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城市水循环中环境激素的变化规律与KMnO_4控制效能研究

邵晓玲  
【摘要】:环境激素(EDCs)普遍存在于各种水环境中,对野生动物和人体的内分泌系统,特别是对生殖系统造成严重影响。对城市水循环中EDCs的分布与迁移转化规律进行研究,对于有效控制EDCs进入到饮用水中及保护人体健康具有重要意义。 以水环境中频繁检出的13种典型EDCs为研究对象,研究了它们在哈尔滨市水循环中的分布与迁移转化规律,包括5种雌激素、4种酞酸酯(PAEs)、双酚A(BPA)及3种烷基酚(APs)。水样采取固相萃取法(SPE),固体样品经冻干处理后进行超声波辅助萃取。目标物的定性定量采用高效液相色谱(HPLC)与气相色谱-质谱联机(GC-MS)相结合的方法。雌激素活性采用酵母双杂交系统进行评价。 污水是城市水环境中EDCs的主要来源,对哈尔滨市一污水厂中的EDCs研究得出,污水厂对EDCs的去除率除了17α-乙炔雌醇(EE2)(60.4%)与己烯雌酚(DES)(51.3%)较低外,其它在70%~96%之间,对雌激素活性物质的去除率为58.1%~84.2%。二级处理系统对它们的去除在整个污水厂占主导地位,而一沉池去除能力有限,其出水中雌三醇(E3)、雌酮(E1)、酞酸二甲酯(DMP)及4-叔-辛基酚(OP)的浓度高于其进水浓度,雌激素活性也有类似情况发生。研究还发现,正辛醇-水分配系数(Kow)对EDCs在污水固-液两相间的分配影响较小,而悬浮固体与溶解性有机碳对EDCs的分配影响较大,它们与吸附分配系数呈负相关性。对二级处理系统中的EDCs研究得出,生物降解对EDCs的去除率为4.2%(EE2)~91.8%(DMP),雌激素活性物质为74.4%;排泥去除的EDCs占总量的0.5%(BPA)~45.2%(EE2),雌激素活性物质为1.1%;其余EDCs(7.0%~68.6%)与雌激素活性物质(24.5%)由出水带入松花江水中。 对松花江哈尔滨段江水中的EDCs研究得出,5种雌激素在全段浓度普遍较高,最高可达49ng/L;4种酞酸酯丰度最大,其中酞酸二丁酯(DBP)浓度最高可达263μg/L;4-n-壬基酚(n-NP)、p-支链壬基酚(NP)及OP 3种烷基酚的浓度范围为56~1 505ng/L;BPA浓度在全段变化较小,保持在30~150ng/L之间。该段江水在夏秋两季的雌激素活性雌二醇当量值( EEQs )为528~965pg/L,其中上游水源地水在夏季的雌激素活性较高。 水源水的污染导致饮用水受到EDCs的污染。对哈尔滨市一自来水厂中的EDCs研究得出,自来水厂对雌激素活性物质的去除率为34.6%~50.5%,其中混凝沉淀工艺发挥了主导去除作用,而砂滤与氯消毒工艺出水不稳定,雌激素活性有时较进水有升高现象发生。研究还发现,出厂水经管网输送后其中的绝大多数EDCs含量升高,雌激素活性也较出厂水最高可升高44.9%,说明进入管网水中的EDCs除水源水污染外,还有一个重要途径就是管网输水过程中产生的二次污染。哈尔滨市管网水的雌激素活性为347~1 362pg/L EEQs,除了固醇类雌激素,其它典型EDCs在管网水中几乎100%检出,以DBP浓度最高污染最为严重。 鉴于常规水处理工艺不能很好去除原水中的EDCs与雌激素活性物质,用高锰酸盐对它们进行了控制效能研究。研究得出,高锰酸盐与酚羟基EDCs的反应总体为二级反应,而与两种反应物均呈一级反应关系,反应速率常数随温度升高呈指数增长趋势,随pH升高先降低后升高,越是碱性条件反应速率越快,而且实际水体中的氧化速率明显快于纯水背景。还原性物质对高锰酸盐氧化酚羟基EDCs有明显促进作用,其中以腐殖酸的促进作用最为明显,其次为Mn2+,其它还包括Fe2+、NO2ˉ、SO32ˉ、EDTA、柠檬酸盐及草酸盐。但是,这些还原性物质对酚羟基EDCs氧化的促进作用普遍受pH的控制,在中性及酸性pH条件下氧化速率得到加快,而在碱性pH条件下pH的影响占了主导作用。通过光谱扫描,推测这些还原性物质能与高锰酸盐反应生成以五价锰为主的活性中间体,这些活性物种能选择性与目标物反应,加快了反应速率。研究还发现,高锰酸盐氧化E1的过程中初始阶段出水雌激素活性有所升高,然后快速下降。至此,用高锰酸盐预氧化技术控制水中的酚羟基EDCs是实际可行的,但前提是必须保证有充足的接触反应时间以防出水雌激素活性升高。


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