径流雨水中溶解性有机质特征演化及其对典型污染物迁移和生物有效性影响研究

The present research on Urban Low Impact Development Systems (LID) mainly focuses on the removal of traditional pollutants, such as SS, COD, N, and P. However, the structural transformation of dissolved organic matter (DOM) in the LIDSs, especially the influence mechanism of DOM component variations on the migration and bioavailability of typical pollutants, such as heavy metal ions and organic pollutants, is still unclear. In this research, the molecular structure, functional group, and electron-donating ability of DOM in runoff will be analyzed for different urban functional regions. The potential binding ability of DOM with heavy metals and organic pollutants is studied by combining the modern spectroscopic techniques and chemometric methods, and mathematical models will be developed to analyze the variation of potential binding ability and the physical and chemical characteristics of DOM. Meanwhile, the Diffusive Gradientsin Thin Films Technique (DGT) and Solid Phase Micro Extraction (SPME) will be used to study the bioavailability impact factors of different DOM components on heavy metal and organic pollutants. This research will illustrate the structure transformation rules of DOM during the rainfall and the mechanism of typical pollutants migration and bioavailability according to the experiment results. These results could provide more technical supports on scientific evaluation of the health risks of typical pollutants on humans and urban aquatic ecosystems, and on effective development of better ways to supply urban water resources.

针对目前城市雨水低影响开发系统（LID）主要关注传统污染物（SS、COD、N和P）的去除，没有考虑径流雨水中有机质等污染物在LID设施中结构演化，特别是溶解性有机质（DOM）组分变化对典型污染物（如重金属和有机污染物）在LID设施中迁移和生物有效性影响机理尚不清楚。通过对城市不同功能区径流雨水中DOM分子结构、官能团及电子供给能力等分析，联合现代波谱学技术和化学计量学方法，开展DOM与重金属和有机污染物结合潜力研究，运用模型分析其结合潜力变化规律及与DOM理化特性关系，并通过薄膜扩散梯度技术（DGT）和固相微萃取技术（SPME）模拟研究不同组分DOM对重金属及有机污染物生物有效性影响因素。从而阐明降雨过程DOM结构演化规律及其对典型染物迁移及生物有效性的影响机制。本研究成果为科学评价雨水利用中典型污染物对人体及城市水生态环境系统健康风险和选择适宜LID设施缓解城市的水问题提供支撑。

城市雨水低影响开发系统（LID）能够有效的去除传统污染物（N和P等），然而，对于径流雨水中溶解性有机质（DOM）在LID设施中结构演化及其对典型污染物的影响研究鲜有报道。因此，利用光谱技术、多元统计和化学计量方法对城市不同功能区径流雨水中DOM组分和分子结构，以及DOM与典型重金属相互作用机理研究，为科学评价雨水利用中典型污染物对人体及城市水生态环境系统健康风险和缓解城市水问题提供支撑。.本研究首先对北京市冬、夏两季不同功能区径流雨水中DOM的组分和结构特征进行分析，紫外参数SUVA254、E2/E3、E4/E6可以表明：1）冬夏不同功能区中绿地面积与径流雨水中腐殖酸含量成正比；2）同一功能区中草地、屋顶、路面腐殖化程度依次降低；平行因子能够分离出4个组分，冬夏均为一种类蛋白和三种类腐殖酸物质。研究表明冬季、夏季微生物较多的功能区腐殖酸含量较高。.本项目研究内容2：调查不同功能区径流雨水中典型重金属（Pb、Zn、Cu及Mn等）的含量，研究DOM不同组分与典型重金属的结合特性及其对典型重金属的生物有效性影响。研究表明：北京市地表径流中重金属污染严重，其浓度总体遵循路面＞屋顶＞草地的规律，Cu2+、Zn2+在部分功能区中遵循屋顶＞路面＞草地；PARAFAC分离出6个不同的组分，3个腐殖酸组分、2个蛋白质组分和1个类腐殖酸与类蛋白结合组分；通过淬灭滴定实验分析发现Cu2+、Pb2+与类蛋白物质淬灭率强于腐殖酸，而Zn2+则反之。.本项目研究内容3：研究植草沟对径流雨水中DOM与新型污染物卡马西平（CBZ）相互作用机制的影响。平行因子可以识别出五种荧光组分，在经过植草沟处理后，五种组分与CBZ的络合能力均发生了变化。SFS结合2D-COS的结果表明在经过植草沟处理后CBZ与DOM组分的络合顺序发生变化，从优先与类蛋白质类组分结合变为优先与类腐殖质类组分相结合，在经过植草沟处理后logKM值也出现相应的增加。.本项目达到预期目标，研究成果能够为科学评价雨水利用中典型污染物对人体及城市水生态环境系统健康风险和缓解城市水问题提供支撑。