优化紫外/过碳酸钠氧化法控制雨水中消毒副产物生成及毒性：与紫外光解和臭氧法的比较

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Optimized UV/sodium percarbonate oxidation for controlling disinfection by-product formation and toxicity in stormwater: Comparison with UV photolysis and ozonation

　　

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  UV/SPC 选择性降解含氮消毒副产物前体，实现毒性降低 50%。
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  UV/SPC 后的生物活性炭（BAC）抛光处理使消毒副产物形成潜力（DBP-FP）的累计去除率提升至 58%，毒性去除率超过 70%。
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  基于自由基的氧化 - 生物过滤串联工艺为雨水回用提供了一种实用的双重屏障。

引言

人口快速增长、城市化加速以及气候变化引起的水文变率，持续增加了常规淡水资源的压力。因此，雨水收集作为一种补充水供的分散式策略，引起了越来越多的关注，特别是在缺水地区 [1], [2]。屋面收集的雨水在当地可获得，收集成本低，适合小规模处理和回用。然而，雨水质量受大气沉降、屋面冲刷和淋溶以及储存的影响，这些因素共同向收集的水中引入了有机物、含氮化合物和其他污染物，导致形成复杂的基质，这与常规地表水有着显著差异 [3], [4], [5]。因此，屋面收集雨水的有效处理和安全利用仍然是分散式供水系统面临的重要挑战。

消毒对于控制雨水利用过程中的微生物风险至关重要。氯消毒因其成本低、操作简单、能有效灭活病原体并具有残留消毒能力，特别适合分散式处理 [6], [7]。然而，氯可与溶解性有机物（DOM）和含氮成分反应生成具有潜在不良健康影响的消毒副产物（DBPs）。 prior studies... 卤代醛 (HALs)... 含氮消毒副产物 (N-DBPs)... 卤代乙腈 (HANs)... 卤代硝基甲烷 (HNMs)... 卤代乙酰胺 (HAcAms)... 含碳消毒副产物 (C-DBPs)... 许多含氮 DBP，包括卤代乙腈（HANs）、卤代硝基甲烷（HNMs）和卤代乙酰胺（HAcAms），表现出比通常受监管的含碳消毒副产物（C-DBPs）更强的细胞毒性和遗传毒性 [10]。尽管在雨水收集期间通常会丢弃初雨径流，但来自大气沉降、屋面冲刷和材料淋溶的大量 DOM 可能仍留在雨水中 [5], [12]。

消毒副产物的形成与 DOM 前体的组成和分子特性密切相关 [11], [13]。雨水 DOM 通常具有低芳香性、高亲水性和相对较小的分子尺寸 [3], [14]。常规水质参数，如溶解性有机碳（DOC）、紫外吸光度和比紫外吸光度，仅提供整体信息，无法充分识别导致高风险消毒副产物形成的特定 DOM 组分 [4], [15], [16]。此外，DOM 的表观去除并不一定意味着氯化风险的降低，因为部分转化可能生成更小且更易与氯反应的中间体 [17], [18]。因此，需要分子水平表征来确定处理是去除或钝化了消毒副产物前体，还是将其转化为同等或更易与氯反应的中间体 [19]。

高级氧化工艺为在氯化前控制雨水消毒副产物前体提供了一种潜在的替代方案。臭氧氧化可迅速氧化富电子和不饱和有机结构，但部分氧化可能将大分子 DOM 转化为对氯仍具有高反应性的低分子量中间体 [16], [17]。直接紫外光解操作简单，但通常对弱吸收和高亲水性 DOM 效果较差 [20], [21]。相比之下，紫外/过碳酸钠（UV/SPC）可产生能够降解含碳和含氮前体的活性自由基物种，使其对分散式雨水处理特别具有吸引力 [21], [22], [23]。然而，DOM 的表观去除或特定消毒副产物的减少并不一定对应于毒理学风险的成比例下降，因为不同的氧化工艺可能选择性转化前体组分，从而改变消毒副产物的形态分布和毒性 [24], [25]。因此，应通过将雨水 DOM 转化与随后消毒副产物的形成以及细胞毒性和遗传毒性响应联系起来，来评估直接紫外光解、臭氧氧化和 UV/SPC 的比较效果。

尽管 UV/SPC 具有潜力，但其性能强烈依赖于操作条件 [22], [26]。氧化不足可能只会重构 DOM 而无法有效去除反应性前体，而过度的处理可能在没有提供额外风险降低的情况下增加化学和能源消耗 [16], [22], [27]。 prior studies... 因子交互作用... 多响应策略... 之前的研究通常关注单个操作因子或单一响应变量，如 DOC 去除或特定消毒副产物的形成，关键操作参数之间的非线性相互作用仍知之甚少 [28]。此外，很少有研究在工艺优化过程中同时考虑消毒副产物形成、细胞毒性和遗传毒性。因此，需要一种以毒性为导向的多响应策略来确定适当的 UV/SPC 操作窗口 [29]。Box-Behnken 设计（BBD）是一种三级响应面设计，提供了一种评估因子交互作用并优化多种处理响应的方法。

在本研究中，系统研究了直接紫外光解、臭氧氧化和 UV/SPC 处理下雨水 DOM 的转化及其对随后消毒副产物形成和毒性的影响。特别关注含氮 DOM 组分，因为其对高毒性含氮消毒副产物的形成有重要贡献。本研究的目的是：(1) 表征雨水 DOM 的分子组成，并阐明其在三种氧化工艺中的差异性转化途径；(2) 建立 DOM 转化、消毒副产物形成与形态分布以及细胞毒性和遗传毒性响应之间的关系；(3) 利用 Box-Behnken 设计开发并验证一种以毒性为导向的 UV/SPC 多响应优化框架。本研究的发现为雨水来源消毒副产物前体的转化和控制提供了新的见解，并为雨水的安全消毒和分散式利用提供了科学依据。

章节摘要

化学试剂与样品

24 种代表性 CX₃R 型消毒副产物的标准品，涵盖六个类别——三卤甲烷（THMs）、卤代醛（HALs）、卤代乙腈（HANs）、卤代硝基甲烷（HNMs）、卤代乙酰胺（HAMs）和卤乙酸（HAAs），购自 Supelco 和 CanSyn Chem Corp。它们的化学式、分子量、毒性参考值、供应商和纯度见表 S1。Sigma-Aldrich（美国）提供了次氯酸钠（NaClO）、氯化铵（NH₄Cl）、磷酸二氢钾（KH₂PO₄）和磷酸氢二钾（K₂HPO₄

基本水质参数

图 1a 展示了三种工艺下雨水中常规水质指标的值。总体而言，收集的雨水表现出低浊度和低芳香性的特征，这与 prior studies... 一致 [3]。单独的紫外和 O₃ 氧化工艺对雨水中 DOC 和氨氮的去除效率一般，范围在 12% 到 15% 之间。相比之下，UV/SPC 工艺实现了 28.5% 的较高 DOC 去除效率

结论

本研究比较了直接紫外光解、臭氧氧化和 UV/SPC 在控制雨水消毒副产物前体方面的效果，并建立了一种优化的 UV/SPC–BAC 串联工艺。主要发现如下：

• (1)
  来自大气沉降和屋面冲刷的雨水 DOM 主要由低芳香性、低分子量、富氮成分占主导，含氮化学式（CHON、CHONS）占已鉴定分子总数的 58.1%——明显高于常规地表水（38.7 ±

CRediT 作者贡献声明

Yiran Jia: 资源，方法论。 Dan Xu: 调查，数据整理。 Yonglei Wang: 项目管理，资金获取。 Zhenqi Du: 写作 - 审阅与编辑，资金获取，数据整理。 Naiyuan Liu: 写作 - 审阅与编辑，写作 - 原稿，形式分析。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些情况可能被认为影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金委（No. 52500007）；中国博士后科学基金（No. 2025M781201）；山东省自然科学基金（No. ZR2025QC1147）；水污染控制与绿色资源循环国家重点实验室，(NO. PCRRF26003); 山东省科技攀登计划青年人才。

Naiyuan Liu|Yiran Jia|Dan Xu|Yonglei Wang|Zhenqi Du