氯/氯胺消毒过程中典型有机副产物生成与控制的研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 田川 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2013-05 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 曲久辉,刘锐平 |
| 关键词 | 消毒副产物 天然有机物 藻源有机物 氯 氯胺 disinfection by product natural organic matter algae organic matter chlorine chloramine. |
| 其他题名 | Formation and control of typical organic disinfection by-products during chlorination and chloramination |
| 学位专业 | 环境工程 |
| 中文摘要 | 大量研究证实，氯和氯胺消毒过程中消毒副产物（disinfection by-products,DBPs）生成规律存在显著差异。氨氮的引入可以大幅降低氯化过程中大部分DBPs 生成量，但却导致其生成的DBPs 中含氮DBPs、二卤代乙酸和未知副产物（unknown toral organic halogen, UTOX）的比例偏高。迄今为止，消毒剂与DBPs前驱物之间的反应在大量研究中仍被认为是“黑箱”，未能对上述差异提出合理的解释。另一方面，作为DBPs 最主要前驱体的天然有机物（natural organic matter,NOM）性质复杂，与消毒剂之间的反应有多步骤和多途径的特点。因此，几乎不可能用化学机制对消毒过程进行深入和全面的阐释，而综合运用光谱表征法、前驱物组分分级、反应动力学等研究手段，可能为研究氯、氯胺与有机物的反应机制提供重要的信息。 本论文首先选择了同时存在较高有机物和溴离子的微污染原水作为DBPs 前 驱物，并对比了氯、氯胺及氯-氯胺顺序消毒过程DBPs 的生成和分布的情况。 结果表明，氯、氯胺和氯-氯胺顺序消毒过程中DBPs 的浓度和分布都存在着显 著不同。随着反应时间增加，氯消毒过程中三卤甲烷（trihalomethanes, THMs）和卤乙酸（haloacetic acids, HAAs）的溴贡献因子不断下降，而在氯胺消毒过程中则不断上升。此外，在氯胺消毒过程中，二卤代乙酸占总有机卤素的比例也随时间不断上升。其原因可以解释为NOM 上的反应位可以分为快速反应部位（fast reactive sites, DOC1）和慢速反应部位（slow reactive sites, DOC2），而HOCl 可以和氨氮和溴离子反应生成不同的消毒剂种类如HOBr、NH2Cl、NH2Br 等。不同消毒剂和NOM 反应位点在不同阶段的相对浓度和相对反应速率影响了DBPs的分布。 本论文进一步研究了氯、氯胺和氯-氯胺顺序消毒过程中副产物分布的变化 及前驱物结构的转化，并提出了一个三阶段模型来解释其中的主要反应过程：第 一阶段：DOC1 的快速消耗，并转化为DOC2 和小分子副产物（如THMs， HAAs等）；第二阶段：DOC2 被氧化或卤代化成为UTOX 中间体；第三阶段：UTOX被继续氧化或卤代化成为小分子副产物。氨氮的加入可以选择性地抑制以上反应，并且对小分子副产物生成的抑制作用要强于UTOX，导致氯胺和氯-氯胺顺序消毒的UTOX 和卤乙腈与总有机碳卤素的比例高于氯消毒。 对发生“藻华”的水源水进行预氯化时将导致藻类胞内物质（intracellular organic matter, IOM）的大量释放，而IOM 也可能作为DBPs 前驱物在后续氯化消毒过程中生成DBPs。本文选取铜绿微囊藻的IOM 作为前驱体，分析了其结构特征。此外，分别研究了IOM 在pH 6.5、7.1 及8.4 条件下与活性氯及活性溴反应后性质的变化及DBPs 的生成，并进行了相关性分析。结果表明，IOM 中以分子量较大的组分（>30 kDa）为主，其溶解性有机碳（dissolved organic carbon, DOC）含量占总量的68.8%。三维荧光光谱的结果表明， IOM 的成分主要以芳香蛋白类物质为主，其单位DOC 强度为92.6 AU·L·mg-1。与活性氯和活性溴反应后，芳香蛋白类荧光峰值下降了76.6%~93.3%，且其降低值与THMs（R2=0.81）和HAAs（R2=0.77）的生成量正相关。IOM 与活性氯和活性溴反应生成的THMs 和HAAs浓度均随着pH 的增加而增加。活性溴相比活性氯与IOM 反应可以生成更多的DBPs，且其卤代程度更高，但是活性氯及活性溴与IOM 反应能力的差异随着pH的升高而逐渐减小，即kOBr·IOM/kOCl·IOM < kHOBr·IOM/kHOCl·IOM。 强化去除DBPs 前驱物是控制后续氯化/氯胺化消毒过程中DBPs 生成的重要途径，围绕DBPs 前驱物强化去除的问题，通过生产性试验研究发现，同时添加三氯化铁、高锰酸钾和聚合氯化铝相比单纯投加聚合氯化铝大幅提高了CODMn的去除能力，使得由混凝去除的CODMn 值由0.60 上升到2.22 mg/L，而由氯去除的CODMn 值则从1.66 下降到0.67 mg/L。也就是说，氯对CODMn 去除的贡献率由73.5%下降到了23.2%。该强化混凝工艺可以使处理水的需氯量从6.25 下降到4.85 mg/L，并使THMs 的生成量下降了24.8%。进一步对比研究了氯、氯胺和氯-氯-氯胺顺序消毒中THMs、CODMn 等指标的变化，结果表明，氯-氯-氯胺顺序消毒相比前两种方式可以更好地同时控制THMs 和CODMn。综合应用上述DBPs前驱物强化去除和消毒过程优化的技术策略，在不大幅增加处理成本的前提下解决了微污染原水NOM 与DBPs 综合控制难题。 |
| 公开日期 | 2014-07-17 |
| 源URL | [http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/7592]  |
| 专题 | 生态环境研究中心_环境水质学国家重点实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 田川. 氯/氯胺消毒过程中典型有机副产物生成与控制的研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2013. |
入库方式： OAI收割
来源：生态环境研究中心
浏览0
下载0
收藏0
其他版本
除非特别说明，本系统中所有内容都受版权保护，并保留所有权利。