如何成功地检测和缓解：藻华以及具有味道/气味的化合物

挥发性和半挥发性有机化合物是通常是表层水域的味道和气味(T&O)事件的代表性化学物质类别。它们是藻类和蓝藻在有害藻华(HABs)期间产生的代谢物;它们也可以由其他类型的细菌、一些植物以及在有机物质分解过程中产生的物质。(Pepper et al. 2015)。

T&O问题不被认为对人类健康有风险，但它们有时可以作为青藻细菌数量足以产生毒素事件的指标。在许多城市都会出现饮用水的审美质量问题，消费者往往错误地将T&O作为饮用水安全的衡量标准。T&O事件对供水系统来说可能是一个代价高昂的麻烦。T&O化合物的分析检测可能很困难，因为它们的化学成分不同，需要不同的采样技术和水源水管理，以及方法的主观性(Nollet & De Gelder 2014)。

T&O事件可以在几小时内为供水系统制造一场公关噩梦，因此对于经常出现问题的系统，主动处理客户投诉是非常重要的(Burlingame 1999)。适当地对投诉进行分类可以改善公用事业的反应，系统地对投诉进行分组可以建立季节性水质变化的记录(Dietrich & Burlingame 2021年)。应记录客户联系信息，以及有关投诉、问题持续时间、发生地点和有助于投诉调查和确定的任何其他因素的信息(Dietrich, 2006)。积极解决T&O问题，减少投诉数量，建立消费者的信心。

HABs是某种程度生态系统不平衡的标志，是藻类和蓝藻利用环境的顽强能力的例证。水华通常发生在富有营养的系统中，但它们很难预测，因为水华和非水华期间的环境条件可能相似。光照、温度、溶解氧、营养负荷等(Dodds & Whiles 2010)。目前还没有针对特定类群产生的化合物的完整目录，因此很难将单个T&O化合物与单个类群联系起来。

Suffet等人(1995)根据T&O的味道、气味和化学结构对许多常见的T&O化合物进行了识别和分类，然后建立在标准方法(2017)中。动态变量使水系统依赖单一分析来管理T&O问题变得不切实际和无效(Buerkens等人，2020年)。主动监测可以节省时间和工作，同时加快对受影响客户的恢复，增强可信度和系统可靠性(Chowdhury 2021年)。

为了面对在地表水和饮用水中检测和减少T&O化合物的复杂性所带来的挑战，德克萨斯州威奇托瀑布市柏树环境实验室(Wichita Falls Cypress City environment Laboratory)制定了一项监测计划，该计划融合了来自其微生物和分析实验室的分析，同时优化了水系统现有的处理技术(Southard et al. 2016)。为此，实验室使用分析方法来确定何时需要改变治理方法，以及在T&O事件平息之前将测试重点放在哪里。

监控T&O问题

应该在T&O事件期间进行底栖和浮游蓝藻的监测，因为这两类蓝藻在生长和衰老过程中都会产生T&O化合物。然而，T&O化合物的化学成分很复杂，它们产生的问题可能是主观的，这使得其检测困难，特别是在痕量水平(Burlingame & Doty 2018)。

水中检测的阈值水平跨越几个数量级，取决于化合物的类型。T&O化合物被分为四种味觉类别和八种气味类别(图1)。该描述大致反映了化学成分，这有助于解释为什么某些处理方法对特定气味组更有效(Mallevaille & Suffet 1987)。定量测量总是对分析物的合理估计，但涉及到某种程度的不确定性，因此必须使用最高纯度的标准来确保定量精度(Taylor 1987)。

水系统中最普遍和问题的化合物类别是泥土/发霉/发霉类，包括土臭素、2-甲基异龙胆醇(MIB)、吡嗪和卤代苯甲醚。草/干草/稻草/木质类包括酯类、醇类和芳香的异胡萝卜素类等半化学物质。腥臭类由醛和胺组成，它们是由具有高细胞多不饱和脂肪酸的分类植物产生的。在正常条件下，蓝藻很少产生沼泽/沼泽/化粪池/硫磺类化合物，但它们是hab和其他有机物质厌氧分解产生的主要成分。

图2

生物过滤

有些水系统会利用水源水的微生物。每个水源都有一个独特的群落，可以在现有的植物过滤器中“培养”，使它们在通过介质时降解有机化合物。预氧化的组合，如AOP和生物过滤，是减少T&O化合物的有效方法。生物活性炭过滤器可将生物去除与吸附相结合。

吸附

吸附是一种高效的处理方法，通常采用粉末活性炭(PAC)或颗粒活性炭(GAC)。在处理过程的早期添加PAC，使有机化合物有时间吸附到碳颗粒上，并在凝固过程中变重时沉淀下来。PAC也常与KMnO₄一起使用。PAC用量可根据T&O浓度的波动进行调整。

GAC通常用于代替砂和/或无烟煤过滤介质。GAC的有效性随着时间的推移而降低，因为活性位点被吸附的有机物质所充满，因此媒介最终必须被替换或再生。当水源水有机物含量较高时，GAC有效性可迅速降低。

早期预警与预防

德克萨斯州威奇托瀑布市有一个地表水系统，对五个水源享有法定权利，其中四个主要用于治理:箭头湖、Kickapoo湖和坎普湖/湖泊分流系统。该系统有两个水处理设施——cypress水处理设施，有一个先进的和三个常规处理厂，Jasper水处理设施，有两个常规处理厂，包括一个水分配系统(图3)。该水系统在2016年2月和8月经历了两次极端的T&O事件。2016年8月，在两周的时间内收到了数百个客户投诉。为了缓解这一问题，威奇托福尔斯市的Cypress环境实验室设计并实施了一项综合监测计划，使用探测仪、传统气味阈值(TON)和改进的气味剖面分析(FPA)、单四极GC-MS/ECD系统、流成像显微镜和qPCR (Adams等人，2018年)。对现有的水系统氧化和吸附过程进行了评估和优化。自该计划实施以来，该市没有收到任何额外的与T&O相关的客户投诉

图3

在过去5年里，共检测到13次源区T&O事件，历时19个月。其中11个事件被缩小到一个特定的蓝藻分类单元。就持续时间和浓度而言，最大的事件发生在2020年2月至5月，当时一股水藻爆发达到了> 1500链/毫升，土臭味素水平超过了15,000纳克/升(图4)。最近的一次爆发发生在2020年7月，实验室得以测试其监测方案的各个方面，以确定有效性(图5)。在向公众分发水之前，每一股水藻爆发都得到了检测和缓解。

应对措施和工具的有效性

源湖、蓄水池和两个水处理厂都按季节进行监测。较温暖的夏季每周约有3至5天，而较寒冷的冬季每周只有1天。当检测到T&O事件时，必须系统地收集高质量数据，以指导缓解。市政府的计划是有效的，因为有了更频繁的监测，实验室能够在小问题变成大问题之前发现并解决它们。

当检测到藻类事件时，会通知公用事业主管，并增加测试频率。如果情况恶化，电力公司可以将水源转移到没有水华的湖泊。如果在多个湖泊中发生藻华，则在工厂增加处理，包括ClO₂作为原水的主要消毒剂，KMnO₄在植物泻湖和澄清池中，以及PAC在澄清池混合区，在处理过程中吸附和沉淀T&O化合物。在此期间，实验室增加对植物或源容器的检测和化学添加，直到花潮消退。

在藻华的初期阶段进行处理是至关重要的，因为大规模的藻华很难处理，而且藻类细胞中的任何化合物，如毒素和T&O，都可能大量释放出来。斑点处理在很多情况下都有效，但只对达到一定大小或细胞数量的花苞有效。过度处理，比如，杀死所有的藻类和蓝藻细胞就会创造了一个不平衡的生态系统，更容易受到大规模蓝藻爆发。纳巴藻和微囊藻是两种遍布全球的氰基细菌，它们可以在短短几天内控制整个水体。目标是通过主动监测在源头实现控制。为了实现这一目标，公用事业公司必须了解当地湖泊和水库的湖沼，以及连接其储存和运输系统组成部分的基础设施(Taylor et al. 2006)。

图4

多参数探测仪用于监测温度、溶解氧、pH值、叶绿素a和藻蓝色素。每个月都要对每一英尺深度的湖泊进水口进行剖面测量，以确定是否发生了储层分层。色素浓度也可以用来确定蓝藻和藻类细胞数量更高的可能性。

样品制备完成后，按照方法2150B(标准方法2017)进行传统的TON测试，以确定T&O事件的大小，而根据方法2170(标准方法2017)进行修改的FPA，使用嗅觉检测而不是味觉来确定存在的气味类型。就像没有一种分析方法可以检测出水中所有的化学污染物一样，没有一种感官方法可以提供T&O问题的所有答案(Dietrich et al. 2003)。TON和FPA结果使技术人员能够弥补这一差距，并选择使用GC-MS /ECD方法来确定T&O化合物浓度。

一个半自动化的流动成像显微镜(FlowCam)被用来识别和枚举藻类和蓝藻细菌，并将它们分类为T&O生产者和过滤器堵塞者。知道哪些类群存在有助于阻止是否有可能发生T&O或氰化物毒素事件。化学分析可以表明T&O或氰化毒素化合物是否已经存在于水柱中，而对生物体的鉴定表明，即使化合物未被检测到，加强监测是谨慎的做法。

蓝藻爆发的存在并不意味着生物体是有毒的或产生T&O化合物。然而，没有毒素或T&O化合物并不意味着问题不紧急(Westrick & Szlag 2018)。T&O化合物可以通过使用Adam和其同事(2020)描述的GC-MS方法所选择的离子监测(称为SIM)进行检测和定量。

由于该地区许多最成问题的蓝藻都能产生氰化物毒素，因此qPCR(使用CyanoDTec)被用于确定蓝藻和产生氰化物毒素的基因的存在和丰度。qPCR阳性检测后由第三方实验室用液相色谱-串联质谱法进行分析确认，这些数据与qPCR结果直接相关。

持续监测

Cypress环境实验室继续监测水源水样的T&O化合物，以确保自来水保持无问题。在过去的几十年里，人们对T&O化合物进行了重要的研究，但仍存在许多问题。感官质量和T&O的感知仍然是消费者饮用自来水的最大障碍。通过整合生物和化学方法，Cypress环境实验室已经能够主动监测藻类和蓝藻细菌以及它们产生的T&O化合物和蓝藻毒素。在经历了60多年的完全开放后，威奇托福尔斯市使用这种方法在能够T&O问题到来之前完全解决了它们。