人工回灌条件下DBPs的形成机制及其耦合胶体效应影响下的迁移转化归宿

DBPs are ubiquitous in recharge water and it should not be ignored. In addition, DBPs have become one of the indicators that affect groundwater environmental quality. However, the implementation of groundwater recharging projects not only affects the formation mechanism of DBPs, colloids lead by recharge also has a crucial role in promoting the migration and transformation of DBPs. Based on the column experiment, ultrafiltration separation, phase state characterization, laser particle size analysis, Zeta potential test, numerical simulation and so on, the effect on DBPs formation rate and potential that considering Hydrodynamic condition (Recharge mode/Recharge rate), Hydrochemical conditions (relative concentration of precursor/ionic strength /pH/ hydro chemical type) and porous media characteristics (media type/saturated state) will be well investigated. On the other hand, the synergistic mechanism of typical colloid (inorganic colloid/organic colloid) and representative components of DBPs under different recharge condition will be discussed, as well as simulation of the range and extent of DBPs contamination in groundwater recharge will be revealed. All of that would provide scientific basis for ensuring the quality and safety of groundwater environment.

消毒剂副产物DBPs在回灌水源中普遍存在，已成为影响地下水环境质量不容忽视的指标之一。然而，回灌工程的实施不仅影响了DBPs的形成机制，此过程中所产生的胶体效应对DBPs的迁移转化过程也起到推动作用。本次研究拟采用砂柱实验、切向流超滤分离、相态表征、激光粒度分析、Zeta电位测试、数值模拟等手段，研究回灌条件下DBPs的形成机制及其影响因素，分析回灌过程中水动力条件(回灌模式/回灌速率)、水化学条件(前驱物相对浓度水平/离子强度/pH/水化学类型)、多孔介质特征(介质类型/饱水状态)对DBPs形成速率、形成潜力的影响，探讨回灌条件下地下水中天然胶体(无机胶体/有机胶体)与DBPs的协同作用机制，模拟预测回灌过程中DBPs在多孔介质中的影响范围和影响程度，为保障回灌条件下地下水环境质量安全提供科学依据。

本次研究综合运用砂柱实验、切向流超滤分离技术、相态表征、激光粒度分析、Zeta点位测试、数值模拟等手段，主要开展了回灌过程中水化学条件、水动力学条件、天然胶体对典型DBPs的形成和迁移的影响研究，查明了DBPs在多孔介质中迁移转化机制及DBPs-典型胶体间的协同作用模式。针对DBPs在多孔介质中的迁移转化过程，模拟分析了回灌条件下回灌水源中消毒剂的投放阈值。研究结果表明，CHCl3 生成量随着反应时间的延长逐渐增大后趋于稳定，生成速率呈先增大后减小至不再形成CHCl3 的趋势，SiO2 胶体的存在使各时刻CHCl3 生成作用均受到抑制，反应初期快速反应阶段生成速率受胶体影响更大；无胶体条件下随着pH 的升高，CHCl3 生成量逐渐增大，但SiO2 胶体存在条件下，pH>7 时CHCl3 生成量呈下降趋势；SiO2 胶体使金属阳离子对CHCl3 的生成作用抑制能力增强，这是由于金属离子带有较高的表面电荷，在SiO2 胶体具有改性作用影响下对芳香性有机物吸附能力增强，降低了CHCl3 的生成量。利用切向流超滤装置对有、无胶体条件下达到稳定生成量的实验溶液进行粒径分级，发现在有胶体存在的溶液中，粒径>100nm的CHCl3浓度由无胶体的9.72%增加到37.33%。介质类型和水动力条件也会影响CHCl3的生成和迁移，介质类型对CHCl3影响主要与介质比表面积、孔隙度和表面有机质含量有关，介质的高比表面积、高有机质含量使得介质的吸附能力增强，CHCl3沉积到介质表面迁移能力减弱；随着流速的增加，流出液中CHCl3浓度增大，介质对CHCl3的吸附量降低。胶体存在条件下由原含水介质-CHCl3吸附系统改为含水介质-SiO2胶体-CHCl3吸附系统，吸附作用增强，CHCl3 的阻滞系数Rf和自然衰减速率常数k增大，CHCl3的生物降解速率增大。根据数值模型和解析模型预测结果表明，胶体的存在一方面抑制了CHCl3在地下水中的二次形成作用，另一方面自然衰减速率增大，抑制CHCl3在地下水中的迁移，根据水文地质条件及我国《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2022）提出了回灌水源的有效氯浓度阈值，可为人工回灌的安全开展及保障回灌条件下地下水环境质量安全提供相应的科学理论和依据。