新型污染物在水環(huán)境中的行為及去除機(jī)制研究

摘要：深入探討新型污染物在水環(huán)境中的分布、遷移和轉(zhuǎn)化行為，并系統(tǒng)分析其物理、化學(xué)和生物去除機(jī)制。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，評估了沉淀、過濾、氧化還原反應(yīng)、微生物降解等多種技術(shù)的效果和適用性。研究結(jié)果表明，不同去除方法各有優(yōu)勢，組合應(yīng)用可有效提升污染物去除效率。研究內(nèi)容為水環(huán)境污染控制提供科學(xué)依據(jù)，并為未來相關(guān)技術(shù)的發(fā)展指明方向。

關(guān)鍵詞：新型污染物；水環(huán)境；行為分析；去除機(jī)制；試驗(yàn)驗(yàn)證

中圖分類號：X505 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）12-00-0319

Study on the Behavior and Removal Mechanism of Emerging Pollutants in Water Environment

XU Longlong

（Huashe Design Group Co.， Ltd.， Nanjing 210001， China）

Abstract： In depth exploration of the distribution， migration， and transformation behavior of new pollutants in water environments， and systematic analysis of their physical， chemical， and biological removal mechanisms. Through experimental verification， the effectiveness and applicability of various technologies such as precipitation， filtration， redox reactions， and microbial degradation have been evaluated. The research results indicate that different removal methods have their own advantages， and combined application can effectively improve the efficiency of pollutant removal. The research provides scientific basis for water pollution control and points out the direction for the development of related technologies in the future.

Keywords： emerging pollutants; water environment; behavior analysis; removal mechanism; test verification

隨著工業(yè)化和城市化的快速推進(jìn)，新型污染物如藥物殘留、個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品及其代謝物等不斷進(jìn)入水環(huán)境，對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成潛在威脅[1]。這些污染物通常具有持久性、生物累積性和毒性等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的水處理技術(shù)難以有效去除。因此，深入研究新型污染物在水環(huán)境中的行為及去除機(jī)制，對于保障水資源安全和生態(tài)環(huán)境健康具有重要意義[2]。研究旨在通過綜合分析新型污染物的分布、遷移和轉(zhuǎn)化行為，探討其物理、化學(xué)和生物去除機(jī)制[3]，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證評估不同去除技術(shù)的效果和適用性，為水環(huán)境污染控制提供科學(xué)依據(jù)。

1 新型污染物在水環(huán)境中的行為分析

1.1 污染物在水中的分布特征

新型污染物在水體中的分布特征受多種因素影響，如化學(xué)性質(zhì)、環(huán)境條件以及水文動態(tài)[4]。首先，這些污染物的溶解度、極性、分子大小和電荷等化學(xué)性質(zhì)決定了其在水中的溶解性和穩(wěn)定性。例如，疏水性較強(qiáng)的污染物傾向于吸附在懸浮顆粒物上，而親水性污染物則更易溶解在水中。其次，環(huán)境條件如pH值、溫度和有機(jī)質(zhì)含量也顯著影響污染物的分布。酸性或堿性環(huán)境可能導(dǎo)致污染物的離子化狀態(tài)改變，進(jìn)而影響其溶解度和遷移能力。最后，水體的流動速度、混合程度和季節(jié)變化等水文動態(tài)會對污染物的擴(kuò)散和積累產(chǎn)生影響。了解這些分布特征有助于預(yù)測污染物的環(huán)境行為和評估其生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 污染物的遷移與轉(zhuǎn)化過程

新型污染物在水環(huán)境中的遷移路徑和轉(zhuǎn)化機(jī)理是理解其環(huán)境行為的關(guān)鍵。這些污染物通過地表徑流、地下滲透以及大氣沉降等多種途徑進(jìn)入水體[5]。一旦進(jìn)入水環(huán)境，它們可能會通過吸附和解吸作用，在固體顆粒物和溶解相之間遷移。此外，光解、水解及微生物降解等化學(xué)和生物過程也會促使污染物發(fā)生轉(zhuǎn)化。例如，某些有機(jī)污染物在陽光照射下會發(fā)生光解反應(yīng)，而一些重金屬污染物則通過絡(luò)合或沉淀作用被轉(zhuǎn)化為不同形態(tài)。了解這些遷移和轉(zhuǎn)化過程有利于評估污染物的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和制定有效的污染控制策略。

2 新型污染物的去除機(jī)制

2.1 物理去除方法

物理方法其簡便和低成本而廣泛應(yīng)用于新型污染物去除。沉淀法通過重力使污染物沉降，調(diào)節(jié)pH值或添加絮凝劑可增強(qiáng)效果。過濾法利用物理屏障截留懸浮顆粒和部分溶解性污染物，適用于大粒徑顆粒物。吸附法則通過高比表面積的吸附劑捕獲有機(jī)污染物和重金屬離子。盡管物理方法處理效率有限，但它們能顯著減少預(yù)處理階段污染物負(fù)荷，為后續(xù)化學(xué)或生物處理創(chuàng)造條件。因此，物理方法常與其他技術(shù)聯(lián)合使用，以實(shí)現(xiàn)更全面的水處理效果。

2.2 化學(xué)去除方法

氧化還原反應(yīng)的氧化劑或還原劑使污染物發(fā)生電子轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。常用氧化劑，如臭氧、高錳酸鉀以及過氧化氫能有效降解有機(jī)污染物，光催化氧化利用紫外光和催化劑產(chǎn)生自由基進(jìn)一步分解污染物。中和反應(yīng)通過調(diào)節(jié)pH值將酸性或堿性污染物進(jìn)行沉淀去除，特別適用于處理重金屬污染。其他化學(xué)方法如絮凝法和吸附法也廣泛用于去除懸浮物和溶解性污染物。盡管化學(xué)方法在新型污染物去除方面效果顯著，但其具有局限性如有害副產(chǎn)物和操作條件，通常需結(jié)合物理和生物方法綜合應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)最佳處理效果并保護(hù)水資源和生態(tài)環(huán)境安全。

2.3 生物去除方法

微生物降解利用細(xì)菌、真菌和酵母菌等微生物的代謝活動分解有機(jī)污染物，具有低能耗和環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)，但受多種因素影響，需精確控制操作條件。植物通過根系吸收土壤或水體中積累污染物，適用于去除重金屬離子和某些有機(jī)污染物，同時(shí)改善生態(tài)環(huán)境，但效率受植物種類和生長條件限制。生物修復(fù)技術(shù)綜合應(yīng)用微生物降解和植物吸收方法，加速污染物去除，成本較低且對環(huán)境影響小，特別適用于大面積或低濃度污染治理，但效果受環(huán)境條件限制。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)方法

3.1.1 物理去除方法

本研究采用的物理去除方法為沉淀法。首先，將含有新型污染物的水樣置于燒杯，逐步加入絮凝劑（聚合氯化鋁）并攪拌混合；其次，調(diào)整水樣的pH值至適宜范圍，以促進(jìn)絮凝反應(yīng)；再次，靜置一段時(shí)間，待絮凝物完全沉降后，通過傾析法分離上清液和沉淀物；最后，收集并分析上清液中的污染物濃度變化。沉淀法試驗(yàn)過程如圖1所示。

3.1.2 化學(xué)去除方法

本研究采用氧化還原反應(yīng)作為主要的化學(xué)去除方法。首先，配制一系列不同濃度的新型污染物標(biāo)準(zhǔn)溶液；其次，向每個(gè)溶液中分別加入適量的氧化劑（高錳酸鉀）并混合均勻；再次，將混合溶液在室溫下進(jìn)行暗反應(yīng)；最后，在不同時(shí)間點(diǎn)取樣，測定溶液中污染物的濃度變化，記錄數(shù)據(jù)并分析氧化劑對污染物降解效果的影響。氧化還原反應(yīng)試驗(yàn)過程如圖2所示。

3.1.3 生物去除方法

本研究采用微生物降解作為生物去除的主要方法。首先，篩選出能夠有效降解目標(biāo)污染物的微生物菌株并進(jìn)行培養(yǎng)擴(kuò)增；將培養(yǎng)好的微生物接種在含有新型污染物的水樣中；其次，設(shè)置恒溫振蕩器控制微生物降解過程的溫度和氧氣供應(yīng)條件；再次，定期取樣分析水樣中污染物的濃度變化以及微生物的生長情況；最后，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)評價(jià)微生物降解的效率及其受環(huán)境因素的影響程度。微生物降解試驗(yàn)過程如圖3所示。

3.2 結(jié)果與討論

3.2.1 物理去除方法結(jié)果

通過調(diào)節(jié)溶液的pH值并添加絮凝劑（聚合氯化鋁），觀察到新型污染物的有效沉降。物理去除試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1試驗(yàn)結(jié)果顯示，在適宜的pH范圍內(nèi)，絮凝效率顯著提高，上清液中污染物的濃度明顯降低。這表明沉淀法在去除顆粒較大或密度較高的污染物方面具有較好的效果。然而，對于溶解性較強(qiáng)的污染物，單獨(dú)使用沉淀法可能無法完全去除，需要與其他技術(shù)聯(lián)合使用，以實(shí)現(xiàn)更全面的水處理效果。

3.2.2 化學(xué)去除方法的結(jié)果

通過添加強(qiáng)氧化劑（高錳酸鉀）來降解有機(jī)污染物。化學(xué)去除試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2試驗(yàn)結(jié)果表明，這種氧化劑能有效降解新型污染物，將其分解為無害的小分子物質(zhì)。

3.2.3 生物去除方法的結(jié)果

篩選出能夠有效降解目標(biāo)污染物的微生物菌株并進(jìn)行培養(yǎng)擴(kuò)增，然后將這些微生物接種在到含有新型污染物的水樣中。生物去除試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3試驗(yàn)結(jié)果顯示，微生物能夠顯著降低水樣中污染物的濃度，并且其降解效率受pH值等環(huán)境因素的影響。

3.2.4 綜合分析

研究發(fā)現(xiàn)，物理、化學(xué)和生物去除方法各有優(yōu)勢與局限性。物理方法操作簡便，但無法完全去除溶解性強(qiáng)的污染物；化學(xué)方法效率高，但可能產(chǎn)生有害副產(chǎn)物；生物方法環(huán)境友好，但受環(huán)境條件限制較大。組合應(yīng)用多種技術(shù)可能是最有效的策略。應(yīng)探索不同方法的組合應(yīng)用，優(yōu)化操作條件，以提高污染物去除效率和經(jīng)濟(jì)性。

4 結(jié)論

主要探討新型污染物在水環(huán)境中的行為及去除技術(shù)效果。沉淀法適用于大顆粒或高密度污染物，溶解性強(qiáng)的需聯(lián)合使用其他技術(shù)。氧化還原反應(yīng)高效降解有機(jī)物，微生物降解環(huán)保但受限于環(huán)境條件。組合多種技術(shù)可能是最佳策略。未來，研究方向應(yīng)優(yōu)化組合技術(shù)、開發(fā)新監(jiān)測方法、深入環(huán)境影響評估，并制定科學(xué)政策標(biāo)準(zhǔn)，以保障水資源安全和生態(tài)環(huán)境健康。

參考文獻(xiàn)

1 高 歌，張文晴，魏歆倪，等.新型優(yōu)先管控污染物篩選研究進(jìn)展[J/OL].中國環(huán)境科學(xué)，1-14[2024-09-15].https：//doi.org/10.19674/j.cnki.issn1000-6923.20240618.001.

2 許 婧，余 麗，李衛(wèi)華，等.水環(huán)境中新污染物研究進(jìn)展[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2023（2）：65-70.

3 李俊飛，葉權(quán)運(yùn)，王亞西，等.水環(huán)境中納米塑料的行為及其生態(tài)毒性研究進(jìn)展[J].生態(tài)毒理學(xué)報(bào)，2024（5）：173-188.

4 張靖晗.PA微塑料對水環(huán)境中典型污染物的吸附行為研究[D].武漢：武漢輕工大學(xué)，2022.

5 許佰樂.土水環(huán)境中微塑料對有機(jī)污染物的吸附行為及機(jī)理[D].杭州：浙江大學(xué)，2020.

作者簡介：徐龍龍（1988—），男，江蘇鹽城人，碩士，工程師。研究方向：水環(huán)境治理、海綿城市、雨污分流和截流系統(tǒng)設(shè)計(jì)。