饮用水ClO2消毒过程中副产物前驱体的转化机制研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 史彦伟 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2012-11 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 强志民 |
| 关键词 | 二氧化氯（ClO2） 消毒 消毒副产物 磺胺类抗生素 饮用水 chlorine dioxide disinfection disinfection by-products sulfonamides drinking water |
| 其他题名 | Transformation Mechanisms of Disinfection By-products Precursors inChlorine Dioxide Disinfection for Drinking Water |
| 学位专业 | 环境工程 |
| 中文摘要 | 随着饮用水水源水质的日益恶化和水质标准的不断提高，氯消毒产生的消毒副产物因其潜在的毒性已成为饮用水水质安全的重要问题之一。二氧化氯（ClO2）具有高效的杀菌效率和几乎不产生三卤甲烷类消毒副产物（DBPs）的特点，在中小规模水厂中常用作氯的替代消毒剂。ClO2 协同自由氯（HOCl）或一氯胺（NH2Cl）的组合消毒工艺能够提高消毒效率、减少消毒副产物生成并同时保持管网中足够的余氯水平，已受到广泛关注。此外，水源水日益受到药物和个人护理品等微量污染物的污染，这对人类的健康产生了重大的风险。为此，本文围绕ClO2 消毒过程中两类消毒副产物前驱体（即天然有机物和抗生素）的转化机制，开展了以下几个方面的研究。 首先，研究了ClO2 在天然地表水中的衰减动力学和主要无机副产物亚氯酸根的生成。结果表明，相对于一级动力学模型，基于一级和二级动力学建立的混合模型能更好地模拟ClO2 在不同水质、ClO2 投加量和温度条件下的初期快速和后期慢速的衰减特征，ClO2 转化为亚氯酸根的比率为51−68%。 其次，研究了ClO2 协同HOCl 或NH2Cl 的组合消毒工艺（顺序ClO2-HOCl、同步ClO2/HOCl 和顺序ClO2-NH2Cl、同步ClO2/NH2Cl）对消毒副产物生成的影响。结果表明，ClO2 氧化30 min 抑制了天然地表水（溴离子浓度11−27 μg/L）中HOCl 或NH2Cl 的衰减和DBPs 的生成。在ClO2 协同HOCl 消毒工艺中，48 h后相对于单独HOCl 消毒工艺减少了27−35% THMs 和14−22% HAAs 的生成量；但在相似条件下，ClO2 氧化却显著提高了腐植酸模拟溶液中DBPs 的生成。在ClO2 协同NH2Cl 消毒工艺中，虽然DBPs 生成量很低，但也表现出相似的变化趋势。顺序和同步消毒工艺对DBPs 的生成没有显著差异。在高水平溴离子（320 μg/L）条件下，ClO2 协同HOCl 消毒工艺中DBPs 的生成量显著提高，但在ClO2协同NH2Cl 消毒工艺中DBPs 生成量仍然较低。因此，相比较而言，ClO2/NH2Cl同步消毒工艺更适合于含溴水（尤其是高含溴水）的消毒。 接着，研究了ClO2 与六种常用磺胺类抗生素（SAs），包括磺胺甲恶唑（SMX）、磺胺甲二唑（SML）、磺胺二甲嘧啶（SMN）、磺胺地索辛（SDM）、磺胺甲嘧啶（SMR）和磺胺噻唑（STZ）的反应动力学，并以SMX 为代表物，研究了ClO2与其反应的位点。结果表明，ClO2 和SAs 的反应遵循二级反应动力学模型，表观二级反应速率常数严重依赖于pH，并随着温度的升高而增大。在pH 7.0 时，六种SAs 的二级反应速率常数为4.13×103 – 2.59 × 104 M–1 s–1（20 oC），反应活化能为31.6–39.8 kJ/mol。通过研究ClO2 和SMX 的次级结构物（3-氨基-5 甲基异恶唑、3,5-二甲基异恶唑和4-氨基甲基苯砜）的反应活性以及无机氧化产物，发现SMX 的反应位点为苯胺部分和S−N 键。用纯水中测得的比二级反应速率常数可以较好地预测SAs 在天然水中的降解；在饮用水典型的ClO2 消毒条件下，SAs可以得到有效去除。 进一步鉴定了SMX、SMR 和STZ 的降解产物，并据此推导了可能的降解路径。结果表明，三种SAs 的苯胺部分很容易被氧化生成苯环的羟基化衍生物和氨基的亚硝化产物，并且SMR 和STZ 会进一步发生脱SO2 反应。SMX、SMR及其中间产物在ClO2 氧化过程中发生S−N 键断裂，导致含有氨基的五元杂环或六元杂环化合物的生成；STZ 的反应活性较高，ClO2 氧化会导致生成五元杂环的双羟基取代物，母体和中间产物的S−N 断裂会生成对氨基苯磺酸和对氨基苯磺酰胺等产物，但未检出含氨基的五元杂环化合物。在饮用水消毒的ClO2 与SAs实际浓度条件下，这三种SAs 的中间产物会被进一步氧化成硫酸根、硝酸根、乙二酸以及其它产物，导致SAs 的潜在风险大幅降低。 |
| 公开日期 | 2014-08-28 |
| 源URL | [http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/7651]  |
| 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 | 史彦伟. 饮用水ClO2消毒过程中副产物前驱体的转化机制研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2012. |
入库方式： OAI收割
来源：生态环境研究中心
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