藻类物质在紫外/氯消毒过程中生成溴代硝基甲烷的研究

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藻类物质在生长过程中,会向水体释放藻类代谢产物,但传统的水处理工艺难以将其有效去除,导致在氯化消毒过程中生成含氮消毒副产物。卤代硝基甲烷(HNMs)是含氮消毒副产物的典型代表,当水体中存在溴离子时,在消毒过程中容易形成溴代硝基甲烷,其细胞毒性和基因毒性在HNMs中处于前列,会对水质安全造成隐患。本论文探究了HNMs中的一溴硝基甲烷(BNM)和一溴二氯硝基甲烷(BDCNM)在低压紫外光照射条件下的光降解规律及反应途径,同时以常见三种藻类(小球藻、鱼腥藻和硅藻)的胞内有机物(IOM)作为前体物,研究溴离子存在时,藻类IOM在紫外/氯消毒过程中生成溴代硝基甲烷的规律和影响因素,并用实际水样验证了实验室模拟的藻类IOM在紫外/氯消毒过程中生成溴代硝基甲烷的影响因素和规律。本论文的研究成果可为在紫外/氯消毒过程中控制溴代硝基甲烷的生成提供理论依据和基础数据。本论文首先研究了HNMs在紫外光下的光降解特性。实验选取BNM和BDCNM作为研究对象,考察了光照强度、初始浓度、自由氯浓度、溴离子浓度和pH值对BNM和BDCNM光降解的影响并分析了其光降解动力学规律。根据相关文献和实验结果推导了BNM和BDCNM的光降解途径。结果表明:BNM和BDCNM在黑暗条件下几乎不降解,但在紫外光下能够快速降解,并且符合一级反应动力学规律。它们的光降解率随着光照强度和pH值的增加而增加,随初始浓度的增加而减小。添加自由氯能显著提升两者的光降解速率,并在降解过程中伴有其它HNMs的生成。溴离子能略微促进两者的光降解效果。本章实验结果可为控制溴代硝基甲烷的生成提供参考,同时可为后续藻类IOM在紫外/氯消毒过程中生成溴代硝基甲烷的浓度出现先增后减的现象提供解释依据。其次研究了溴离子存在时,藻类IOM在紫外/氯消毒过程中生成溴代硝基甲烷的规律。实验选取小球藻、鱼腥藻和硅藻的IOM作为研究对象,考察了自由氯浓度、溴离子浓度、初始浓度、光照强度和pH值对生成溴代硝基甲烷的影响,分析了藻类IOM在紫外/氯消毒过程中不同形态氯和形态氮的变化规律。结果表明:当溴离子存在时,小球藻、鱼腥藻和硅藻的IOM在紫外/氯消毒过程中均能生成溴代硝基甲烷,且生成量随反应时间的延长呈现先上升后下降的趋势,它们的生成潜能大小为小球藻>鱼腥藻>硅藻。小球藻IOM在紫外/氯消毒过程中能生成BNM和BDCNM,鱼腥藻和硅藻IOM能生成BNM、一溴一氯硝基甲烷(BCNM)和BDCNM。小球藻IOM产生的BNM随着自由氯浓度的增加而增加,BDCNM随着自由氯浓度的增加呈现先增大后减小的趋势。鱼腥藻和硅藻的IOM产生的BNM和BDCNM随着自由氯浓度的增加先增大后减少,BCNM随着自由氯浓度的增加而增加。随着溴离子浓度的增加,小球藻、鱼腥藻和硅藻的IOM在紫外/氯消毒过程中生成的BNM和BDCNM呈现先上升后下降的趋势,鱼腥藻和硅藻的IOM生成的BCNM随着溴离子浓度的增加而增加。小球藻、鱼腥藻和硅藻的IOM在紫外/氯消毒过程中生成的溴代硝基甲烷均随光照强度和初始浓度的增加而增加,随pH值的增加而减少。最后选取污水厂和给水厂中过滤后消毒前的实际水样验证实验室模拟的规律,并研究实际水样加入溴离子和藻类IOM后在紫外/氯消毒过程中形成溴代硝基甲烷的规律。实验结果表明:实际水样在紫外/氯消毒过程中生成溴代硝基甲烷的趋势与以藻类IOM为前体物时生成溴代硝基甲烷的趋势相似;藻类IOM在实际水样中生成溴代硝基甲烷的变化趋势与实验室超纯水模拟的规律相似,但由于实际水样中成分复杂,溴代硝基甲烷生成量的大小和出峰时间有所不同。本论文的研究成果可为水厂在紫外/氯消毒过程中控制HNMs的生成提供参考。
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