家用净水UV消毒单元对自来水中NOM转化的影响及作用机制

摘要

近年来，饮用水水质安全问题已经成为影响人类生存与健康的重大问题。从保护水源、优化和强化常规处理工艺、控制输配水过程“二次污染”三个层面来确保用户终端的水质安全是国内外研究者一致的共识。然而，由于饮用水事故频发，导致越来越多的消费者将目光转向了家用净水技术。作为消费者自己可以掌握的最后一道“屏障”，家用净水技术的效能和潜在风险的评估对于其大规模的推广和应用具有现实和理论意义。
　　目前的家用净水技术主要有膜过滤、离子交换、活性炭吸附以及紫外线(Ultraviolet，UV)消毒等。这四者目前已经研究较多。对于UV消毒来说，其本身并不会带来水质安全风险。然而由于自来水中普遍存在余氯(Free Chlorine，FC)，FC在UV辐射的作用下会产生活性氯自由基(Reactive Chlorine Species，RCS)，RCS能与水中的有机物生成氯代有机物，从而给饮用水的安全带来挑战。自来水中的有机物，天然有机物(Natural Organic Matters，NOM)占绝大部分，人工合成的痕量有机污染物所占比例较小。因此，自来水中的NOM在RCS作用下如何转化对于UV消毒在家用净水的应用实践具有指导意义。为此，本文以两种含氯自来水中的NOM作为研究对象，考察了其在254nm UV(UV254)辐射下的氯代有机物生成以及TOC变化、结构变化、分子量分布、可生化性、生物毒性等特性的演变，并对诱发这些物化特性改变的机理进行了解析。
　　结果表明，UV/FC对自来水中NOM作用时ClO-几乎全部转化为Cl-，氯代有机物的生成可忽略不计;无论是单独紫外辐射、单独氯氧化还是二者联合作用，商品HA及自来水中的NOM的浓度几乎没有变化，即没有发生矿化，可能只是发生了局部官能团的变化，且商品HA的可生化性无明显变化。单独氯氧化和单独紫外辐射不会破坏商品HA和自来水中NOM的芳香结构和/或不饱和双键结构，而UV/FC由于自由基的产生导致了这些结构的破坏。且分子量分布的结果亦说明UV/FC仅对HA分子结构中的部分官能团结构进行了破坏;商品HA单独氯氧化和单独紫外辐射时生物毒性减弱，而UV/FC作用时生物毒性增强;自来水中的NOM长时间经过管网，NOM的需氯量减少，已部分转化为含氯有机物，故其在单独氯氧化时毒性增强，在单独紫外辐射时毒性保持不变，在UV/FC时毒性减弱。
　　考虑到NOM为多组分混合物的特性，使用常规的竞争动力学方法来研究其与自由基的相互作用存在一定难度。采用引入探针化合物吐纳麝香(AHTN)的方法，进行UV/FC对自来水中NOM的作用机理研究。采用竞争动力学分析其起主要作用的活性物种，采用液相色谱-质谱联用仪检测其降解产物。结果表明，UV/FC对自来水中NOM的转化机理起主要作用的是HO·和ClO·，且在反应过程中无含氯有机物生成。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 饮用水中有机污染物的来源及对环境的影响

1．1．1 天然有机物

1．1．2 微量有机污染物

1．2 饮用水处理工艺对有机污染物的去除效能

1．2．1 第一代饮用水净化工艺

1．2．2 第二代饮用水净化工艺

1．2．3 第三代饮用水净化工艺

1．2．4 用户端净水技术

1．3 家用UV消毒对饮用水水质的影响

1．3．1 UV／FC对微量有机污染物的去除

1．3．2 UV／FC对NOM的降解

1．4 研究目的与意义和主要内容

1．4．1 研究的目的和意义

1．4．2 研究内容

1．4．3 研究技术路线

2 实验材料和方法

2．1 实验材料及设备

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验设备

2．2 实验装置及方法

2．2．1 实验装置

2．2．2 实验方法

2．3 有效光程及光通量的测定

2．3．1 有效光程的测定

2．3．2 有效光通量的测定

2．4 AHTN与自由基的二级反应速率常数的测定

2．5 分析及检测方法

2．5．1 离子色谱检测方法

2．5．2 紫外-可见分光光度计检测方法

2．5．3 溶解性有机碳检测方法

2．5．4 液相色谱检测方法

2．5．5 液相色谱-质谱联用检测方法

2．5．6 三维荧光光谱检测方法

2．5．7 生物毒性检测方法

2．5．8 自由基检测方法

2．5．9 其他指标检测方法

3 紫外消毒对自来水中天然有机物的物化特性的研究

3．1 引言

3．2．1 氯代有机物的生成

3．2．2 总有机碳变化

3．2．3 结构变化的研究

3．2．4 分子量分布的研究

3．2．5 可生化性的研究

3．2．6 生物毒性的研究

3．3 自来水中NOM在UV／FC作用下的转化

3．3．1 氯代有机物的生成

3．3．2 总有机碳变化

3．3．3 结构变化的研究

3．3．4 生物毒性的研究

3．4 本章小结

4 NOM在UV／FC联合作用时的机理研究

4．1 引言

4．2 探针化合物AHTN量子产率的测定

4．3 紫外消毒反应活性物种的鉴定

4．4 中间产物及降解路径的研究

4．5 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

作者简介