及其自來水中有機(jī)物生物毒性的比較[J].中國環(huán)境科學(xué),2010, 30(2):263-268.(DONG Xiaorong,YANG Xiaoming,LU Yi,etal.Comparisonofthebiotoxicityoforganic compounds in source and tap water from the Yangtze and Han River[J].China Environmental Science,2010,30 (2):263-268.(in Chinese))

[2]DOTSON A,WESTERHOFF P.Character and treatment of organic colloids in challenging and impacted drinking water sources[J].Journal of Environmental Engineering, 2012,138(4):393-401.

[3]李爽,張曉健,范曉軍,等.水源水中不同分子量區(qū)間有機(jī)物的分布及控制對策[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2003,23 (3):327-331.(LI Shuang,ZHANG Xiaojian,FAN Xiaojun,et al.Organic matter of various molecular weight fractionsinsourcewater[J].ActaScientiae Circumstantiae,2003,23(3):327-331.(in Chinese))

[4]白曉慧,賀蘭喜,王寶貞.常規(guī)飲用水凈化技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及對策[J].水科學(xué)進(jìn)展,2002,13(1):122-127. (BAI Xiaohui,HE Lanxi,WANG Baozhen.Conventional drinking water treatment technologies:existing problems and countermeasures[J].Advances in Water Science, 2002,13(1):122-127.(in Chinese))

[5]張健,華偉,張璐,等.水處理工藝過程中有機(jī)物分子量分布規(guī)律[J].水資源保護(hù),2012,28(1):95-99. ZHANG Jian,HUA Wei,ZHANG Lu,et al.Molecular weight distribution of organic matter during water treatment process[J].Water Resources Protection,2012,28(1): 95-99.

[6]WEI Qunshan,FABRIS R,CHOW CHRISTOPHER W K, et al.Characterization of dissolved organic matter from AustralianandChinesesourcewatersbycombined fractionation techniques[J].Water Science and Technology, 2011,64(1):171-177.

[7]王秀麗,董民強(qiáng),陳瓊潔.杭州市水源水中有機(jī)物的分子質(zhì)量分布[J].中國給水排水,2010,26(9):62-64. (WANGXiuli,DONGMinqiang,CHENQiongjie. Molecularweightdistributionsoforganicmattersin Hangzhou source water[J].China Water＆Wastewater, 2010,26(9):62-64.(in Chinese))

[8]DOUGLAS C,MARGERY W,LICETTE H.Distribution of organic carbon in the Berkeley Pit Lake,Butte,Montana [J].Mine Water and Environment,2006,25:93-99.

[9]太湖流域及東南諸河水資源公報[R].無錫:水利部太湖流域管理局,2009.

[10]劉國祥.常熟市飲用水安全問題研究[J].常熟理工學(xué)院學(xué)報:哲學(xué)社會科學(xué)版,2007(1):21-27.(LIU Guoxinang.The study on the safety of Changshu drinking water[J].Journal of Changshu Institute of Technology: Philosophy＆Social Sciences,2007(1):21-27.(in Chinese))

[11]董秉直,曹達(dá)文,范瑾初,等.天然原水有機(jī)物分子量分布的測定[J].給水排水,2000,26(1):30-32.(DONG Bingzhi,CAO Dawen,FAN Jinchu,et al.Examination of molecular distributions of dissolved organic compounds in natural water[J].Water＆Wastewater Engineering,2000, 26(1):30-32.(in Chinese))

[12]董秉直,曹達(dá)文,范瑾初,等.黃浦江水源的溶解性有機(jī)物分子量分布變化的特點(diǎn)[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2001,21 (5):553-556.(DONG Bingzhi,CAO Dawen,FAN Jinchu,et al.Characteristics of changes in distribution of molecular weight of dissolved organics in Huangpu River water source[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2001,21 (5):553-556.(in Chinese))

[13]蔡云龍.飲用水生物穩(wěn)定性和管網(wǎng)水質(zhì)污染指數(shù)的研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué).2006.

[14]王東升.微污染原水強(qiáng)化混凝技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

Distribution characteristics of DOM molecular mass in Changshu Section of the Yangtze River

//LIU Hui1,YU Haikuan2,WANG Weimu1(1.Key Laboratory of Efficient Irrigation-Drainage and Agricultural Soil-Water Environment in Southern China,Hohai University,Nanjing210098,China;2.College of Water Conservancy and Hydropower,Hohai University,Nanjing210098,China)

To study the variation characteristics and influence factors of dissolved organic matter(DOM)and UV254in the Changshu Section of the Yangtze River,physical classification of DOM was carried out by the method of ultra-filtration.The results show that the water quality in the Changshu Section of the Yangtze River is good and meets the standard of drinking water.CODMn,NH3-N,and TP content of the river water meet the surface water quality standardⅢ.During November 2008 to September 2009,the contents of DOC and UV254with a molecular mass lower than 1kDa are 64.3％and 45.2％, respectively,suggesting that the main DOM is organic matter with a smaller molecular mass.The contents of DOC and UV254with the molecular mass of 3～10 kDa increase significantly during the flood season.

source water;dissolved organic matter;molecular mass distribution;ultra-filtration method

10.3880/j.issn.10067647.2013.01.009

X52

A

10067647(2013)01004104

2012-05-04 編輯:駱超)

國家自然科學(xué)基金(51109060);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(2009B09114,2010B02114)

劉慧(1972—),女,山東煙臺人,副教授,博士,主要從事水土環(huán)境保護(hù)及生態(tài)修復(fù)研究。E-mail:liuhui@hhu.edu.cn