Assessing Trihalomethanes (THMs) Formation Potential in a Water Supply Plant Using Fluoresecence Exitation-Emission Matrix

วัจนีย์ เหล่าเลิศวรกุล; ปณิธาน จูฑาพร; กิติยศ ตั้งสัจจวงศ์; สุชาติ เหลืองประเสริฐ; วัสสา คงนคร

ผู้แต่ง

วัจนีย์ เหล่าเลิศวรกุล สาขาวิชาวิศวกรรมสิ่งแวดล้อม คณะวิศวกรรมศาสตร์ ศูนย์วิจัยด้านการจัดการสิ่งแวดล้อมและสารอันตราย (EHSM) มหาวิทยาลัยขอนแก่น จังหวัดขอนแก่น ประเทศไทย; ศูนย์ความเป็นเลิศด้านการจัดการสารและของเสียอันตราย (HSM) กรุงเทพฯ ประเทศไทย
ปณิธาน จูฑาพร ศูนย์วิจัยด้านการจัดการสิ่งแวดล้อมและสารอันตราย (EHSM) มหาวิทยาลัยขอนแก่น จังหวัดขอนแก่น ประเทศไทย; ศูนย์ความเป็นเลิศด้านการจัดการสารและของเสียอันตราย (HSM) กรุงเทพฯ ประเทศไทย
กิติยศ ตั้งสัจจวงศ์ สาขาวิชาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีสิ่งแวดล้อม คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลพระนคร กรุงเทพฯ ประเทศไทย
สุชาติ เหลืองประเสริฐ ภาควิชาวิศวกรรมสิ่งแวดล้อม คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ กรุงเทพฯ ประเทศไทย
วัสสา คงนคร ศูนย์วิจัยความเป็นเลิศด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีเมมเบรน ภาควิชาวิศวกรรมโยธา คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยสงขลานครินทร์ จังหวัดสงขลา ประเทศไทย

คำสำคัญ:

ระบบปรับปรุงคุณภาพน้ำประปา, สารอินทรีย์ละลายน้ำ, ไตรฮาโลมีเทน, ฟลูออเรสเซนต์

บทคัดย่อ

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างคุณลักษณะของสารอินทรีย์ในน้ำกับศักยภาพในการเกิดสารพลอยได้กลุ่มไตรฮาโลมีเทน (Trihalomethanes, THMs) ในการทำปฏิกิริยากับสารฆ่าเชื้อโรคกลุ่มคลอรีน ซึ่งสารกลุ่มไตรฮาโลมีเทนประกอบไปด้วย คลอโรฟอร์ม โบรโมไดคลอโรมีเทน ไดโบรโมคลอโรมีเทน และโบรโมฟอร์ม โดยเก็บน้ำตัวอย่างจากระบบปรับปรุงคุณภาพน้ำประปามหาวิทยาลัยขอนแก่น เป็นระยะเวลา 7 เดือน (ธันวาคม 2560 ถึง มิถุนายน 2561) และศึกษาคุณลักษณะของสารอินทรีย์โดยการตรวจวัดค่าการดูดซับแสงที่คลื่นความยาว 254 นาโนเมตร (ultraviolet absorbance at 254 nm, UVA₂₅₄ ) ปริมาณคาร์บอนอินทรีย์ละลายน้ำ (Dissolved organic carbon, DOC) และฟลูออเรสเซนต์เอ็กซ์ไซเทชัน-อีมิสชัน เมทริกซ์ (fluorescence excitation-emission matrix, EEM) จากผลการทดลอง พบว่า ปริมาณความต้องการคลอรีนเป็นอัตราส่วนโดยตรงกับค่า DOC และศักยภาพการเกิดสารกลุ่มไตรฮาโลมีเทนทั้งสี่ชนิด (Total THM formation potential, TTHM-FP₂₄) ของน้ำดิบเปลี่ยนแปลงตามฤดูกาล คือ มีค่าสูงในช่วงเดือนธันวาคม-กุมภาพันธ์ จากนั้นมีค่าลดลงในเดือนมีนาคม-มิถุนายน การเติมคลอรีนเพื่อฆ่าเชื้อโรคลงในน้ำตัวอย่างส่งผลให้เกิดคลอโรฟอร์มสูงกว่าสารกลุ่มไตรฮาโลมีเทนชนิดอื่น เทคนิคฟลูออเรสเซนต์ EEM ทำให้สามารถจำแนกประเภทสารอินทรีย์ได้สามประเภท คือ สารอินทรีย์ที่มีสมบัติเหมือนกรดฟูลวิค สารอินทรีย์ที่มีสมบัติเหมือนกรดฮิวมิก และสารอินทรีย์ที่มีสมบัติเหมือนโปรตีน และพบว่าค่า TTHM-FP₂₄ แปรผันตามสารอินทรีย์กลุ่มกรดฮิวมิกอย่างมีนัยสำคัญ (R² = 0.61, p <0.01) มากกว่าค่า UVA254 และ DOC (R² = 0.30-0.50, p <0.01) ผลจากการศึกษาสมบัติเชิงฟลูออเรสเซนต์ของสารอินทรีย์นี้สามารถนำไปใช้เพื่อควบคุมกระบวนการปรับปรุงคุณภาพน้ำประปาในการกำจัดสารตั้งต้นของสารกลุ่มไตรฮาโลมีเทนได้

References

Elbana, M., Ramírez de Cartagena, F. and Puig-Bargués, J., 2012, “Effectiveness of Sand Media Filters for Removing Turbidity and Recovering Dissolved Oxygen from a Reclaimed Effluent Used for Micro-Irrigation,” Agricultural Water Management, 111, pp. 27–33.

American Water Works Association, 2011, Water Quality and Treatment: A Handbook on Drinking Water, 6th ed., McGraw-Hill.

Leenheer, J.A. and Croué, J.P., 2003, “Peer Reviewed: Characterizing Aquatic Dissolved Organic Matter, Understanding the Unknown Structures Is Key to Better Treatment of Drinking Water,” Environmental Science and Technology, 1, pp. 18A-26A.

Richardson, S.D., Plewa, M.J., Wagner, E.D., Schoeny, R. and DeMarini, D.M., 2007, “Occurrence, Genotoxicity, and Carcinogenicity of Regulated and Emerging Disinfection By-Products in Drinking Water: A Review and Roadmap for Research,” Mutation Research, 636, pp. 178–242.

US EPA, 2001, National Primary Drinking Water Regulations: Stage 1 Disinfectants and Disinfection Byproducts Rule.

Plewa, M.J., Muellner, M.G., Richardson, S.D., Fasano, F., Buettner, K.M., Woo, Y.T., McKague, A.B. and Wagner, E.D., 2008, “Occurrence, Synthesis, and Mammalian Cell Cytotoxicity and Genotoxicity of Haloacetamides: An Emerging Class of Nitrogenous Drinking Water Disinfection Byproducts,” Environmental Science and Technology, 42, (3), pp. 955–61.

US EPA, 2016, Six-Year Review 3 Technical Support Document for Disinfectants/Disinfection Byproducts Rules.

World Health Organization, 2011, Guidelines for Drinking-water Quality, 4th ed., Geneva, Switzerland.

Villanueva, C. M., Cantor, K.P., Grimalt, J.O., Malats, N., Silverman, D., Tardon, A., Closas, R.G., Serra, C., Carrato, A., Vinyals, G.C., Marcos, R., Rothman, N., Real, F.X., Dosemeci, M. and Kogevinas, M, 2007, “Bladder Cancer and Exposure to Water Disinfection By-Products through Ingestion, Bathing, Showering, and Swimming in Pools,” American Journal of Epidemiology, 165 (2), pp. 148–156.

Chu, I., Secours, V., Marino, I. and Villeneuve, D.C., 1980, “The Acute Toxicity of Four Trihalomethanes in Male and Female Rats,” Toxicology and Applied Pharmacology, 52 (2), pp. 351–353.

World Health Organization, 2005, Trihalomethanes in Drinking Water: Background Document for Development of WHO Guidelines for Drinking-water Quality.

Weishaar, J.L., Aiken, G.R., Bergamashi, B.A., Fram, M.S., Fujii, R. and Mopper, K., 2003, “Evaluation of Specific Ultra-Violet Absorbance as an Indicator of the Chemical Content of Dissolved Organic Carbon,” Environmental Chemistry., 37, pp. 4702–4708.

Matilainen, A., Vepsäläinen, M. and Sillanpää, M., 2010, “Natural Organic Matter Removal by Coagulation during Drinking Water Treatment: a Review,” Advances in Colloid and Interface Science, 159, pp. 189–97.

Coble, P. G., 1996, “Characterization of Marine and Terrestrial DOM in Seawater Using Excitation-Emission Matrix Spectroscopy,” Marine Chemistry, 51 (4), pp. 325–346.

Stedmon, C., Markager, S. and Bro, R., 2003, “Tracing Dissolved Organic Matter in Aquatic Environments Using a New Approach to Fluorescence Spectroscopy,” Marine Chemistry, 82, pp. 239–254.

Bridgeman, J., M. Bieroza, M. and Baker, A., 2011, “The Application of Fluorescence Spectroscopy to Organic Matter Characterisation in Drinking Water Treatment,” Reviews in Environmental Science and Biotechnology, 10, pp. 277–290.

Hao, R., Ren, H., Li, J., Ma, Z. and Wan, H., 2012, “Use of Three-Dimensional Excitation and Emission Matrix Fluorescence Spectroscopy for Predicting the Disinfection By-Product Formation Potential of Reclaimed Water,” Water Research, 46, pp. 5765–5776.

Hua, B., Veum, K., Yang, J., Jones, J. and Deng, B., 2010, “Parallel Factor Analysis of Fluorescence EEM Spectra to Identify THM Precursors in Lake Waters,” Environmental Monitoring and Assessment, 161, pp. 71–81.

Jutaporn, P., Laolertworakul, W., Armstrong, M.D. and Coronell, O., 2019, “Fluorescence Spectroscopy for Assessing Trihalomethane Precursors Removal by MIEX Resin,” Water Science and Technology, 79 (5), pp. 820–832.

Pifer, A.D. and Fairey, J. L., 2014, “Suitability of Organic Matter Surrogates to Predict Trihalomethane Formation in Drinking Water Sources,” Environmental Engineering Science, 31 (3), pp.117–126.

Summers, R.S., Hooper, S. M., Shukairy, H. M., Solarik, G. and Owen, D., 1996, “Assessing DBP yield: Uniform Formation Conditions,” Journal American Water Works Association, 88 (6), pp. 80–93.

Ha, T.-W., Choo, K.-H. and Choi, S.-J., 2004, “Effect of Chlorine on Adsorption/Ultrafiltration Treatment for Removing Natural Organic Matter in Drinking Water,” Colloid and Interface Science, 274, pp. 587–593.

Kiattisaksiri, P., Khan, E., Punyapalakul, P. and Ratpukdi, T., 2016, “Photodegradation of Haloacetonitriles in Water by Vacuum Ultraviolet Irradiation: Mechanisms and Intermediate Formation,” Water Research, 98, pp. 160–167.

Stedmon, C. A. and Bro, R., 2008, “Characterizing Dissolved Organic Matter Fluorescence with Parallel Factor Analysis : a Tutorial,” Limnology and Oceanography. Methods, 6, pp. 572–579.

Jutaporn, P., Singer, P.C., Cory, R.M. and Coronell, O., 2016, “Minimization of Short-Term low-Pressure Membrane Fouling Using a Magnetic Ion Exchange (MIEX®) Resin,” Water Research, 98, pp. 225–234.

Ratpukdi, T., Sinorak, S., Kiattisaksiri, P., Punyapalakul, P. and Siripattanakul-Ratpukdi, S., 2019, “Occurrence of Trihalomethanes and Haloacetonitriles in Water Distribution Networks of Khon Kaen Municipality, Thailand,” Water Supply, 19 (6), pp. 1–10.

Tunggolou, J. and Payus, C., 2017,“Application of Moringa Oleifera Plant as Water Purifier for Drinking Water Purposes,” Journal of Environmental Science and Technology, 10 (5), pp. 268–275.

Kueseng, T., Suksaroj, T.T., Musikavong, C. and Suksaroj, C., 2011, “Enhanced Coagulation for Removal of Dissolved Organic Matter and Trihalomethane Formation Potential from Raw Water Supply in Sri-Trang Reservoir, Thailand,” Water Practice and Technology, 6 (1).

Tungsudjawong, K., Leungprasert, S. and Peansawang, P., 2018, “Investigation of Humic Acids Concentration in Different Seasons in a Raw Water Canal, Bangkok, Thailand,” Water Science and Technology Water Supply, 18 (5), pp. 1727–1738.

Musikavong, C., Inthanuchit, K., K. Srimuang, Suksaroj, T.T. and C. Suksaroj, C., 2013, “Reduction of Fractionated Dissolved Organic Matter and Their Trihalomethane Formation Potential with Enhanced Coagulation,” ScienceAsia, 39, pp. 56–66.

Gray, N.F., 2014, “Free and Combined Chlorine,” pp. 571–590, in Microbiology of Waterborne Diseases: Microbiological Aspects and Risks, Second Edition, S.L. Percival, D.W. Williams, N.F. Gray, M.V. Yates and R.M. Chalmers (Eds.) Elsevier Ltd.

Symons, J.M., McCabe, L. and Geldreich, E., 1999, Formation and Control of Disinfection by-products in Drinking water, 1st ed. Denver, CO: American Water Works Association.

Chen, Y., Arnold, W.A., Griffin, C.G., Olmanson, L.G., Brezonik, P.L. and Hozalski, R.M., 2019, “Assessment of the Chlorine Demand and Disinfection Byproduct Formation Potential of Surface Waters via Satellite Remote Sensing,” Water Research, 165, pp. 1–12.

Yee, L.F., Abdullah, M.P., Ata, S. and Ishak, B., 2006, “Dissolved Organic Matter and Its Impact on the Chlorine Demand of Treated Water,” Malaysian Journal of Analytical Sciences, 10 (2), pp. 243–250.

Thomas, J.D., 1997, “The Role of Dissolved Organic Matter, Particularly Free Amino Acids and Humic Substances, in Freshwater Ecosystems,” Freshwater Biology, 38 (1), pp. 1–36.

Magazinovic, R.S., Nicholson, B.C., Mulcahy, D.E. and Davey, D.E., 2004, “Bromide Levels in Natural Waters: Its Relationship to Levels of Both Chloride and Total Dissolved Solids and the Implications for Water Treatment,” Chemosphere, 57, pp. 329–335.

Sun, Y.X., Wu, Q.Y., Hu, H.Y. and Tian, J., 2009, “Effect of Bromide on the Formation of Disinfection By-Products during Wastewater Chlorination,” Water Research, 43 (9), pp. 2391–2398.

Cory, R.M., McKnight, D.M., Chin, Y.P., Miller, P. and Jaros, C.L., 2007, “Chemical Characteristics of Fulvic Acids from Arctic Surface Waters: Microbial Contributions and Photochemical Transformations,” Journal of Geophysical Research, 112, pp.1–14.

Na-Phatthalung, W., Musikavong, C. and Suttinun, O., 2016, “The Presence of Aliphatic and Aromatic Amines in Reservoir and Canal Water as Precursors to Disinfection By-Products,” Journal of Environmental Science and Health. - Part A Toxic/Hazardous Substances and Environmental Engineering, 51 (11), pp. 900–913.

Singer, P.C. and K. Bilyk, K., 2002, “Enhanced Coagulation Using a Magnetic Ion Exchange Resin,” Water Research, 36, pp. 4009–22.