预臭氧化消毒副产物生成特性和控制技术研究

摘要

预臭氧化工艺具有杀菌能力强，除藻效果好，能够去除有机物等优点，在国外受到重视，并逐渐应用于实际饮用水生产过程中。而我国的研究起步较晚，多数仍处在实验室和中试阶段，在实际应用中的数据相对缺乏。在这样的大背景下，研究预臭氧化消毒副产物生成特性和控制技术，确定预臭氧化过程中溴酸盐及含碳消毒副产物(C-DBPs)和含氮消毒副产物(N-DBPs)等水质指标之间的最佳平衡点，为预臭氧化工艺的应用提供理论基础和实践经验，对优化给水厂的处理工艺，提高饮用水水质安全有着重要作用和意义。
　　本文以天津市水源水为研究对象，研究预臭氧化工艺对消毒副产物(DBPs)的影响，得出预臭氧化的最优CT值条件，找出其对传统氯消毒副产物和新型含氮消毒副产物三氯硝基甲烷(TCNM)的控制方法。得出了以下主要结论:
　　预臭氧化的CT值对净水效果的影响研究发现:试验原水经不同CT值条件下的预臭氧化处理后，出水的UV254值有了大幅度下降，可溶性有机碳(DOC)、三卤甲烷生成势(THMFP)和卤乙酸生成势(HAAFP)均有一定程度的下降，溴酸盐含量也均符合国家关于饮用水中溴酸盐浓度的要求。确定实验所用原水的预臭氧化最优CT值为初始臭氧浓度1.35-2.0 mg/L，臭氧接触反应时间为10min，即最优CT值为13.5-20.0 mg/L·min。在实际水厂生产中，低温低浊及普通水质期，可采用较低的初始臭氧投量，即1.35-1.5 mg/L左右，高温高藻期，水质条件变差，初始臭氧投量可以适当提高至2.0 mg/L左右。
　　最优CT值条件下DBPs的生成特性研究表明:对于试验原水来说，MW＞30kDa组分是THMs和HAAs的主要前体物质，其THMFP和HAAFP分别约占试验原水的25.14％和40.36％。MW在10-30 kDa的有机物组分与氯反应具有最强的THMs和HAAs生成能力。对于预臭氧化出水来说，MW＜1 kDa组分对THMs和HAAs的生成量贡献最大。MW在1-3 kDa的有机物组分与氯反应具有最强的THMs生成能力，而MW在3-10 kDa的有机物组分与氯反应具有最强的HAAs生成能力。预臭氧化造成了大分子有机物的分解，使得NOM的MW分布向小分子迁移。
　　向原水中加入一定量的溴化钾溶液，研究不同溴离子浓度下的原水在最优 CT值处理条件下溴酸盐的生成情况，发现当试验原水溴离子浓度为143.521μg/L时，预臭氧化反应出水中溴酸盐的含量为10.402μg/L。因此，确定溴酸盐生成量超标时试验原水中溴离子的含量约为143μg/L，即当原水中溴离子浓度约为285μg/L时，在最优CT值条件下进行预臭氧化的出水中溴离子含量就有超标的危险。在此临界溴离子浓度下对预臭氧化工艺进行优化实验得出，调节原水pH至6.0，同时向原水中加入适量氨氮，预臭氧化反应20分钟后即可达到去除THMFP和HAAFP和控制溴酸盐生成的双重目的。
　　氨基酸配水体系中TCNMFP的影响因素研究发现:甘氨酸、赖氨酸和色氨酸溶液经过预臭氧化反应后，TCNMFP的浓度均随着初始臭氧投量的提高而增加。四种氨基酸经过预臭氧化反应后，其TCNMFP浓度均随着预臭氧化反应时间的延长而升高。各种氨基酸溶液经预臭氧化反应后，初始pH对TCNMFP的影响由于氨基酸种类的不同而不同。当有亚硝酸盐存在时，四种氨基酸经过预臭氧化反应后的TCNMFP都有所上升。但是当初始亚硝酸盐浓度提高到较高水平时，整体的增加趋势并不十分显著。
　　研究实际水体中预臭氧化工艺对TCNMFP的影响得出:对于试验原水来说，MW为1-3 kDa的有机氮组分是TCNM的主要前体物质，MW在3-10 kDa的有机氮组分与氯反应具有最强的TCNM生成能力。对于预臭氧化出水来说，MW＜1kDa组分对TCNM的生成量贡献最大，预臭氧化对TCNM的增长作用可能就在于此部分可溶性有机碳(DON)有了生成TCNM的潜能;MW在3-10 kDa、10-30kDa和＞30 kDa的有机氮组分与氯反应生成TCNM的能力都较强。水厂原水经预臭氧化后，TCNMFP有了显著增加。随着臭氧投量的增大，原水经预臭氧化反应后的TCNMFP先略微降低后升高。随着反应时间的延长，TCNMFP先降低后升高，在反应时间为5分钟时，TCNMFP有最小值。随着pH值的升高，预臭氧化处理后出水的TCNMFP迅速升高。强酸性环境（pH=4时）有利于控制预臭氧化处理中TCNM的生成。当试验原水中处于临界溴离子浓度条件下时，为了控制TCNM的生成，在确保溴酸盐含量不超标的前提下，可向原水中少投加或者不投加氨氮。这样，在原水处于临界溴离子浓度的情况下，既可有效控制溴酸盐的生成，也可尽量减少TCNM的生成，提高饮用水的安全性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

第一节 研究背景

第二节 国内外研究进展

1．2．1 臭氧预氧化对NOM及氯化消毒副产物的影响

1．2．2 臭氧消毒副产物的生成

1．2．3 饮用水典型卤化含氮消毒副产物三氯硝基甲烷

第三节 论文研究的内容、目的及意义

1．3．1 论文研究的目的及意义

1．3．2 论文研究的主要内容

1．3．3 论文的技术路线

第二章 实验材料与方法

第一节 实验试剂与实验仪器

2．1．1 实验水质

2．1．2 实验试剂

2．1．3 实验仪器

第二节 实验方法

2．2．1 预臭氧化的CT值对净水效果的影响实验

2．2．2 最优CT值条件下消毒副产物的生成特性实验

2．2．3 临界溴离子浓度下预臭氧化过程中常规消毒副产物的抑制实验

2．2．4 新型含氮消毒副产物三氯硝基甲烷的控制方法研究实验

第三节 分析方法

2．3．1 常规指标测定方法

2．3．2 有机物指标的测定

2．3．3 氯化消毒副产物的测定方法

2．3．4 消毒副产物生成势的测定

2．3．5 臭氧消毒副产物的测定方法

第三章 预臭氧化的CT值对净水效果的影响

第一节 引言

第二节 试验介绍

3．2．1 试验原水

3．2．2 试验过程

3．2．3 分析方法及仪器

第三节 实验结果及讨论

3．3．1 预臭氧化CT值对有机物的去除效果影响

3．3．2 预臭氧化CT值对氯化消毒副产物的去除效果影响

3．3．3 预臭氧化CT值对臭氧消毒副产物的影响

3．3．4 预臭氧化最优CT值的确定

第四节 本章小结

第四章 最优CT值条件下消毒副产物的生成特性

第一节 引言

第二节 试验介绍

4．2．1 试验原水

4．2．2 试验过程

4．2．3 分析方法及仪器

第三节 基于分子量分析天然有机物生成消毒副产物的特性

4．3．1 不同分子量天然有机物组分分布

4．3．2 不同分子量天然有机物与消毒副产物的关系

4．3．3 不同分子量天然有机物紫外光谱分析

第四节 天然有机物SUVA值与消毒副产物的关系

第五节 本章小结

第五章 临界溴离子浓度下预臭氧化过程中常规消毒副产物的抑制

第一节 引言

第二节 原水溴离子浓度对溴酸盐生成的影响

第三节 临界溴离子浓度下预臭氧化工艺参数的优化

5．3．1 正交实验结果

5．3．2 极差分析

5．3．3 方差分析

第四节 本章小结

第六章 新型含氮消毒副产物三氯硝基甲烷的控制方法研究

第一节 引言

第二节 试验介绍

6．2．1 试验用水

6．2．2 试验过程

6．2．3 分析方法及仪器

第三节 氨基酸配水体系中水质条件对消毒副产物的影响

6．3．1 预臭氧-氯化和氯化对消毒副产物生成势的影响

6．3．2 臭氧投加量的影响

6．3．3 反应时间的影响

6．3．4 pH的影响

6．3．5 亚硝酸根的影响

第四节 实际水体中预臭氧化工艺对TCNM生成势的影响

6．4．1 最优CT值条件下TCNM的生成特性

6．4．2 不同反应条件对水厂原水消毒副产物生成势的影响

6．4．3 临界溴离子浓度下预臭氧化工艺参数的优化对TCNM生成势的影响

第五节 本章小结

第七章 结论与展望

第一节 结论

第二节 主要创新点

第三节 建议

参考文献

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果