基于吸附-消毒过程的复合污染水质净化与毒性控制技术原理

Drinking water safety is a matter vital to people’s livelihood. The drinking water source in China is faced with complicated pollution situation, containing relatively highly-concentrated natural organic matter (NOM) and numerous organic micropollutants (OMPs) simultaneously. The characteristic of this combined pollution raises higher requirements for the purification of drinking water. Magnetic ion exchange is a recently-developed advanced purification technology for drinking water treatment, represented by MIEX® resin developed by Orica, Australia, which has been widely applied in the USA and European countries. However, current magnetic resin techniques can not remove NOM and OMPs simultaneously. Based on this background, taking the production of disinfection byproducts and the reduction of toxicity as main line, centering on the three levels of “process- form- effect”, this research targets at the pollution status of the coexistence of NOM and OMPs in the drinking water source. By investigating the form and toxicity transformation mechanism of the combined pollutants during adsorption and disinfection processes, this research aims at developing novel resins for efficient removal of both NOM and OMPs and illustrating the mechanism behind the elimination process of the combined pollution..This research will establish novel water purification technology and mechanism based on toxicity control and novel resin adsorption, and provide theoretical and technical support for drinking water purification.

饮用水安全保障是关系国计民生的重要大事。我国饮用水水源水污染现状复杂，同时含有较高浓度的天然有机质（NOM）以及大量的人工合成微污染有机物（OMPs），其复合污染特征对水质净化过程提出了更高要求。磁性树脂技术是近年发展起来的一种饮用水深度净化工艺，以澳大利亚的ORICA®公司为代表，其研发的MIEX®树脂已在美国、欧洲等国家得以广泛应用。然而，现有的磁性树脂技术均无法同时有效去除NOM与OMPs。本研究正是基于这一背景，以消毒副产物产生及毒性削减为主线，围绕“过程-形态-效应”三个层面，针对目前饮用水源水中NOM与OMPs两类物质共存的复合污染现状，通过研究吸附与消毒两个工艺过程中复合污染物的形态与毒性转化机制，指导研制出可同时高效去除两类物质的新型树脂，阐明复合污染去除过程中的作用机制，建立基于毒理效应控制、以新型树脂吸附为核心的水质净化技术原理，为饮用水安全保障提供理论依据与技术支撑。

该项目针对我国饮用水水源水中天然有机质（NOM）和人工合成微污染有机物（OMPs）的复合污染特征，围绕吸附与消毒两大工艺过程，通过对消毒过程、污染物形态与毒性效应之间关系的深入研究，初步探索了基于毒理效应控制、以新型树脂吸附为核心的水质净化技术原理。针对消毒过程中消毒副产物的识别及其毒性的评价，建立了以超效液相色谱/电喷雾三重四级杆质谱（UPLC/ESI-tqMS）为核心的系列检测方法，以及基于转录组、代谢组与宏基因组的多组学毒性评估手段。在此基础上，选择典型OMPs，研究了其在不同消毒工艺（氯化消毒、紫外消毒以及紫外/氯）消毒过程中的形态与毒性转化机制，并且发现部分OMPs在消毒后毒性反而增加，相关结论为前段吸附工艺的进一步优化指明了方向。进而通过合成配方的优化，制备出不同磁含量的系列磁性新型树脂材料与兼具阴离子交换树脂和超高交联树脂特性的磁性胺基修饰超高交联树脂，深入研究了新型磁性树脂吸附剂对OMPs的吸附行为及机制，阐明了NOM的存在对典型OMPs的吸附作用影响与机理。结合基于遗传毒性、内分泌干扰毒性、肝肾毒性的体内外生态毒性分析，初步解释了树脂吸附-消毒工艺处理对复合有机污染条件下的毒性削减效果及机制。研究工作较好地完成了预定目标，研究成果在Environ. Sci. Technol.、Water Res.等国内外高水平刊物上发表第一/通讯作者论文10篇，共同作者论文5篇；申请国家发明专利8项、美国发明专利1项，获授权国家发明专利5项、美国发明专利1项；一项专利完成技术转让，转让金额20万元；指导硕士研究生12人，已毕业8人。