氯/紫外组合工艺去除水中氨氮和控制DBPs的效能与机理

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氨氮是我国水体中普遍存在的污染物质,已受到广泛的关注。在饮用水处理中,采用折点氯化法去除水中氨氮导致氯化消毒副产物的大量形成,严重影响水质安全。为了使水中氨氮浓度满足我国《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)标准,同时降低消毒副产物的生成量,急需开发一种高效去除氨氮的水处理工艺。因此,本研究具有重要的理论意义和实际应用价值。本研究采用氯/紫外组合工艺去除水中氨氮。氯/紫外组合工艺可以在氯氮质量比小于5:1的条件下有效去除氨氮,出水余氯(一氯胺)浓度也满足国家水质标准。氯/紫外组合工艺去除氨氮的耗氯量显著低于折点氯化工艺,降低了氯化消毒副产物生成量,在去除氨氮污染方面具有一定的优势。通过研究氯/紫外组合工艺去除氨氮的影响因素,得到氯氮质量比、紫外剂量和p H值是氨氮去除的主要因素;天然有机物和重碳酸根离子抑制氨氮的去除;氯离子对氨氮去除无显著影响。对氯/紫外组合工艺去除氨氮的机理进行了研究。紫外光辐射不能直接光解氨氮,紫外光对氯胺的光解作用和自由基对氨氮的氧化作用是氯/紫外组合工艺去除氨氮主要机理。通过氯与氨氮的取代反应使氨氮转化为氯胺,254 nm波长下,一氯胺的摩尔吸光系数为354 M-1cm-1,量子产率为0.68 mol·E-1。根据稳态假设,本研究建立了氯/紫外组合工艺去除氨氮的拟一级反应动力学模型,并对氯自由基和羟基自由基在反应中的贡献进行了分析。采用相对速率法,首次得到了氯自由基与氨氮的反应速率常数为5.6×108 M-1s-1(p H值为7.5)。氯胺的紫外光解产生胺基自由基和氯自由基,氯自由基水解形成羟基自由基,氯自由基和羟基自由基可将氨氮转化为胺基自由基。在有氧条件下,胺基自由基与水中溶解氧反应形成稳定的氧化产物,包括亚硝态氮,硝态氮,以及一氧化二氮;在无氧条件下,胺基自由基转化为氮气。氯/紫外组合工艺能有效控制消毒副产物(DBPs)的形成。氯/紫外组合工艺能去除天然有机物中的共轭双键及芳香环结构,从而有效去除消毒副产物前体物。在DBPs生成量方面,氯/紫外组合工艺的三卤甲烷(THMs)和卤乙酸(HAAs)生成量分别为31.4μg·L-1和33.8μg·L-1,显著低于折点氯化工艺(65.1μg·L-1和43.0μg·L-1);二氯乙腈(DCAN)生成量为4.70μg·L-1,略高于折点氯化(2.59μg·L-1),但低于世界卫生组织的浓度限值20μg·L-1;三氯硝基甲烷(TCNM)生成量与折点氯化相近,分别为0.5μg·L-1和0.2μg·L-1;氯/紫外组合工艺的亚硝基二甲胺(NDMA)生成量低于检测限1.0 ng·L-1。投氯量和紫外剂量对DBPs生成量影响显著;p H值升高促进THMs生成,但抑制HAAs和卤乙腈(HANs)生成;氨氮浓度增加抑制了THMs和HAAs的生成,但促进HANs的生成;天然有机物浓度升高导致DBPs生成量增大。处理未受氨氮污染的水体时,氯/紫外组合工艺和氯化工艺的DBPs生成量和生成势差异不显著;处理含高氨氮和天然有机物的水体时,氯/紫外组合工艺DBPs生成量低于氯化工艺,但DBPs生成势高于氯化工艺。酸性条件促进DBPs的生成。采用响应面优化法对氯/紫外组合工艺参数进行优化。建立了氯/紫外组合工艺参数(氯氮质量比,紫外剂量,p H值)与响应值(氨态氮去除率和消毒副产物生成率)的数学拟合方程,相关系数分别为0.998和0.994。以含1.00 mg·L-1氨氮和1.60 mg·L-1天然有机物的水为试验对象,以出水氨态氮浓度0.50 mg·L-1,DBPs生成量最低为目标,得到氯/紫外组合工艺的优化工艺条件为:氯氮质量比为3.2:1,紫外剂量为121 m J·cm-2,p H值为7.8;此工艺条件下,DBPs生成量为21.7μg·L-1,氯/紫外组合工艺处理每吨水所需的电耗费0.025元,药耗费0.006元。综上,氯/紫外组合工艺在有效去除氨氮的同时可以控制消毒副产物的生成。氯/紫外组合工艺处理含氨氮污染水体具有一定的工程应用前景。
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