AEX-MA与GAC对受控THMs及新型sDBPs前体的去除：DOM分子选择性、前体解耦与溴化风险

《Water Research》：Assessment of ion-exchange membrane adsorber and granular activated carbon for precursors removal of regulated THMs and novel sulfonated DBPs

　　

原文未提供独立摘要，以下依据Highlights作摘要性翻译：阴离子交换膜吸附器（AEX-MA）优先去除高分子量（high-MW）阴离子腐殖质。颗粒活性炭（GAC）对低分子量（low-MW）、非极性天然有机质（NOM）的去除优于AEX-MA。由于NOM前体不同，磺酸化消毒副产物（sDBPs）与三卤甲烷（THMs）独立形成。通过总体NOM去除，THMs与sDBPs前体以相似水平被去除。AEX与GAC处理可能足以实现sDBP控制。

Jon Wullenweber等发表于《Water Research》的论文围绕饮用水消毒副产物（DBPs）控制中“受控THMs与新型sDBPs前体是否可被同类NOM去除策略同步控制”这一关键问题展开。研究背景在于，氯消毒虽保障微生物安全，但会形成大量DBPs；目前受控指标主要包括THM4、卤乙酸（HAAs）及部分无机副产物，而新型sDBPs因含磺酸基、极性和阴离子性强，长期被常规气相色谱-质谱（GC-MS）和反相液相色谱-质谱（RPLC-MS）遗漏。已有研究表明，sDBPs与THMs可能由不同NOM前体形成，THM导向的NOM去除策略未必同步控制sDBPs；因此，需要评估不同NOM去除工艺对受控THMs和新型sDBPs前体的去除效果及其分子选择性。

关键技术方法如下：研究选取三种化学组成不同的水基质，包括德国北部某饮用水处理厂地下水（GW）、西班牙Ebro河地表水（SW）以及德国黑森林Hohlohsee沼泽湖水（HSNOM，由Engler-Bunte-Institut KIT提供）。以AEX-MA死端过滤和GAC批式吸附处理，比较溶解性有机碳（DOC）、UV254、液相色谱-有机碳检测（LC-OCD）、激发-发射矩阵荧光（EEM）及液相色谱-傅里叶变换离子回旋共振质谱（LC-FT-ICR-MS）分子表征；采用7天氯化测DBP形成潜能（FP），GC-MS测THM4，超临界流体色谱-串联质谱（SFC-MS/MS）定量二氯甲磺酸（Cl₂MSA）与二溴甲磺酸（Br₂MSA），SFC-四极杆飞行时间质谱（SFC-QTOF-MS）半定量其他sDBPs；以离子色谱测溴离子（Br^?）并计算溴取代因子（BSF）。

3.1 未处理水样组成：通过LC-OCD、荧光及LC-FT-ICR-MS表征，三种水基质DOM组成明显不同。HSNOM腐殖质丰度和表观分子量最高；GW腐殖质含量和分子量居中，含硫分子式（MFs）比例最高；SW腐殖质最低，低分子量酸和中性组分较高，含氮MFs更丰富。该结果说明三种水提供对比鲜明的分子前体，可用于评估处理与后续DBP形成。

3.2 AEX-MA与GAC处理：通过比较DOC、UV254、LC-OCD和LC-FT-ICR-MS处理前后变化，AEX-MA对HSNOM的DOC去除率达85%，高于GAC的43%；GAC对SW去除率为61%，高于AEX-MA的32%；GW两种处理相近，为64–68%。AEX-MA优先去除高MW、芳香性和极性较强的阴离子腐殖质，GAC更有效去除低极性、低MW组分，并在分子层面优先去除较高MW化合物；GAC处理对C饱和度改变较小但提高剩余DOM的O/C比，AEX-MA则降低芳香性并偏向去除富氧芳香组分。两种处理对Br^?去除均很有限，电导率降低可忽略。

3.3 未处理水基质中的DBP形成：通过7天氯化测FP，HSNOM的THM4-FP/C最高（186 ± 7 μg/mg C），氯仿占97%；GW和SW的THM4-FP/C较低，分别为89.6 ± 2.4和78.8 ± 12.8 μg/mg C。与THMs不同，sDBP形成与腐殖质含量或氯需求无直接关系；GW的HMSA-FP/C最高（11.3 μg/mg C），HSNOM最低（4.6 μg/mg C）。半定量结果显示GW的sDBPs总峰强度最高，HMSAs和HANSAs为主要类别。研究表明THM与sDBP形成解耦，sDBP形成更受含硫前体可用性控制，而非总体腐殖质丰度。

3.4 NOM去除后的DBP形成：通过处理后再氯化，THM4和二卤代HMSA的FP降低与总体DOC去除密切相关。HSNOM经AEX-MA处理后THM4-FP和HMSA-FP分别降低92%和93%。尽管AEX-MA与GAC靶向不同DOM组分，二者对THM和sDBP前体的去除未表现明显选择性；半定量sDBPs降低顺序为卤乙醛磺酸（HAcAlSAs）>卤乙酰胺磺酸（HAcAmSAs）>卤乙腈磺酸（HANSAs）>HMSAs>THMs。DOC和UV254去除可作为预测THM与sDBP形成降低的实用指标。

3.5 溴化DBPs：通过比较处理前后各DBP物种FP相对变化和BSF，氯化THMs和sDBPs总体下降，但溴化物种相对增加。CHCl₃中位相对FP降低4.4倍，CHBrCl₂降低1.4倍；CHBr₂Cl和CHBr₃分别增加1.4倍和5.4倍。sDBPs中二溴物种中位FP增加2.1倍。原因在于两种处理对Br^?去除有限，DOC去除后Br^?:DOC升高，促进溴掺入。尽管溴化DBP相对增加，氯化DBP绝对降低量更大，总DBP仍显著降低；但溴化DBPs通常遗传毒性更高，若不同时去除Br^?，NOM去除可能提高出水总遗传毒性效应。

讨论部分表明，处理效果主要受原水DOM特征控制；AEX-MA与GAC虽去除不同DOM组分，但总体DOC去除可同时降低THM与sDBP前体。含硫DOM未因AEX-MA的极性/阴离子选择性而被优先去除，sDBP前体去除大体随总体DOC去除。研究提示应关注溴化物和阴离子平衡监测；AEX-MA全规模应用受再生化学品需求限制，电化学再生被提出以克服该限制。

研究结论翻译：AEX-MA可有效去除三种不同水基质中的DOM，尤其对高MW、阴离子腐殖质具有亲和性；GAC对DOM组分的去除范围更广，包括较低极性和较低MW化合物。尽管AEX-MA与GAC的DOM选择性不同，总体DOC去除与受控THMs和新型sDBPs形成降低密切相关；虽然未处理水中THM形成与sDBP形成不相关，表明二者前体不同，但总体DOC去除可同时降低THM与sDBP形成。DOC与UV254去除表现出作为预测THM与sDBP形成降低的实用指标的潜力。AEX-MA与GAC对溴化物去除有限，DOC去除后Br^?:DOC升高，导致THMs和sDBPs中溴化DBP形成增加。