二氧化钛光催化抑制UV-氯消毒工艺中THMs生成的研究

摘要

生物处理出水中存在多种病原微生物、微量有毒有害化学污染物和植物性营养物质，这些物质经过消毒处理后会产生一些对人体有害的消毒副产物。这对再生水安全利用存在一定的风险，从而制约着回用水的再生利用。本论文选用在紫外消毒(UV)中添加二氧化钛联合氯消毒对城市污水厂二沉池出水、模拟MBR出水、实际MBR出水进行消毒处理，并研究了光催化对THMs消毒副产物前驱物的降解效果。本文还采用树脂分离、三维荧光(3DEEM)、红外光谱(FTIR)、凝胶渗透色谱(GPC)等技术对三种不同水样及其经过光催化处理后的出水中有机物组分进行表征，分析了光催化对不同水样亲疏水特性、荧光特性、红外光谱特性和分子量分布特性的影响。通过研究水样中消毒副产物前驱物的分子量分布特征和亲疏水性有助于处理工艺的选择，并对处理效果做出预测，推测出光催化的降解机理。
　　本论文得出的主要结果如下:
　　(1)在UV消毒中添加二氧化钛对济南市城市污水处理厂二级出水氯消毒副产物有一定的去除效果，三卤甲烷(THMs)去除率随着光催化工艺条件的不同存在差异。其中，光催化剂投加量对THMs去除效果的影响最大，在所选的投加量范围内，投加量越大，THMs去除效果越好。对水中可溶性有机物(DOM)的分析表面，二沉池出水中的主要有机物为芳香蛋白类及类腐殖酸类物质（占有机物总荧光值70％以上），紫外消毒降低了原水中芳香蛋白类产物的量，但类黄腐酸及类腐殖酸类物质增加。在添加TiO2后，芳香蛋白类物质的量降低幅度增大。由红外光谱分析可知，UV能将水中有机物的部分官能团破坏而添加了二氧化钛后，氧化能力增强，有机物被氧化的更为彻底。GPC结果表明，UV能破坏有机物的分子结构，使大分子有机物被降解为小分子有机物。添加二氧化钛后，有机物被光催化进一步降解。
　　(2) MBR技术和光催化技术联用处理明显提高了出水水质，降低了MBR出水中消毒副产物前驱物的含量，但总三卤甲烷生成势(THMFP)降低不多。树脂分级分离试验表明，MBR光催化可以降低疏水性物质(HOA)组分产生的THMs，从而降低水中的消毒副产物含量。三维荧光分析结果显示，与MBR出水相比，MBR光催化出水总荧光强度明显降低，其中芳香蛋白类有机物明显减少。
　　(3)对实际MBR出水研究表明，光催化能有效降低实际MBR出水中THMs前驱物的量。光催化对实际MBR出水中的HOA有较好的去除效果，但对疏水碱性物质(HOB)，疏水中性物质(HON)及亲水性物质(HIS)去除效果不明显。实际MBR出水及MBR光催化出水中的主要荧光物质均为腐殖酸类有机物。实际MBR出水与MBR光催化出水相比含更多的芳香蛋白类物质。光催化可以破坏水中有机物的大部分官能团，对酚、醇类有机物，芳香环和不饱和芳香性物质以及羧酸类化合物有较好的去除效果。实际MBR出水及MBR光催化出水主要都以大于20 kDa分子量的大分子有机物为主。光催化能有效破坏水中的大分子物质，使之降解为小分子有机物。

目录

声明

摘要

前言

第一章 文献综述

1．1 再生水应用的现状和问题

1．1．1 国外再生水应用现状

1．1．2 国内再生水的应用现状

1．1．3 再生水回用中卫生安全问题

1．1．4 再生水消毒面临的问题

1．2 氯消毒

1．2．1 氯的性质和消毒机理

1．2．2 氯消毒副产物

1．3 紫外消毒

1．3．1 紫外消毒发展历程

1．3．2 紫外消毒的机理

1．4 紫外／氯联合消毒技术

1．5 高级氧化法

1．6 研究思路与内容

第二章 实验材料与方法

2．1 实验试剂与仪器设备

2．1．1 实验试剂

2．1．2 实验用仪器与设备

2．2 实验水样

2．2．1 二沉池出水

2．2．2 MBR模拟水样

2．2．3 MBR实际水样

2．3 实验装置及运行条件

2．3．1 光催化实验装置

2．3．2 MBR实验装置

2．4 水质指标的测定

2．4．1 二沉池出水光催化水质指标测定

2．4．2 MBR出水水质指标测定

2．5 实验方法

2．5．1 出水氯消毒实验方法

2．5．2 三卤甲烷生成势(TTHMFP)的测定

2．5．3 气相色谱分析方法

2．6 三维荧光检测分析

2．7 DOM树脂分离

2．8 光催化实验

2．9 红外光谱测定方法

第三章 二氧化钛光催化抑制二沉池出水UV-氯消毒THMs生成的研究

3．1 初步探讨UV消毒中添加TiO2对后置氯消毒THMs生成的影响

3．2 二氧化钛光催化影响因素实验

3．2．1 光照时间对THMs生成的影响

3．2．2 水样pH值对THMs生成的影响

3．2．3 二氧化钛投加量对THMs生成的影响

3．2．4 二氧化钛形态对THMs生成的影响

3．3 二氧化钛对水中DOM性质的影响

3．3．1 不同处理过程出水中3DEEM特性

3．3．2 不同处理过程出水的红外光谱分析

3．3．3 不同处理过程出水的GPC色谱分析

3．4 小结

第四章 二氧化钛光催化抑制模拟MBR出水UV-氯消毒THMs生成的研究

4．1 MBR市政废水的启动特性

4．1．1 MBR启动过程中污泥浓度的变化特性

4．1．2 MBR启动过程中对CODcr的去除特性

4．1．3 MBR启动过程中对氨氮、亚硝态氮和硝态氮的去除特性

4．1．4 MBR启动过程中对DOC和UV254的去除特性

4．2 MBR出水的DOM特性与其THMs生成特性

4．2．1 MBR出水THMs生成动力学

4．2．2 不同组分DOM的THMs生成特性

4．2．3 三维荧光分析

4．3 MBR光催化出水DOM特性及THMs生成特性

4．3．1 MBR光催化出水THMs生成动力学

4．3．2 不同组分DOM的THMs生成特性

4．3．3 三维荧光分析

4．4 小结

第五章 二氧化钛光催化抑制污水厂MBR出水UV-氯消毒THMs生成的研究

5．1 MBR处理效果

5．2 THMs生成特性研究

5．3 水中DOM特性研究

5．3．1 有机物亲疏水特性分布

5．3．2 有机物红外光谱分析

5．3．3 有机物荧光特性分析

5．3．4 有机物GPC色谱分析

5．4 小结

第六章 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文及授权专利