分子水平揭示紫外/亚铁协同活化过氧乙酸降解沉淀污泥水的机制：基于FT-ICR MS的DOM转化研究

摘要

本研究针对饮用水处理厂沉淀池污泥水（SSW）中溶解性有机物（DOM）及消毒副产物前体的去除问题，系统评估了紫外（UV）、亚铁离子（Fe²⁺）与过氧乙酸（PAA）协同高级氧化工艺的处理效能与分子机制。通过荧光光谱与傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR-MS）等多维分析手段，揭示了DOM的降解路径与转化规律。结果表明，UV/Fe²⁺/PAA工艺可高效降解DOM，降解率达82.0%，荧光组分去除84.5%，分子强度与数目分别降低90.9%与69.8%。该工艺显著降低DOM芳香性，促进高氧化稳定性化合物的生成，并优先去除含氮、硫杂原子的消毒副产物前体物质。本研究为污泥水安全回用与PAA高级氧化实际工程应用提供了理论支撑。

【科学指南针环境检测】为本研究提供了DOM组分的高分辨率FT-ICR MS分析服务，精准解析了降解过程中的分子转化路径。

研究背景与意义

饮用水厂沉淀池污泥水（SSW）富含溶解性有机物（DOM），是消毒副产物（DBPs）的重要前体物质。直接回用SSW可能带来水质安全风险，因此开发高效、稳定的深度处理工艺至关重要。过氧乙酸（PAA）高级氧化技术具有氧化能力强、环境友好等优势，但其单一激活方式往往存在效率低、抗干扰能力差等问题。

本研究提出UV与Fe²⁺协同激活PAA的三元体系，依托高分辨率质谱与光谱技术，从分子水平系统阐释DOM的降解机制与转化路径，为SSW安全回用提供新技术与理论依据。

研究方法与实验设计

检测技术与仪器

• ​电子顺磁共振（EPR）​​：鉴定降解过程中的活性自由基物种；

• 三维荧光光谱​：分析DOM荧光组分的变化；

• 高效液相色谱（HPLC）​​：定量评估有机物降解效率；

• ​傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR MS）​​：由【科学指南针环境检测】提供DOM分子组成及结构解析服务，实现分子水平转化轨迹追踪。

实验体系

比较不同处理工艺：

• 单独PAA

• 单独UV

• Fe²⁺/PAA

• UV/PAA

• UV/Fe²⁺/PAA（协同体系）

主要研究结果

图1：降解效率、动力学与活性物种鉴定

• （a）UV/Fe²⁺/PAA协同工艺降解效率最高；

• （b）协同体系反应速率常数显著高于单一工艺；

• （c）自由基捕获实验表明·OH与CH₃C(O)OO·是主导活性物种；

• （d~e）验证自由基生成路径与贡献度。

Fig.1：沉淀污泥水在不同处理工艺下的降解效果及其动力学过程

图2：抗干扰能力评估

UV/Fe²⁺/PAA体系对常见阴离子（如Cl⁻、NO₃⁻、CO₃²⁻等）表现出强耐受性，降解效率未受显著影响。

Fig. 2：不同阴离子对沉降污泥水（SSW）降解过程的影响

图3：DOM分子量与亲疏水性变化

• （a）降解后大分子有机物减少，小分子比例增加；

• （b）亲水性组分上升，疏水性组分下降，表明有机物结构优化、可生物降解性提高。

图4：荧光特性分析

UV/Fe²⁺/PAA处理显著去除SSW中荧光组分，表明腐殖酸类、富里酸类等荧光有机物被有效降解。

图5-6：分子组成与结构转化（FT-ICR MS分析）

• ​含N、S杂原子、高不饱和度有机物优先被降解；

• Van Krevelen图显示降解后DOM氧化程度提高，芳香性降低。

图7-9：动态分子转化与KMD分析

• DOM分子分为“未变化、被去除、新生成”三类；

• 被去除的DOM结构复杂、芳香性高；

• 新生成DOM分子量更低、氧化程度更高；

• Kendrick质量缺陷（KMD）分析进一步验证分子饱和性与氧化态变化。

Fig. 8：降解过程中，沉降污泥水（SSW）中溶解性有机物（DOM）分子的转化特征

图10-11：反应机制与氧化路径

• 主要反应包括：加氧、脱氢、脱羧；

• CHO、CHON、CHOS类化合物表现出不同反应偏好；

• 氧化产物主要分布于木质素区域，具高O/C、低H/C特征。