一种控制水体中荧光性溶解有机物及细胞毒性的方法

技术领域

本发明涉及水处理的技术领域，尤其涉及一种控制水体中荧光性溶解有机物及细胞毒性的方法。

背景技术

预氧化强化混凝技术是一种饮用水处理技术，它在传统的混凝沉淀过程之前加入一定量的氧化剂对水中的有机物或无机物进行预先氧化，从而改善水中颗粒的性质，提高混凝效率和水质。这种技术在处理含有藻类、重金属、难降解聚合物等污染物的水源时具有明显的优势，目前预氧化强化混凝的应用主要有以下几个方面：(1)通过氧化剂对水中的有机物和无机物进行氧化，破坏其稳定性，增加其可混凝性，从而提高混凝效果，降低水中的色度、浊度、COD、TOC等指标；(2)通过氧化剂对水中的铁、锰、硫等金属离子进行氧化，使其沉淀或吸附，从而去除水中的铁、锰、硫等金属离子，提高水质的化学指标；(3)通过氧化剂对水中的臭味和异味物质进行氧化，消除水中的臭味和异味，提高水质的感官品质。

目前预氧化强化混凝工艺的应用主要集中对于传统指标的控制(如浊度、有机碳、氨氮、总氮浓度等)以及对溶解性有机物(DOM)的去除。三维荧光光谱(EEM)、液相色谱-有机碳检测仪(LC-OCD)、傅里叶变换离子回旋共振质谱法(FT-ICR MS)等技术手段可以深入分析强化混凝工艺对特定荧光信号和分子量DOM的去除和生成特性，已被用于水处理工艺前后水中有机物成分变化的分析。荧光性溶解有机物(FDOM)是DOM的一种，通常是指在紫外线激发下产生荧光的有机分子，包括天然有机物和人工有机物，如腐殖质、蛋白质、色素和生物物质等。并且FDOM是天然水体环境中重金属和有机污染物的重要络合剂和吸附剂，直接影响它们的毒性、迁移转化等。

然而，目前预氧化强化混凝技术在应用时偏重对水体浊度、TOC等传统水质指标的控制以及水中有机物的去除，但缺少在水体毒性控制领域的应用。常用的预氧化技术会破坏水中的天然有机物，产生一些难降解的小分子有机物，可能增加水中的生物需氧量和消毒副产物的生成潜力，三氯甲烷、溴仿等消毒副产物可能会引起肝脏损伤、癌症等；并且，强化混凝技术可能会增加水中的残余铝含量，进而对人体健康造成影响；此外，在处理含藻水源时，预氧化混凝技术虽然能够有效提高混凝沉淀除藻效能，但臭氧等氧化能力较高的氧化剂可能会造成藻类细胞破裂，释放藻类有机物从而增加水体毒性。因此，当下饮用水处理体系中预氧化混凝技术并不能保证水质的生物安全性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供了一种控制水体中荧光性溶解有机物及细胞毒性的方法。本发明借助三维荧光光谱表征水处理过程中水中荧光性溶解有机物的变化情况，以细胞毒性作为水质毒理指标进行饮用水预氧化混凝沉淀工艺设计，有利于提高饮用水的生物安全性，保护生态环境和人居健康。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

本发明提供了一种控制水体中荧光性溶解有机物及细胞毒性的方法，包括以下步骤：

(1)水体中加入氧化剂进行预氧化处理；

(2)向预氧化处理后的水体中加入混凝剂进行混凝沉淀；

(3)对混凝沉淀后的水体进行固相萃取；

(4)对萃取后的产物进行细胞毒性检测和三维荧光光谱检测；

所述步骤(1)中氧化剂为臭氧、高锰酸钾、过一硫酸盐中的至少一种；

所述步骤(2)中混凝剂为硫酸铝、硫酸铁、聚合氯化铝中的至少一种。

本发明采用不同氧化剂类型、混凝剂类型探究水体细胞毒性的变化规律，并以水体毒性控制为导向，设计处理后水体细胞毒性最低的预氧化混凝工艺方案，提高饮用水的生物安全性，提供更高质量的饮用水供给保障。

并且，本发明中采用臭氧、高锰酸钾、过一硫酸盐中的至少一种作为氧化剂，采用硫酸铝、硫酸铁、聚合氯化铝中的至少一种作为混凝剂，相比于其他现有的氧化剂和混凝剂，能够有效减少水体中荧光性溶解有机物的含量，进而降低饮用水中有机污染物组分整体的慢性细胞毒性。

优选地，所述步骤(1)中氧化剂的投入量为0.5-60mg/L，氧化时间为5-45min。

优选地，所述步骤(2)中混凝剂的投入量为20-60mg/L，溶液pH为5-9。

优选地，所述步骤(1)中氧化剂为臭氧，所述步骤(2)中混凝剂为聚合氯化铝。

本发明采用臭氧作为氧化剂，聚合氯化铝作为混凝剂，具有良好的协同作用，水中荧光性溶解有机物大幅减少，水体毒性明显降低，有助于提供更加安全的饮用水。并且通过细胞毒性试验将人体健康影响纳入对饮用水处理工艺的效果评价中，对工艺的优化推广、提升民众接受度都具有重要意义。

优选地，所述步骤(1)中臭氧的投加量为1-1.5mg/L，所述步骤(2)中聚合氯化铝的投加量为30-40mg/L。

优选地，所述步骤(1)中氧化时间为5-15min，所述步骤(2)中溶液pH为7-8。

本发明采用上述范围的臭氧和聚合氯化铝对水体进行预氧化强化混凝处理，有利于进一步降低水体的细胞毒性。

优选地，所述步骤(3)中固相萃取时，将混凝沉淀后的水体酸化至pH为1.5-2.5。

优选地，所述步骤(3)中固相萃取时，采用甲醇、丙酮、二氯甲烷作为洗脱溶剂对水体进行逐步洗脱。

本发明采用甲醇、丙酮、二氯甲烷作为洗脱溶剂，能够更好地将有机物洗脱下来，提高洗脱效率。

优选地，所述甲醇、丙酮、二氯甲烷的体积比为(1-5)：1：1。

优选地，所述步骤(4)中三维荧光光谱检测时，激发波长为200-450nm，发射波长为280-600nm，激发波长和发射波长的步长均为4-5nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明探究了不同混凝剂和不同氧化剂在不同工况下处理后水中荧光性溶解有机物含量和水体毒性的变化规律，可以基于现有工艺条件、水质特点及经济等因素的考量，选用合适的工艺组合控制饮用水水体毒性。通过最大荧光峰强度Fmax与CTI值建立水中荧光性溶解有机物含量与水体毒性的数学模型，可用于快速、粗略评估预氧化混凝后水体毒性的变化情况，可提高水质检测的效率，提高水质安全保障能力。

附图说明

图1是本发明中控制水体中荧光性溶解有机物及降低细胞毒性的方法的流程图。

图2是本发明中不同混凝剂混凝沉淀后水体CHO细胞毒性指数值(CTI)与混凝剂剂量(Dose)以及pH的关系示意图，其中，(a)代表Al

图3是本发明中不同预氧化剂强化混凝处理后水体细胞毒性与氧化剂剂量和预氧化持续时间的关系示意图，其中，(a)-(i)分别对应实施例1-9。

图4是本发明中预氧化强化混凝和单独混凝对水中荧光性溶解有机物去除的效果示意图，其中，(a)代表单独混凝时不同投加量与最大荧光峰强度的关系变化，(b)代表单独混凝时不同pH与最大荧光峰强度的关系变化，(c)代表预氧化强化混凝时O

图5是本发明中预氧化强化混凝荧光性溶解有机物去除的效果(Fmax)与细胞毒性(CTI)关系，其中，(a)为CTI与Fmax的相关性分析图，(b)为CTI与Fmax的线性拟合图。

具体实施方式

为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围及实施方式不限于此。

下述实施例中所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，为可从商业途径获得的试剂和材料。

实施例1

一种控制水体中荧光性溶解有机物及降低细胞毒性的方法，包括以下步骤：

(1)预氧化处理：在广东省某水库进行了采样，保存于聚乙烯(PE)容器中运输并在4℃下避光储存，直至提取和分析；

在混凝过程之前，分别投加0.5mg/L、1.0mg/L、1.5mg/L的O

(2)混凝试验：

混凝沉淀：将混凝温度控制在25±1℃，为了研究剂量和pH对Al

(3)固相萃取：过滤后的水样酸化至pH为2，水样以5ml/min的流速通过HLB固相萃取吸附剂小柱进行有机物富集；上样后，氮吹40min使得HLB小柱干燥后依次用5mL甲醇、2mL丙酮、2mL二氯甲烷通过吸附剂；将有机物洗脱下来，然后用氮气吹干，得到提取物，然后将提取物溶解在二甲亚砜(DMSO)中；

(4)细胞毒性试验：将中国仓鼠卵巢(CHO)细胞与提取出来的有机物加入96孔组织培养微孔板，每个水样提取物的每个浓度分别准备4个重复孔，留8孔作为空白对照，8孔阴性对照，最后放在37℃、5％二氧化碳的培养箱中培养72小时；培养好后用甲醇固定10min，再用1％的结晶紫溶液染色10分钟；漂洗孔板，拍干后加入体积比为3:1的DMSO/甲醇避光10分钟；在酶标仪上分析酶标板在595nm处的吸光度；数据进行回归分析，计算与同时阴性对照相比诱导细胞密度降低50％的浓度因子(LC50值)，用1000除以LC50得到CHO细胞毒性指数(CTI)值，CTI值越高代表毒性越高；

三维荧光光谱检测：三维荧光光谱分析采用卓立汉光三维荧光光谱仪进行测定，三维荧光光谱的扫描波长分别为：激发波长Ex＝200-450nm，发射波长Em＝280-600nm，激发波长和发射波长的步长均为5nm；扫描模式为3D扫描，扫描速率为2400nm·min-1，积分时间为1s；荧光光谱数据经处理后计算最大荧光峰强度Fmax。

实施例2

与实施例1的不同之处在于，步骤(1)中氧化剂为O

实施例3

与实施例1的不同之处在于，步骤(1)中氧化剂为O

实施例4

与实施例1的不同之处在于，步骤(1)中氧化剂为KMnO

实施例5

与实施例4的不同之处在于，步骤(1)中氧化剂为KMnO

实施例6

与实施例4的不同之处在于，步骤(1)中氧化剂为KMnO

实施例7

与实施例1的不同之处在于，步骤(1)中氧化剂为PMS，步骤(2)中混凝剂为Al

实施例8

与实施例7的不同之处在于，步骤(1)中氧化剂为PMS，步骤(2)中混凝剂为Fe

实施例9

与实施例7的不同之处在于，步骤(1)中氧化剂为PMS，步骤(2)中混凝剂为PAC，其他步骤均与实施例7相同。

对比例1

与实施例1的不同之处在于，没有加入氧化剂对水体进行预氧化处理，混凝剂为Al

对比例2

与实施例2的不同之处在于，没有加入氧化剂对水体进行预氧化处理，混凝剂为Fe

对比例3

与实施例3的不同之处在于，没有加入氧化剂对水体进行预氧化处理，混凝剂为PAC，其他步骤均与实施例3相同。

实验结果

1、单独混凝对水体细胞毒性的影响

图2反映的是对比例1-3中三种不同混凝剂(Al

从图2中可以看出三种不同的混凝剂对水样进行混凝沉淀后CTI值都低于未处理的水样(7.86)，说明混凝沉淀可以降低水体毒性。Al

根据图2的结果可得，三种混凝剂的细胞毒性控制能力顺序为PAC>Fe

2、预氧化强化混凝对水体细胞毒性的影响

图3反映了实施例1-9中不同预氧化剂(O

从图3可知，三种预氧化剂中，O

3、单独混凝和预氧化强化混凝对水中荧光性溶解有机物的去除效果

通过三维荧光光谱技术检测水中荧光性溶解有机物，并使用Fmax(最大荧光峰强度)量化其含量。结果如图4所示，与原水相比(Fmax＝620)，单独混凝对水中FDOM的去除有较好的效果(各工况下平均Fmax＝458，图4.a和图4.b)；而预氧化强化混凝所产生的协同作用有助于FDOM的进一步去除(各工况下平均Fmax＝321，图4.c和图4.d)。就单独混凝而言，三种混凝剂对FDOM的去除效果为：PAC>Fe

此外，进一步发现，预氧化强化混凝工艺对水中荧光性溶解有机物的去除效果与毒性控制间有良好的相关性。如图5所示，与传统水质指标浊度(NTU)、溶解性有机碳(DOC)相比(二者与毒性指数CTI的相关性系数分别为0.18和0.58)，Fmax与CTI间的相关性为0.87，说明预氧化强化混凝对水中FDOM的去除是毒性控制的主要途径。建立二者间线性模型，得到拟合方程为CTI＝5.17+0.005×Fmax(R2＝0.77)，通过此模型，可基于水中FDOM的含量快速判断饮用水预氧化混凝处理后水体毒性的变化情况，有助于对水体毒性的控制，提高水质检测效率。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。