紫外-微臭氧工艺去除饮用水中新兴污染物研究
发布时间：2020-02-10 20:25
【摘要】：水中新兴有机物污染物是饮用水安全的重大隐患。在我国诸多水体中均不同程度地检测出了消毒副产物和内分泌干扰物。这些有机污染物能够在自然环境中不断积累、富集,进而通过饮用水和食物链的富集作用对人体和其他生物造成严重的危害,如使生物体内分泌失调、致癌、致畸和致突变等。并且,这些污染物往往难以通过常规水处理工艺进行去除。特别地,近年来一类有机污染物——新兴污染物的提出使水中有机污染物去除工艺和机理的研究更为迫切。在现有的有机物去除技术中,UV/03工艺因具有氧化速率快、反应条件温和、适用范围广和无二次污染等特点得到了大量的研究和应用。但是,当水中存在溴离子时,UV/03工艺中的臭氧和羟基自由基(·OH)能够将溴离子氧化成为一种致癌物质——溴酸盐。目前,溴酸盐问题已经得到了全球的广泛关注,UV/03工艺的进一步应用和推广从而受到了质疑和阻碍。本文提出采用紫外-微臭氧工艺(UV-microO3)用于水中新兴污染物的去除。该工艺利用低压紫外汞灯激发空气产生低浓度臭氧,从而在不需要专门的臭氧发生器的前提下实现了紫外光与臭氧的联合作用。本文在已有的小型单管型UV-microO3工艺基础上完成了对多管型光化学激发氧化工艺装置的研发,探讨了臭氧产生过程受到的影响作用；考察了UV-microO3中·OH的产生情况,并通过动力学模型计算.OH在不同类型有机物去除过程中的贡献比例；运用GC-MS对UV-microO3工艺降解两种新兴污染物产生的中间产物进行分析,并依此提出可能的降解机制；综合评判了UV/03和UV-microO3工艺去除有机物和控制溴酸盐的能力。上述内容的主要研究结果如下：多管型光化学激发氧化工艺装置研发和紫外-微臭氧工艺制备臭氧工艺优化：在多管型UV-microO3工艺装置中,可通过模拟计算确定紫外灯的排布方式,以取得最佳光强分布水平。并通过对进气的流量、湿度、压强和紫外灯之间的距离的调节取得最佳臭氧产生水平。随着进气流量的增大,臭氧产生浓度先增大后降低。随着压力和湿度的增大,臭氧浓度逐渐减低。因此,为保证较高浓度臭氧的产生,应在满足曝气压力要求和经济条件许可的前提下,选择最佳空气流量,并尽可能地降低空气湿度和压力。而且,应适当控制紫外灯之间的距离,以避免某个紫外灯分解相邻紫外灯所产生的臭氧。本文研制的多管UV-microO3工艺装置中,当进气压力为14.0 kPa,进气露点约为-24。C,进气流量为3.0 L min-1时,能够产生浓度为0.79 mg L-1的臭氧。另外,尽管臭氧能够吸收254 nm紫外光,但是UV-microO3工艺中的较低浓度臭氧不足以显著影响紫外光强。UV-microO3工艺中·OH的产生及其在去除不同类型有机物过程中的作用：对.OH的检测结果说明,UV-microO3工艺去除有机物过程中有.OH产生并发挥重要作用,这直接证实了UV-microO3工艺是一种高级氧化工艺。该技术对苯胺、氯苯和甲基叔丁基醚的去除水平显著高于UV/air工艺,这是由于UV-microO3工艺具有更强的产生-OH的能力：当空气流量为3.0 L min-1时,UV/air工艺和UV-microO3工艺中·OH浓度分别为1.2×10-14mol L-1和2.95×10-14mol L-1.UV/air和UV-microO3工艺降解有机物主要是紫外光光解和·OH的结果,其中·OH的贡献比例受到有机物自身特性的影响而有所不同。对于UV/air工艺来说,尽管空气能够促进有机物的去除,但紫外光光解仍为有机物去除主要的途径。而UV-microO3工艺中的·OH则在上述几种有机物的去除过程中均发挥重要作用。UV-microO3工艺降解雌激素的影响因素作用情况及机理分析：UV-microO3工艺能够有效降解两种雌激素：雌二醇(E2)和17a—乙炔基雌二醇(EE2),并迅速降低水体雌激素活性。水中存在的腐殖酸(HA)和常见阴阳离子或通过吸收紫外光,或通过促进或抑制·OH反应的进行,对UV-microO3工艺去除有机物的效果造成复杂的影响。UV-microO3工艺去除E2和EE2过程中产生了具有雌激素活性的中间产物,导致雌激素活性的降低较雌激素本身浓度的下降表现出滞后性。根据GC-MS分析结果,UV-microO3工艺去除E2时,既可能首先攻击苯环上的氢原子,也可能先攻击环烃中碳原子上的氢原子,从而产生羟基,并被进一步氧化为羰基和羧基,最终被氧化为CO2和H2O。对于EE2来说,乙炔基和苯环上的氢原子和羟基首先被氧化,产生羰基和羧基,进而发生断链和开环,最终被彻底矿化。紫外-臭氧系统中氧化副产物溴酸盐的产生及控制：对UV/03和UV-microO3工艺去除水中有机物过程中溴酸盐产生情况的研究结果表明,UV-microO3工艺去除水中有机物的水平仅略低于UV/03工艺,而在溴酸盐控制方面则具有显著的优势。这是由于在UV/03工艺去除水中有机物时·OH发挥了主要作用,而溴酸盐的产生则是臭氧分子和·OH两方面作用的结果。所以,不论有机物是否易被臭氧分子氧化,降低臭氧投加量对溴酸盐产生的影响作用均较对有机物去除的影响作用更为显著。因此,UV-microO3工艺能够有效控制水中溴酸盐的产生。为了提高紫外-臭氧系统有机污染物去除水平,可采用低臭氧浓度、长反应时间的运行方式。该方式通过产生较高的·OH剂量来保证有机物的去除效率,并通过取得较低的臭氧CT值(反应时间内臭氧浓度的积分值)和较长时间的紫外光还原作用来抑制溴酸盐的产生。鉴于UV-microO3工艺能够取得较好的有机物去除水平,并具有出色的溴酸盐控制能力,当原水中存在溴离子尤其是溴离子浓度较高时,用UV-microO3工艺替代UV/O3工艺具有优越性。综上所述,作为一种新型高级氧化工艺,UV-microO3工艺能够通过紫外光激发和·OH氧化两方面作用完成对水中有机污染物的高效降解。与UV/03工艺相较,UV-microO3工艺不需要专门的臭氧发生装置,而是采用紫外光激发空气产生较低浓度臭氧,这不仅使工艺更为简单易行,且在溴酸盐控制方面具有显著优势,因此,UV-microO3工艺是替代UV/03工艺作为饮用水深度处理技术的优越技术。
【图文】：
２．３实验方法逡逑２．３．１光化学巧发栛工艺装置逡逑试验中使用两个不同规模试验装置，示意图分别如图２－ｌ（ａ）和（ｂ）所示。实物围如图２４（ｃ）逡逑和灿）所示。反应器１为多管型装置，有效容积为６５以反应器高５８０邋ｍｍ，直径４００邋ｍｍ。反逡逑应器中安装紫外灯管６支，紫外灯管外为石英玻璃套管，内径％邋ｍｍ。反应器底部安装铁合逡逑金曝气头６只。反应器２为单管型，有效容积为１８邋Ｌ，反应器２高６００邋ｍｍ，直径２００邋ｍｍ。逡逑反应器中安装紫外奸管１支，紫外灯管外为石英玻璃套管，内径３６邋ｍｍ。反应器底部安装铁逡逑合金曝气头４只。逡逑１５逡逑
东南大学巧±学位论文逡逑气和氮气条件下紫外光的消耗情况，试验结果如图３－１所示。逡逑１６．０逦１逡逑W邋——逦＃逦＃逦＾、？邋一－一－ｉ■＇？■－、ｉ逡逑１５．５－邋－Ｌ逦＾逦Ａ逡逑ｆ香巧．０－邋｜＿＾邋ａｉｒ邋Ｉ逡逑妾邋－Ｉ—？—邋ｎｉｔｒｏｇｅｎｉ逡逑Ｈ邋Ｕ．Ｓ－逡逑亏逡逑§邋１４．０－逡逑１２．５邋＇邋７逦■逦｛逦■邋Ｉ逦■逦■逦■逦■逦■逦■逦■邋Ｉ逦－逦■逦■邋Ｉ逦Ｉ逡逑０邋０逦０．６逦１．２逦１．Ｂ逦２．４逦３．０逦，，邋３．６逦４．２逦４．８逡逑Ｉｎｌｅｔ邋ａｉｒ邋ｆｌｏｗ邋ｒａｔｅ邋（Ｌｉｎｉｎ＇）逡逑图３＾不同进气流量下紫外光的消耗逡逑Ｆｉｇ．邋３－４邋Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ＵＶ邋ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ邋ｂｙ邋ｏｚｏｎｅ邋ｉｎ邋ｖａｒｉｏｕｓ邋ｉｎｌｅｔ邋ａｉｒ邋幻ＯＷ邋ｒａｔｅｓ逡逑当空气进气流量从Ｌ８邋Ｌ邋ｍｉｎ‘１X椉拥剑矗稿澹蹋恚椋睢楣讨校贤夤馇勘浠魇朴氤粞跖ǘ雀斟义虾孟喾矗旱苯髁看樱保稿澹蹋恚椋睢奂拥剑常板澹蹋恚椋睢笔保贤夤馇看樱保常叮插澹恚族澹悖椋椋妫步档臀保玻福靛义希恚族澹悖恚玻苯髁拷徊缴呤保贤夤馇恐鸾ド撸苯髁课矗稿澹蹋恚椋睢鄙叩藉义希保常担靛澹恚族澹悖恚病８蒎澹蹋幔恚猓澹颍簦拢澹澹蝈宥桑哄义希欤睿ǎ
本文编号：2578245
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２．３实验方法逡逑２．３．１光化学巧发栛工艺装置逡逑试验中使用两个不同规模试验装置，示意图分别如图２－ｌ（ａ）和（ｂ）所示。实物围如图２４（ｃ）逡逑和灿）所示。反应器１为多管型装置，有效容积为６５以反应器高５８０邋ｍｍ，直径４００邋ｍｍ。反逡逑应器中安装紫外灯管６支，紫外灯管外为石英玻璃套管，内径％邋ｍｍ。反应器底部安装铁合逡逑金曝气头６只。反应器２为单管型，有效容积为１８邋Ｌ，反应器２高６００邋ｍｍ，直径２００邋ｍｍ。逡逑反应器中安装紫外奸管１支，紫外灯管外为石英玻璃套管，内径３６邋ｍｍ。反应器底部安装铁逡逑合金曝气头４只。逡逑１５逡逑
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