成果概况
研究通过气相色谱-三重四极杆串联质谱法调查了95种嗅味物质在我国重点流域31个城市的98个自来水厂水源及出厂水中的分布情况，并采用分类树回归等统计方法分析了水源中不同嗅味物质的发生规律及水处理工艺控制效果。研究共检出70余种嗅味物质，统计分析发现二甲基二硫醚与二甲基三硫醚、吡嗪类物质、土臭素与甲酚、含苯环化合物、苯甲醛与环己酮等各自的来源相近。常规水厂工艺（混凝-沉淀-过滤-消毒等）可去除部分吲哚、酚类和硫醚类等嗅味物质，但对于醚类、香料、吡嗪、噻唑、萜类及含苯环化合物导致的嗅味问题基本无效。本研究可为饮用水不同类型嗅味物质的处理工艺选择和运行管理提供依据。
研究背景
饮用水有无异味是消费者直接评判水质好坏的一个重要依据。近年来，我国饮用水异味问题时有发生，2007年太湖嗅味事件甚至导致无锡全市大范围停水，引起社会的广泛关注。我国对于饮用水嗅味问题的研究起步相对较晚，尚缺乏系统性的全国监测数据。“十一五”期间，研究团队针对全国重点城市的饮用水嗅味问题开展了调查，发现我国近80%水源具有异味问题，然而除了广泛报道的土霉味物质2-甲基异莰醇（MIB）和土臭素，针对其他潜在致嗅物质，其主要的来源与去除情况尚不明确。
研究结果
本研究对我国重点流域31个城市的98个自来水厂水源与出厂水中95种嗅味进行了调查。水源水中共77种化合物被检出，检出浓度范围为n.d.-7757 ng/L，其中检出率大于30%的嗅味物质有32种，检出率大于50%的有19种。出水中75种化合物被检出，检出浓度范围为n.d.-2918 ng/L，检出率大于30%的嗅味物质有29种，检出率大于50%的有12种。除广泛分布的土霉味物质2-甲基异莰醇、腥臭味物质硫醚外，此次调查中还检出了一些我国饮用水中鲜有报道的嗅味物质，包括双(2-氯-1-甲基乙基)醚、吐纳麝香、环状缩醛等，此类物质多与外来污染相关，应进一步加强污染物来源的调查。
表1 致嗅物质检出情况（检出率> 30%）
图1给出了140个水源水样品中检出率> 30％的嗅味物质之间的相关性，结果显示有五个嗅味物质的聚集，分别是吡嗪类物质（Ⅰ）、土臭素和甲酚（Ⅱ）、硫醚类物质（Ⅲ）、含苯环化合物（Ⅳ）、环己酮和苯甲醛（Ⅴ），说明在每个聚集内的嗅味物质存在共发生情况。其中，吡嗪类物质是食品及饮料中的一种重要风味物质，硫醚、土臭素和甲酚等与生物代谢活动有关，含苯环的化合物、环己酮和苯甲醛等物质与石油工业、精细化工等工业污染有关。
图1 水源水样品中典型嗅味物质的共发生
采用分类树回归方法对影响硫醚分布的主要因素进行了分析，发现TOC和流域是影响硫醚分布的两个主要驱动因素（图2）。TOC较高（> 2.58 mg/L）的太湖、长江和黄河水系样品中二甲基二硫醚浓度水平较高；对于二甲基三硫醚，TOC处于结构树的第一级，并且TOC > 2.08 mg/L的太湖、珠江和黄河的样品具有较高的二甲基三硫醚浓度。特别地，TOC< 2.08 mg/L、NH4+-N浓度> 0.46 mg/L的样品具有较高的二甲基三硫醚浓度，这说明较高的硫醚浓度可能源自含硫氨基酸（例如蛋氨酸或半胱氨酸）的分解。
图2 二甲基二硫醚（a）和二甲基三硫醚（b）检出浓度的影响因素（M为平均浓度，n是样品量）
利用分类树回归方法对不同类别嗅味物质的去除情况进行了分析（图3），发现常规水厂工艺可以有效去除吲哚、酚类和硫醚类物质，平均去除率为58%；但对于醚类、香料、吡嗪、噻唑、萜类及含苯环化合物导致的嗅味问题，常规处理工艺去除率仅为14.5%，臭氧活性炭（O3-BAC）深度处理工艺可以显著提高对这些物质的去除效果（平均去除率为39.3%）。
图3 不同种类嗅味物质去除情况（基于嗅味物质去除率> -300％的数据，M是平均去除率，n是样品数量）
表2总结了关键致嗅物质的潜在来源与适用的去除技术。硫醚类物质的发生与水体内源及外源的含硫化合物的输入与转化有关，可通过氯、臭氧等氧化去除；萜类化合物如2-甲基异莰醇、土臭素、环柠檬醛等主要来源于藻类的代谢，可通过活性炭吸附技术去除；一些含苯环化合物、醚、环状缩醛等与工业活动有关，吲哚、酚、醛、吡嗪及噻唑等涉及生物、生活污水或工业废水等多种来源，可通过活性炭吸附技术、O3-BAC、高级氧化技术等深度处理工艺去除。
表2 关键致嗅物质的潜在来源与去除技术总结
本研究由水体污染控制与治理科技重大专项（2017ZX07207004）、国家自然科学基金项目（52070185、51778602）等项目资助完成。
环境意义
本研究首次对我国重点流域水源及水厂出水中95种嗅味物质分布情况进行了系统调查，在此基础上应用统计学方法解析了硫醚、吡嗪等几类关键致嗅物质的共发生情况及可能来源，发现上述致嗅物可能与微生物（如蓝藻）、生活或工业废水等多种污染的输入有关。针对检测的十余类致嗅物，提出了针对性的控制策略，可为饮用水中各类嗅味物质的处理工艺选择和水厂运行管理提供依据。值得注意的是，一些工业来源的致嗅物不仅会影响饮用水的感官品质，还可能对人体健康产生潜在影响，应进一步加强此类物质的管控。
主要作者简介
王春苗，中国科学院生态环境研究中心助理研究员，研究方向是饮用水嗅味物质的识别与传感。曾在美国弗吉尼亚理工大学开展访问学习，在住房和城乡建设部借调。主持国家自然科学基金委青年基金项目、中国博士后科学基金面上项目、中国科学院特别研究助理资助项目、中国科学院饮用水科学与技术重点实验室自由研究课题等项目，以第一/通讯作者在Environ. Sci. Technol.和Water Res.等国内外期刊发表相关论文10余篇，参与《饮用水嗅味控制与管理技术指南》、《饮用水嗅味问题：来源与控制》等的编制，主持/参与国家或团体标准3项。
撰稿：王春苗
审阅：黄鑫、古振澳
校核：祝贵兵
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/acs.est.1c02129
