揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機(jī)化合物是通常是表層水域的味道和氣味(T&O)事件的代表性化學(xué)物質(zhì)類別。它們是藻類和藍(lán)藻在有害藻華(HABs)期間產(chǎn)生的代謝物;它們也可以由其他類型的細(xì)菌、一些植物以及在有機(jī)物質(zhì)分解過程中產(chǎn)生的物質(zhì)。(Pepper et al. 2015)。

T&O問題不被認(rèn)為對人類健康有風(fēng)險(xiǎn)，但它們有時(shí)可以作為青藻細(xì)菌數(shù)量足以產(chǎn)生毒素事件的指標(biāo)。在許多城市都會(huì)出現(xiàn)飲用水的審美質(zhì)量問題，消費(fèi)者往往錯(cuò)誤地將T&O作為飲用水安全的衡量標(biāo)準(zhǔn)。T&O事件對供水系統(tǒng)來說可能是一個(gè)代價(jià)高昂的麻煩。T&O化合物的分析檢測可能很困難，因?yàn)樗鼈兊幕瘜W(xué)成分不同，需要不同的采樣技術(shù)和水源水管理，以及方法的主觀性(Nollet & De Gelder 2014)。

T&O事件可以在幾小時(shí)內(nèi)為供水系統(tǒng)制造一場公關(guān)噩夢，因此對于經(jīng)常出現(xiàn)問題的系統(tǒng)，主動(dòng)處理客戶投訴是非常重要的(Burlingame 1999)。適當(dāng)?shù)貙ν对V進(jìn)行分類可以改善公用事業(yè)的反應(yīng)，系統(tǒng)地對投訴進(jìn)行分組可以建立季節(jié)性水質(zhì)變化的記錄(Dietrich & Burlingame 2021年)。應(yīng)記錄客戶聯(lián)系信息，以及有關(guān)投訴、問題持續(xù)時(shí)間、發(fā)生地點(diǎn)和有助于投訴調(diào)查和確定的任何其他因素的信息(Dietrich, 2006)。積極解決T&O問題，減少投訴數(shù)量，建立消費(fèi)者的信心。

HABs是某種程度生態(tài)系統(tǒng)不平衡的標(biāo)志，是藻類和藍(lán)藻利用環(huán)境的頑強(qiáng)能力的例證。水華通常發(fā)生在富有營養(yǎng)的系統(tǒng)中，但它們很難預(yù)測，因?yàn)樗A和非水華期間的環(huán)境條件可能相似。光照、溫度、溶解氧、營養(yǎng)負(fù)荷等(Dodds & Whiles 2010)。目前還沒有針對特定類群產(chǎn)生的化合物的完整目錄，因此很難將單個(gè)T&O化合物與單個(gè)類群聯(lián)系起來。

Suffet等人(1995)根據(jù)T&O的味道、氣味和化學(xué)結(jié)構(gòu)對許多常見的T&O化合物進(jìn)行了識(shí)別和分類，然后建立在標(biāo)準(zhǔn)方法(2017)中。動(dòng)態(tài)變量使水系統(tǒng)依賴單一分析來管理T&O問題變得不切實(shí)際和無效(Buerkens等人，2020年)。主動(dòng)監(jiān)測可以節(jié)省時(shí)間和工作，同時(shí)加快對受影響客戶的恢復(fù)，增強(qiáng)可信度和系統(tǒng)可靠性(Chowdhury 2021年)。

為了面對在地表水和飲用水中檢測和減少T&O化合物的復(fù)雜性所帶來的挑戰(zhàn)，德克薩斯州威奇托瀑布市柏樹環(huán)境實(shí)驗(yàn)室(Wichita Falls Cypress City environment Laboratory)制定了一項(xiàng)監(jiān)測計(jì)劃，該計(jì)劃融合了來自其微生物和分析實(shí)驗(yàn)室的分析，同時(shí)優(yōu)化了水系統(tǒng)現(xiàn)有的處理技術(shù)(Southard et al. 2016)。為此，實(shí)驗(yàn)室使用分析方法來確定何時(shí)需要改變治理方法，以及在T&O事件平息之前將測試重點(diǎn)放在哪里。

監(jiān)控T&O問題

應(yīng)該在T&O事件期間進(jìn)行底棲和浮游藍(lán)藻的監(jiān)測，因?yàn)檫@兩類藍(lán)藻在生長和衰老過程中都會(huì)產(chǎn)生T&O化合物。然而，T&O化合物的化學(xué)成分很復(fù)雜，它們產(chǎn)生的問題可能是主觀的，這使得其檢測困難，特別是在痕量水平(Burlingame & Doty 2018)。

水中檢測的閾值水平跨越幾個(gè)數(shù)量級，取決于化合物的類型。T&O化合物被分為四種味覺類別和八種氣味類別(圖1)。該描述大致反映了化學(xué)成分，這有助于解釋為什么某些處理方法對特定氣味組更有效(Mallevaille & Suffet 1987)。定量測量總是對分析物的合理估計(jì)，但涉及到某種程度的不確定性，因此必須使用最高純度的標(biāo)準(zhǔn)來確保定量精度(Taylor 1987)。

水系統(tǒng)中最普遍和問題的化合物類別是泥土/發(fā)霉/發(fā)霉類，包括土臭素、2-甲基異龍膽醇(MIB)、吡嗪和鹵代苯甲醚。草/干草/稻草/木質(zhì)類包括酯類、醇類和芳香的異胡蘿卜素類等半化學(xué)物質(zhì)。腥臭類由醛和胺組成，它們是由具有高細(xì)胞多不飽和脂肪酸的分類植物產(chǎn)生的。在正常條件下，藍(lán)藻很少產(chǎn)生沼澤/沼澤/化糞池/硫磺類化合物，但它們是hab和其他有機(jī)物質(zhì)厭氧分解產(chǎn)生的主要成分。

圖2

生物過濾

有些水系統(tǒng)會(huì)利用水源水的微生物。每個(gè)水源都有一個(gè)獨(dú)特的群落，可以在現(xiàn)有的植物過濾器中“培養(yǎng)"，使它們在通過介質(zhì)時(shí)降解有機(jī)化合物。預(yù)氧化的組合，如AOP和生物過濾，是減少T&O化合物的有效方法。生物活性炭過濾器可將生物去除與吸附相結(jié)合。

吸附

吸附是一種高效的處理方法，通常采用粉末活性炭(PAC)或顆粒活性炭(GAC)。在處理過程的早期添加PAC，使有機(jī)化合物有時(shí)間吸附到碳顆粒上，并在凝固過程中變重時(shí)沉淀下來。PAC也常與KMnO₄一起使用。PAC用量可根據(jù)T&O濃度的波動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。

GAC通常用于代替砂和/或無煙煤過濾介質(zhì)。GAC的有效性隨著時(shí)間的推移而降低，因?yàn)榛钚晕稽c(diǎn)被吸附的有機(jī)物質(zhì)所充滿，因此媒介最終必須被替換或再生。當(dāng)水源水有機(jī)物含量較高時(shí)，GAC有效性可迅速降低。

早期預(yù)警與預(yù)防

德克薩斯州威奇托瀑布市有一個(gè)地表水系統(tǒng)，對五個(gè)水源享有法定權(quán)利，其中四個(gè)主要用于治理:箭頭湖、Kickapoo湖和坎普湖/湖泊分流系統(tǒng)。該系統(tǒng)有兩個(gè)水處理設(shè)施——cypress水處理設(shè)施，有一個(gè)先進(jìn)的和三個(gè)常規(guī)處理廠，Jasper水處理設(shè)施，有兩個(gè)常規(guī)處理廠，包括一個(gè)水分配系統(tǒng)(圖3)。該水系統(tǒng)在2016年2月和8月經(jīng)歷了兩次極端的T&O事件。2016年8月，在兩周的時(shí)間內(nèi)收到了數(shù)百個(gè)客戶投訴。為了緩解這一問題，威奇托福爾斯市的Cypress環(huán)境實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)并實(shí)施了一項(xiàng)綜合監(jiān)測計(jì)劃，使用探測儀、傳統(tǒng)氣味閾值(TON)和改進(jìn)的氣味剖面分析(FPA)、單四極GC-MS/ECD系統(tǒng)、流成像顯微鏡和qPCR (Adams等人，2018年)。對現(xiàn)有的水系統(tǒng)氧化和吸附過程進(jìn)行了評估和優(yōu)化。自該計(jì)劃實(shí)施以來，該市沒有收到任何額外的與T&O相關(guān)的客戶投訴

圖3

在過去5年里，共檢測到13次源區(qū)T&O事件，歷時(shí)19個(gè)月。其中11個(gè)事件被縮小到一個(gè)特定的藍(lán)藻分類單元。就持續(xù)時(shí)間和濃度而言，最大的事件發(fā)生在2020年2月至5月，當(dāng)時(shí)一股水藻爆發(fā)達(dá)到了> 1500鏈/毫升，土臭味素水平超過了15,000納克/升(圖4)。最近的一次爆發(fā)發(fā)生在2020年7月，實(shí)驗(yàn)室得以測試其監(jiān)測方案的各個(gè)方面，以確定有效性(圖5)。在向公眾分發(fā)水之前，每一股水藻爆發(fā)都得到了檢測和緩解。

應(yīng)對措施和工具的有效性

源湖、蓄水池和兩個(gè)水處理廠都按季節(jié)進(jìn)行監(jiān)測。較溫暖的夏季每周約有3至5天，而較寒冷的冬季每周只有1天。當(dāng)檢測到T&O事件時(shí)，必須系統(tǒng)地收集高質(zhì)量數(shù)據(jù)，以指導(dǎo)緩解。市政府的計(jì)劃是有效的，因?yàn)橛辛烁l繁的監(jiān)測，實(shí)驗(yàn)室能夠在小問題變成大問題之前發(fā)現(xiàn)并解決它們。

當(dāng)檢測到藻類事件時(shí)，會(huì)通知公用事業(yè)主管，并增加測試頻率。如果情況惡化，電力公司可以將水源轉(zhuǎn)移到?jīng)]有水華的湖泊。如果在多個(gè)湖泊中發(fā)生藻華，則在工廠增加處理，包括ClO₂作為原水的主要消毒劑，KMnO₄在植物瀉湖和澄清池中，以及PAC在澄清池混合區(qū)，在處理過程中吸附和沉淀T&O化合物。在此期間，實(shí)驗(yàn)室增加對植物或源容器的檢測和化學(xué)添加，直到花潮消退。

在藻華的初期階段進(jìn)行處理是至關(guān)重要的，因?yàn)榇笠?guī)模的藻華很難處理，而且藻類細(xì)胞中的任何化合物，如毒素和T&O，都可能大量釋放出來。斑點(diǎn)處理在很多情況下都有效，但只對達(dá)到一定大小或細(xì)胞數(shù)量的花苞有效。過度處理，比如，殺死所有的藻類和藍(lán)藻細(xì)胞就會(huì)創(chuàng)造了一個(gè)不平衡的生態(tài)系統(tǒng)，更容易受到大規(guī)模藍(lán)藻爆發(fā)。納巴藻和微囊藻是兩種遍布全球的氰基細(xì)菌，它們可以在短短幾天內(nèi)控制整個(gè)水體。目標(biāo)是通過主動(dòng)監(jiān)測在源頭實(shí)現(xiàn)控制。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，公用事業(yè)公司必須了解當(dāng)?shù)睾春退畮斓暮?，以及連接其儲(chǔ)存和運(yùn)輸系統(tǒng)組成部分的基礎(chǔ)設(shè)施(Taylor et al. 2006)。

圖4

多參數(shù)探測儀用于監(jiān)測溫度、溶解氧、pH值、葉綠素a和藻藍(lán)色素。每個(gè)月都要對每一英尺深度的湖泊進(jìn)水口進(jìn)行剖面測量，以確定是否發(fā)生了儲(chǔ)層分層。色素濃度也可以用來確定藍(lán)藻和藻類細(xì)胞數(shù)量更高的可能性。

樣品制備完成后，按照方法2150B(標(biāo)準(zhǔn)方法2017)進(jìn)行傳統(tǒng)的TON測試，以確定T&O事件的大小，而根據(jù)方法2170(標(biāo)準(zhǔn)方法2017)進(jìn)行修改的FPA，使用嗅覺檢測而不是味覺來確定存在的氣味類型。就像沒有一種分析方法可以檢測出水中所有的化學(xué)污染物一樣，沒有一種感官方法可以提供T&O問題的所有答案(Dietrich et al. 2003)。TON和FPA結(jié)果使技術(shù)人員能夠彌補(bǔ)這一差距，并選擇使用GC-MS /ECD方法來確定T&O化合物濃度。

一個(gè)半自動(dòng)化的流動(dòng)成像顯微鏡(FlowCam)被用來識(shí)別和枚舉藻類和藍(lán)藻細(xì)菌，并將它們分類為T&O生產(chǎn)者和過濾器堵塞者。知道哪些類群存在有助于阻止是否有可能發(fā)生T&O或氰化物毒素事件?；瘜W(xué)分析可以表明T&O或氰化毒素化合物是否已經(jīng)存在于水柱中，而對生物體的鑒定表明，即使化合物未被檢測到，加強(qiáng)監(jiān)測是謹(jǐn)慎的做法。

藍(lán)藻爆發(fā)的存在并不意味著生物體是有毒的或產(chǎn)生T&O化合物。然而，沒有毒素或T&O化合物并不意味著問題不緊急(Westrick & Szlag 2018)。T&O化合物可以通過使用Adam和其同事(2020)描述的GC-MS方法所選擇的離子監(jiān)測(稱為SIM)進(jìn)行檢測和定量。

由于該地區(qū)許多最成問題的藍(lán)藻都能產(chǎn)生氰化物毒素，因此qPCR(使用CyanoDTec)被用于確定藍(lán)藻和產(chǎn)生氰化物毒素的基因的存在和豐度。qPCR陽性檢測后由第三方實(shí)驗(yàn)室用液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法進(jìn)行分析確認(rèn)，這些數(shù)據(jù)與qPCR結(jié)果直接相關(guān)。

持續(xù)監(jiān)測

Cypress環(huán)境實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)監(jiān)測水源水樣的T&O化合物，以確保自來水保持無問題。在過去的幾十年里，人們對T&O化合物進(jìn)行了重要的研究，但仍存在許多問題。感官質(zhì)量和T&O的感知仍然是消費(fèi)者飲用自來水的最大障礙。通過整合生物和化學(xué)方法，Cypress環(huán)境實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)能夠主動(dòng)監(jiān)測藻類和藍(lán)藻細(xì)菌以及它們產(chǎn)生的T&O化合物和藍(lán)藻毒素。在經(jīng)歷了60多年的完全開放后，威奇托福爾斯市使用這種方法在能夠T&O問題到來之前完全解決了它們。