长江常熟段水溶解性有机物分子质量分布特性

刘 慧,于海宽,王为木

(1.河海大学南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室,江苏南京 210098; 2.河海大学水利水电学院,江苏南京 210098)

长江常熟段水溶解性有机物分子质量分布特性

刘 慧1,于海宽2,王为木1

(1.河海大学南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室,江苏南京 210098; 2.河海大学水利水电学院,江苏南京 210098)

采用超滤膜法对水溶解性有机物进行物理分级,研究长江常熟段水源水中不同分子质量区间DOC和UV254分布的变化特征及其原因。结果表明,长江常熟段水源水总体水质较好,高锰酸盐指数、氨氮、总磷等指标均未超过地表Ⅲ类水体水质标准,符合饮用水源地卫生要求。2008年11月至2009年9月期间,水源水中分子质量小于1kDa的DOC所占比例平均为64.3％,分子质量小于1kDa的UV254所占比例平均为45.2％,表明长江水源水中水溶解性有机物主要以小分子质量的有机物为主,汛期水源水中分子质量在3～10 kDa区间的DOC和UV254比例较枯水期有显著提高。

水源水;水溶解性有机物;分子质量分布;超滤膜法

长江是沿江各省市的主要供水水源和纳污水域。长江下游干流水质变化不大,尤其是中泓主流常年保持在Ⅱ～Ⅲ类水之间。近年来,大量的工业污水入江,直接威胁着以长江水为城市供水水源的饮用水安全[1]。饮用水源中的有机物是水质评价中的一项重要指标,也是水处理过程中主要的去除对象。近年来,随着环境污染和水土流失的加剧,水源水中有机物含量逐渐提高,成分也日益复杂,传统处理工艺不能将其完全去除,进入管网后可能引发饮用水的生物稳定性问题[2-3]。目前测定给水中有机物含量的主要指标有总有机碳(TOC)和溶解性有机碳(DOC)等。紫外吸光度(UV254)作为水中芳香烃有机物的指示指标,也有重要的参考意义。不同水处理工艺对于有机物去除效率差别较大,这与水源水中有机物在不同分子质量区间的分布有很大关系[4-6],因此了解长江水源水中有机物分子质量分布特性,可为沿江水厂水处理工艺的选择提供理论依据。

本文以长江常熟段水源水为研究对象,监测高锰酸盐指数(CODMn)、氨氮(NH3-N)、总氮(TN)和总磷(TP)等常规指标随时间的动态变化;用超滤膜法(UF)研究水源水中有机物分子质量分布规律,以评估长江水源水的水质特征,以便后期有针对性地选择高效净水工艺,提高供水水质。

1 试验材料与方法

1.1 水源水概况

长江常熟段为长江河口段的起始段,全长约37.5 km,按河型特点分为铁黄沙段、徐六泾段和白茆河段,其中耿泾塘口至徐六泾段为长江常熟段饮用水取水区和工业用水区,全长13.62 km。水源水取自常熟市某水厂,供水规模为40万m3/d。

1.2 试验材料

微滤膜:0.45 μm国产醋酸纤维膜,使用前置于纯水中煮沸30 min,冷却后放入4℃的冰箱中备用。

超滤膜:美国Milipoere公司生产的YM系列100 kDa、10 kDa、3 kDa、1 kDa(1 Da=0.992 1 u)改性醋酸纤维素。使用前将膜浸泡于0.1 mol/L的NaOH溶液中,浸泡时间小于30 min。用去离子水清洗一两遍,再浸于0.1 mol/L的HNO3溶液中,浸泡30min,然后置于4℃的纯水中冷藏备用。

1.3 试验方法

a.取样方法。2008年11月至2009年10月,在常熟市某水厂水源水进水主管线水质在线监测口采集水样,采样时间为每月上旬某天的上午9时,采样体积为2500 mL。采样后在24h内完成常规参数测定,并经0.45 μm微滤膜过滤,置于2000 mL磨口瓶中。如当天无法完成过滤,则将水样密封后存于4℃的冰箱中冷藏备用。

b.膜过滤。膜过滤采用平行法进行,原水先经0.45 μm微滤膜滤除颗粒态悬浮固体,滤液再分别通过截留分子质量为100 kDa、10 kDa、3 kDa、1 kDa的超滤膜,然后测定各滤液的DOC与UV254,采用差减法求得各分子质量区间的有机物含量[7]。

1.4 UV254、DOC和TOC的测定

UV254测定:以纯水为参比,用1cm石英比色皿,采用紫外分光光度计直接测定水样在254 nm波长处的吸光度UV254。

DOC、TOC测定:按Douglas等[8]提出的方法进行水样前处理,采用德国梅特勒公司N/C3100 TOC仪测定DOC和TOC。

2 试验结果与分析

2.1 常规水质指标动态变化特征

长江常熟段水源水主要水质指标动态变化特征见图1。由图1可以看出,2008年11月至2009年10月,水样CODMn的质量浓度为1.70～3.88 mg/L,均值为2.72 mg/L,年内变化不大,介于地表水Ⅱ～Ⅲ类水之间;TP的质量浓度为0.034～0.14 mg/L,最低值出现在2009年6月,最高值出现在2008年 11月,以均值0.088 mg/L来看,属于Ⅱ类水质; NH3-N的质量浓度为0.37～1.59 mg/L,均值为0.88 mg/L,属于Ⅲ类水质;TN的质量浓度为0.85～1.59 mg/L,属于Ⅳ类水质。作为水厂的水源,除TN超标外,其余指标均符合饮用水源地卫生要求。

图1 长江常熟段水源水主要水质指标动态变化特征

由上述结果可知,长江常熟段水质较好,且较稳定。NH3-N、TN表现为冬季高、夏季低的特点。2009年8月,水体中NH3-N质量浓度显著升高,原因可能是8月份整个长江流域受台风“莫拉克”的影响,大量地表雨水进入太湖和长江上游。

2.2 DOC、TOC与UV254的变化特征

图2 长江常熟段水源水TOC、DOC与UV254变化特征

长江常熟段水源水DOC、TOC与UV254的变化特征见图2。从图2可以看出,TOC与DOC的变化趋势较为一致:自2008年11月逐渐降低,2009年2月达到最低;2—7月间变化不大,8—9月有所升高。UV254值在0.042～0.055之间变化,2008年11月至2009年2月逐渐降低,2009年3月开始呈逐渐升高的趋势。进入汛期,长江常熟段水源水中DOC有下降的趋势,而UV254有增大的趋势,这可能是汛期雨水携带的土壤有机物大量进入长江所致。2009年太湖流域年降水量为1 347 mm,折合降水总量为497.1亿m3,比平水年偏多14.4％,年降水频率约为19％[9]。3—8月为太湖泄洪期,泄洪水量主要通过望虞河排入长江(排水量为2000万～4000万m3/d)。由于望虞河排水口距长江常熟段取水口约5 km,且排水量大、排水水质差,因此对长江水质影响较大[10]。泄洪初期,由于水体搅动,致使底泥中的腐殖质进入水体,有机物增加,此时UV254达到第一个峰值。随着泄洪流量的稳定,水体中悬浮物的沉降达到新的动态平衡,水体中的有机物质量浓度降低,故4—5月UV254逐步降低。6月份,长江进入主汛期,长江水体中有机物的质量浓度增加,UV254值增加,到9月份主汛期结束,UV254值下降。

2.3 水溶解性有机物的物理分级特征

2.3.1 各分子质量区间DOC分布变化特征

不同分子质量区间DOC的分布见表1。由表1可见,水源水中分子质量小于1 kDa的DOC最多, 2008年11月至2009年9月均值为64.3％。2009 年2月水源水中分子质量小于1kDa的DOC所占比例最低,为47.3％;最大值出现在2009年7月,所占比例为69.9％;2009年7—9月分子质量在3～10 kDa区间的DOC较前期增幅明显。董秉直等[11-12]对黄浦江、太湖、长江以及淮河的分子质量分布研究结果表明,长江常熟段水源水分子质量小于4kDa的DOC所占比例为66％,UV254所占比例为63％,也说明长江水体中小分子质量有机物的含量较高。

表1 长江常熟段水源水中各分子质量区间DOC分布比例％

2.3.2 各分子质量区间UV254分布变化特征

各分子质量区间UV254分布见表2。由表2可以看出,分子质量小于1 kDa的UV254所占比例最高,为31.3％～61.9％,均值为45.2％。蔡云龙[13]研究得出,长江镇江段水源水中分子质量小于1 kDa 的UV254所占比例最高,为38.5％。本文结果与蔡云龙[13]的研究成果相比,两者较为接近。

表2 长江常熟段水源水中各分子质量区间UV254分布比例％

2008年11月至2009年3月的枯水期,水源水中UV254在分子质量小于1 kDa和10～100 kDa区间的比例最高,其中小于1 kDa的部分占绝对优势; 2009年4—9月的丰水期,主要集中在分子质量小于1kDa、3～10kDa和大于100kDa的区间内。说明进入汛期,长江水源水增加的腐殖质类大分子有机物以及含碳碳双键和碳氧双键的芳香族化合物主要集中在分子质量小于1 kDa、3～10 kDa和大于100 kDa这3个区间内。

UV254的季节性变化幅度较DOC更为显著,说明有机物的分子质量大小变化与其内在结构或种类的变化存在不确定性和弱对应性。王东升[14]对深圳水体溶解性有机物分子质量分布随时间变化的研究也得出类似结论,虽然某些有机物分子质量随时间、温度、径流等条件改变不大,但其内在结构如光谱结构等已发生了一定的变化。

3 结 论

a.2008年11月至2009年10月,长江常熟段水源水总体水质较好,除TN外,CODMn、NH3-N、TP等介于Ⅱ～Ⅲ类水之间,均未超过Ⅲ类水质标准,符合饮用水源地卫生要求。

b.长江常熟段水源水DOC主要集中在分子质量小于1 kDa区间,所占比例为47.3％～69.9％, 7—9月增加的有机物主要集中在分子质量3～10 kDa区间。

c.长江常熟段水源水UV254表现出汛期高、枯水期低的趋势,分子质量小于1 kDa区间的比例最高,达31.3％～61.9％,均值为45.2％。

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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 编辑:骆超)

国家自然科学基金(51109060);中央高校基本科研业务费专项(2009B09114,2010B02114)

刘慧(1972—),女,山东烟台人,副教授,博士,主要从事水土环境保护及生态修复研究。E-mail:liuhui@hhu.edu.cn