揭示沉积污泥回用水过程中溶解有机物的转化与消毒副产物的细胞毒性之间的分子联系

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Revealing molecular links between the transformation of dissolved organic matter and calculated cytotoxicity of disinfection by-products during sedimentation sludge water reuse

　　

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  并行全规模处理实验揭示了在重复使用污泥水（SSW）过程中DOM（溶解有机物质）的分子变化。
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  哈尔酸（HANs）和羟基胺酸（HAMs）占计算出的DBP（溴化物和醛类化合物）细胞毒性指数的98.6–99.0%。
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  污泥水的重复使用与凝聚-沉淀过程中木质素类信号的更大损失相吻合。
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  在滤砂过程中，类脂质和类蛋白质的分子信号增加。
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  -CH和±CHO是DOM转化的主要连接基团。

引言

作为饮用水处理厂（DWTPs）的关键单元，沉淀池会产生一种副产品——沉淀污泥水（SSW），在运行过程中，SSW占处理 water 体积的约1–5% [35], [36]。尽管SSW含有大量的沉淀无机颗粒，但它也富含溶解有机物质（DOM）。几十年来，大多数DWTPs直接将SSW排放到污水管道中，这不仅会导致管道堵塞，还会导致河流或水库淤积，污染水生生态系统并浪费宝贵的水资源 [6]。近年来，为了应对“净零排放”和“减少污染和碳中和”的要求，许多DWTPs，特别是缺乏先进处理技术的小型和中型设施，开始考虑在处理过程初期重新利用SSW或其上清液。然而，SSW中高浓度的DOM是消毒副产物（DBPs）的前体，其直接再利用可能会增加后续过程中的DBP形成潜力（DBPFP），从而引发对最终水质安全性的广泛担忧 [37], [63], [65]。

DOM在水处理过程中带来了多重挑战，包括增加混凝剂和消毒剂的用量、导致过滤器堵塞、引起感官问题（颜色、气味、味道），以及作为微生物载体影响分配系统的生物稳定性 [55]。现有研究表明，SSW中的DOM浓度更高，成分更复杂。SSW中的溶解有机碳（DOC）和溶解有机氮（DON）浓度分别是反冲洗水的2.1倍和1.8倍，而其DBPFP则是反冲洗水的1.1–2.2倍，源水的1.5–2.2倍 [18], [38]。我们之前的研究发现，SSW中的DOM荧光强度和分子强度比源水高1.2–2.8倍，约54.3%的分子在源水中未被检测到 [49]。此外，SSW还富含富里酸、类蛋白质荧光成分、含杂原子的脂质（如N、S）、高度不饱和的酚类化合物和芳香结构，DOM分子往往氧含量较低、不饱和度较高且芳香性更强 [4]。最新研究还表明，直接重复使用SSW会显著增加凝聚-沉淀过程出水中的DBPFP和计算出的细胞毒性 [50]。然而，这些独特的分子特性如何与SSW再利用过程中的DOM转化相关，以及不同的DOM分子组分（如木质素类、单宁类和类蛋白质物质）如何与计算出的DBP细胞毒性相关联，目前尚不清楚。这一知识空白成为评估和管理SSW再利用安全性的主要障碍。

含氮DBPs（N-DBPs），包括卤代丙酮腈（HANs）和卤代乙酰胺（HAMs），值得关注，因为某些物种的细胞毒性比常见的碳基DBPs（C-DBPs），如三卤甲烷（THMs）和卤代乙酸（HAAs）更强（Wagner和Plewa，2017）。先前的研究已在SSW中发现了HAN和HAM的前体，表明它们对于评估SSW的再利用具有重要意义 [38]。因此，本研究将这两类物质与THMs和HAAs一同纳入研究。为了考虑形成和毒性效应的差异，计算出的细胞毒性指数（CTI）是通过将各个DBP的摩尔浓度与其对应的CHO细胞半数致死浓度（LC₅₀）比值相加得出的，假设浓度具有加性 [21]。

明确处理过程中DOM的转化模式对于风险管理至关重要，但这依赖于对其分子组成和行为的深入分析。长期以来，DOM的监测主要依赖传统的水质指标，如254纳米处的紫外吸收（UV₂₅₄）和DOC。然而，这些参数的变化不足以全面描述DOM的复杂组成。三维激发-发射矩阵（3D-EEM）荧光光谱技术已成功用于研究荧光DOM的数量和质量，并能追踪和预测其变化 [29], [30]。近年来，傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）已成为表征DOM分子组成的强大工具。凭借其极高的质量精度（< 0.2 ppm）和解析详细元素组成的能力，该技术能够高精度地表征DOM分子及其相关性质 [28], [40]。FT-ICR MS检测到的数千种分子式中，基于元素（C、H、O、N、S）的化学计量关系的分子性质参数（如双键当量（DBE）、修正芳香指数（AI_mod）、肯德里克质量缺陷（KMD）和碳的名义氧化态（NOSC）被广泛用于表征DOM的分子性质和潜在结构特征 [53]。此外，修正的van Krevelen图可以直观地显示分子式在各个组成区域中的分布和潜在的分子关联 [20], [34]。通过比较分子式指纹（产生的、去除的、耐受的）数据集，可以探索潜在的转化途径和前体-产物关系，揭示特定转化过程中DOM的动态变化 [39], [57]。然而，据我们所知，目前尚无研究探讨SSW再利用对特定DOM分子类转化途径的影响。

鉴于传统的处理工艺（即凝聚-沉淀-过滤）是全球最广泛使用的水处理技术，它们的DOM去除效率远低于先进工艺 [33]。SSW再利用带来的水质负荷增加可能尤为显著。因此，我们选择了一个采用传统处理工艺的全规模DWTP作为研究地点，并使用3D-EEM和FT-ICR MS来实现以下研究目标：（1）研究有无SSW再利用时DOM分子的变化；（2）探讨DOM分子类与计算出的DBP细胞毒性之间的关联；（3）探索与计算出的DBP细胞毒性相关的DOM组分的潜在转化途径。这项全规模案例研究阐明了DOM分子的变化及其与计算出的DBP细胞毒性的关联，旨在为SSW的安全再利用和工艺优化提供新的科学依据。

章节片段

水样和处理方法

本研究在中国江西省南昌市的一家饮用水处理厂进行，该厂以赣江为水源（SW）。该厂采用传统处理工艺，设计处理能力为20×103立方米/天。关键工艺参数如下：在旋转絮凝池中进行凝聚，使用的混凝剂是聚铝 chloride（PACl），剂量为15.0毫克/升，反应时间约为22分钟；随后进行沉淀。

原水和处理后水中DOM的分子特性及其变化

图2显示了所有样本中DOM荧光组分、分子类和分子式的丰度分布及相对于SW的变化。关于荧光组分（图2a，S1），原水（SW和RW）及整个处理过程中的荧光DOM主要由富里酸、腐殖酸、色氨酸类蛋白质和酪氨酸类蛋白质组成（合计占93.7–95.6%）。在分子类层面（图2b），

结论

这项全规模案例研究使用3D-EEM和FT-ICR MS系统地追踪了SSW再利用对饮用水处理过程性能和DOM转化的影响。结果初步证明了在所研究条件下SSW再利用的可行性，并突出了与计算出的DBP细胞毒性相关的DOM组分及其潜在的分子转化途径。主要结论如下：

(1)

与SW相比，RW（处理后的水）

[26]

Liwen Jiang： 撰写 – 审阅与编辑，资金获取。Guizhen Feng： 资源管理，项目协调。Wei Liu： 验证，数据管理。Mi Deng： 软件开发，形式分析。Caixia Kang： 监督，方法学指导。Ming Sun： 资源协调，调查。Shihao Zhang： 撰写 – 初稿，验证。Yuan Zhou： 撰写 – 初稿，调查，数据管理。Huoqing Xiao： 可视化。Zhengong Tong： 撰写 – 审阅与编辑，方法学指导，资金获取。Ya Wang： 撰写

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52060006和52560002）和江西省科学技术教育协会研究生项目（项目编号2025KXTYS296和2025KXJYS011）的支持。

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