UV/氯降解水中氟喹诺酮:直接光降解、氯氧化及二者联合降解

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氟喹诺酮类(FQs)抗生素在水环境中的不断检出引起了人们广泛关注,由于传统饮用水处理工艺对其去除效果不佳,高级氧化工艺(AOPs)成为更好的选择。UV/氯作为一种新兴AOP在饮用水处理方面具有得天独厚的优势,但在降解FQs方面仍然存在许多基础研究上的空白。因此,本文研究了UV/氯AOP降解机理中的氯氧化和UV直接光降解FQs的基础动力学,鉴于UV剂量难以准确测量,对准平行光束仪(QCBA)进行了模拟优化。此外,对UV/氯AOP、UV直接光降解和氯氧化降解FQs的效果进行了对比,并研究了UV直接光降解和氯氧化降解FQs过程中的急性毒性变化。得到的主要结论如下:(1)采用计算流体力学(CFD)对光反应器的搭建参数进行优化。隔板结构的QCBA优于桶式结构,两层隔板的相对位置位于上下的结构可以实现平行性最高(PF′=0.964)的准平行光束;灯管的数量对光束平行度几乎没有影响,多灯管紧挨并列放置可提升光通量(FR);UV灯单位FR的大小对光束平行度没有影响,单位FR与最高点FR呈线性相关关系;实际搭建的三层结构QCBA的PF′测量值为0.973,高于模拟最优结果(PF′=0.964)。(2)探究UV光降解FQs的基础动力学和降解过程中的急性毒性变化。选定的五种FQs的直接光降解符合伪一级动力学。溶液pH对FQs的摩尔吸光系数(ε)、基于UV剂量的直接UV光降解速率常数(k’)与光量子产率(φ)有较大影响,主要取决于FQs的解离形态。FQs不同形态的ε,k’,φ大小关系均为FQ0>FQ->FQ+;温度可以促进FQs的降解,但影响较小,计算得到FQs的表观活化能范围为13.26—23.14kJ/mol;SO42-、Cl-、NO3-和HCO3-/CO32-对五种FQs的降解均有不同程度上的促进和抑制作用;FQs对水生生物基本没有急性毒性,但对水蚤的慢性毒性介于有毒和无毒之间;光降解在一定剂量的条件下有减弱毒性的潜能,但常规UV消毒剂量40mJ·cm-2对FQs降解过程中的急性毒性变化影响甚微;(3)探究氯氧化降解FQs的基础动力学和降解过程中的急性毒性变化。pH通过影响FQs和自由氯的形态,进而影响自由氯氧化FQs的过程,分子态的恩诺沙星(ENR)反应速率最高,洛美沙星(LOM)的降解几乎只与阴离子态有关,氧氟沙星(OFL)的降解几乎与阴离子态无关;温度的增加均增大了三种FQ的反应速率,计算得到FQs的表观活化能的范围为26.80—84.27kJ/mol;SO42-、Cl-、NO3-和HCO3-/CO32-几乎均对FQs的氯氧化降解有促进作用,除了Cl-对OFL的降解有稍微抑制率作用;氯氧化很难降低FQs降解过程中的急性毒性,甚至生成的中间产物可能比母体更具毒性。(4)对比研究了UV/氯、UV直接光降解和氯氧化降解FQs的效果。UV/氯AOP对三种选定的FQs均表现较强的氧化降解能力,在40mJ·cm-2以内的UV剂量和10μM以内的氯剂量的条件下几乎实现FQs的完全降解。UV/氯AOP与单独氯氧化和UV直接光降解相比,达到相同去除效果,所需的UV剂量和氯剂量大幅减少。
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