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微污染原水处理过程中溴代/碘代消毒副产物形成特性研究

作　者: 魏源源
导　师: 刘燕
学　校: 复旦大学
专　业: 环境科学
关键词: 微污染原水 溴代/碘代DBPs 生物源前驱物 溴/碘离子 生化成分 形成特性
分类号: TU991.2
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


由于大量的污染物,尤其是有机污染物通过不同的方式进入水体,使饮用水水源受到日趋广泛的微污染,且污染程度呈增加趋势,因而微污染原水中浓度更高、种类更多的污染物致使消毒副产物(disinfection byproducts, DBPs)的前驱物从过去的腐殖酸(humic acid, HA)和富里酸(fulvicacid, FA),目前已扩大到藻细胞物质、藻类胞外分泌有机物(extra-cellular organic matters, EOMs)以及其他一些重要来源的潜在有机物。本文具体针对微污染原水中生物源有机前驱物的存在特征和沿海地区水源易受咸潮入侵影响的特征,全面探讨微污染原水处理过程中溴代/碘代DBPs的生成特性,从而为建立饮用水厂风险控制技术和工程示范提供大量可供参考的技术指标。本论文以微污染原水甲和微污染内河水乙为研究切入点,于国内首次对两类代表性微污染原水及其经饮用水常规处理工艺(A水厂)和生物深度处理工艺(B水厂)各处理单元段内碘代DBPs的已有种类及生成潜能种类进行定性分析研究,首次于B水厂氯胺消毒、砂滤两单元段及出水中分别检测到CHCl2I和CHBrClI两种碘代DBPs。并在此基础上,重点针对无机前驱物溴或碘的影响变化,进一步探讨两类微污染原水在不同处理工艺内溴代/碘代DBPs的生成规律。经研究发现,在溴离子浓度不断升高过程中,A水厂各单元段THM4的生成浓度受溴离子浓度影响较大。原水、混凝沉淀、砂滤及出水中CHCl3的浓度为2.02-4.58μg/L, CHCl2Br浓度为3.53-9.93μg/L, CHClBr2浓度为15.31-35.03μg/L, CHBr3为94.95-158.35μg/L；当溴离子浓度为1mg/L时,各段内CHBr3浓度均已超出国家饮用水卫生标准规定的限值；而B水厂各段内THM4的生成水平受溴离子浓度影响较少,各DBPs浓度均低于A水厂且无超标风险。在碘离子浓度不断升高过程中,两水厂各段均以CHCl2I和CH2I2为主要DBPs。A水厂各段内CHCl2I的生成水平在6.06-20.83μg/L范围,始终高于CH2I2的2.36-10.06μg/L浓度水平；当碘离子浓度为3mg/L时,微污染原水甲生成的CHCl2I和CH2I2浓度达最高,即分别为20.83μg/L和10.06μg/L。B水厂情况刚好相反,各段内CH2I2的生成水平在1.01-9.781μg/L范围,略高于CHCl2I的1.27-6.19μg/L浓度水平,且氯胺消毒段生成CHCl2I和CH2I2的浓度最高。此外,碘离子浓度升高过程中,两水厂各段THM4的浓度一直维持在较低水平,且呈逐渐下降趋势；B水厂氯胺消毒、砂滤和出水各段内CHCl2Br,CHClBr2和CHBr3的生成水平不仅高于其他单元段,且高于A水厂各段内这三种溴代DBPs的浓度。以牛血清蛋白(BSA)、淀粉、腐殖酸(HA)、鱼油和DNA分别模拟微污染原水中生物源有机物的五种主要成分,即蛋白质、多糖、HA、脂肪和DNA,研究其与海洋性无机前驱物溴或碘经氯化消毒后,溴代/碘代DBPs的生成情况。研究表明,在溴离子浓度升高过程中,各模拟生化成分生成CHC13浓度逐渐降低,CHCl2Br和CHClBr2浓度呈先升高后降低的趋势,CHBr3生成浓度则不断升高。五种模拟生化成分中,DNA对氯代/溴代DBPs生成量的影响最小；牛血清蛋白(BSA)模拟的蛋白质成分更易生成CHCl3,生成浓度最高为100.19μg/L；鱼油和HA生成的CHCl3分别为63.72μg/L和55.58μg/L,浓度水平次之。而HA模拟的腐殖酸成分更易生成CHBr3,生成浓度最高为356.05μg/L; BSA和鱼油生成CHBr3分别为258.22μg/L和193.72μg/L,浓度次之。碘离子浓度升高过程中,鱼油模拟的脂肪成分是最易生成CHCl2I的前驱物,即浓度范围为13.63-16.98μg/L。五种模拟生化成分对CHCl2I生成量的影响顺序为：鱼油>HA≈淀粉>BSA≈DNA此外,研究还发现溴离子存在时,铜绿微囊藻胞内外总有机物氯化消毒生成的DBPs种类与BSA模拟生化成分完全相同；而铜绿微囊藻EOMs生成的DBPs种类与HA模拟生化成分完全吻合；而碘离子存在时,铜绿微囊藻胞内外总有机物与EOMs氯化消毒生成DBPs的种类均为CHCl3, CHCl2I和CH2I2。对四种代表性微污染原水,即微污染原水甲(A水厂原水)、微污染内河水乙(B水厂原水)、微污染江水丙(C水厂原水)和D水库水经氯胺和氯消毒生成溴代/碘代DBPs的情况进行研究,结果表明微污染江水丙经氯消毒生成的总三卤甲烷(Total trihalomethanes, TTHMs)浓度高达51.61μg/L,是四种微污染原水氯消毒时生成浓度最高的水源,并且是其氯胺消毒时生成浓度的50倍。B水厂生物预处理和BAC段出水经氯胺消毒生成DBPs的种类多于氯消毒时(仅生成CHC13)的种类,且该段内TTHMs生成浓度呈升高趋势变化,致使后续砂滤段TTHMs生成浓度虽有降低,但仍与该厂原水生成水平相当；C水厂BAC段经氯胺消毒生成TTHMs浓度也同样高于该厂原水生成水平,并且BAC段不仅生成CHC13,还生成CHCl2Br, CHClBr2和CHBr3, DBPs种类也更多。D水库水经氯消毒不仅生成溴代DBPs,还生成0.42μg/L的CHCl2I;虽然生成的碘代DBPs浓度较低,但由于其具有更高的遗传毒性,因此D水库水具有碘代DBPs的生成风险仍不可忽视。

全文目录


目录  3-7
摘要  7-9
Abstract  9-12
缩写词对照表  12-14
第1章 引言  14-32
  1.1 概述  14-16
    1.1.1 饮用水消毒  14
    1.1.2 消毒副产物前驱物的来源与存在形态  14-15
    1.1.3 微污染原水对饮用水消毒处理的负面影响  15-16
  1.2 溴代消毒副产物的形成及其健康风险  16-22
    1.2.1 溴代消毒副产物产生的原因  16-17
    1.2.2 溴代消毒副产物的形成机理  17-18
    1.2.3 溴代消毒副产物生成的影响因素  18-21
    1.2.4 溴代消毒副产物的健康风险  21-22
  1.3 碘代消毒副产物的形成及其健康风险  22-28
    1.3.1 碘代消毒副产物产生的原因  22-23
    1.3.2 碘代消毒副产物的种类  23
    1.3.3 碘代消毒副产物的形成过程  23-26
    1.3.4 碘代消毒副产物形成的影响因素  26
    1.3.5 碘代消毒副产物的毒理学研究进展  26-28
  1.4 溴代/碘代消毒副产物生成理论中尚需研究与解决的问题  28-29
  1.5 课题研究目标与意义、研究内容与创新点及研究路线  29-32
    1.5.1 研究目标与意义  29
    1.5.2 研究内容与创新点  29-30
    1.5.3 研究路线  30-32
第2章 试验材料与方法  32-42
  2.1 常规工艺和深度工艺各单元段溴代/碘代消毒副产物生成规律试验  32-34
    2.1.1 水厂运行工艺  32-33
    2.1.2 溴代/碘代消毒副产物种类定性分析及生成潜能种类试验  33-34
    2.1.3 两水厂各单元段溴代/碘代消毒副产物生成规律试验  34
  2.2 生物源有机前驱物模拟化合物溴代/碘代消毒副产物生成特性试验  34-36
    2.2.1 模拟化合物配制  34-35
    2.2.2 模拟化合物溴代/碘代消毒副产物生成种类定性试验  35
    2.2.3 模拟化合物溴代/碘代消毒副产物生成特性定量试验  35-36
  2.3 铜绿微囊藻溴代/碘代消毒副产物生成种类定性试验  36
    2.3.1 藻种培养  36
    2.3.2 铜绿微囊藻氯化试验  36
  2.4 氯与氯胺消毒对微污染原水溴代/碘代消毒副产物生成影响试验  36-38
    2.4.1 水样来源  36-37
    2.4.2 氯胺的制备  37
    2.4.3 氯胺消毒  37-38
    2.4.4 氯消毒  38
  2.5 定性和定量分析方法  38-40
    2.5.1 THMs和HAAs的预处理  38
    2.5.2 GC/MS分析测试条件  38-39
    2.5.3 GC/ECD分析测试条件  39-40
  2.6 水质分析指标及方法  40-42
    2.6.1 溴和碘检测条件  40-41
    2.6.2 其他检测指标及分析测定方法  41-42
第3章 常规处理工艺和深度处理工艺各单元段溴代/碘代消毒副产物生成规律  42-96
  3.1 常规处理工艺各单元段溴代/碘代消毒副产物的生成规律  42-62
    3.1.1 水质情况  42-43
    3.1.2 各单元段溴代/碘代消毒副产物的已有种类  43-45
    3.1.3 各单元段溴代/碘代消毒副产物的生成潜能种类  45-48
    3.1.4 溴离子对各单元段溴代/碘代消毒副产物的生成影响  48-54
    3.1.5 碘离子对各单元段溴代/碘代消毒副产物的生成影响  54-57
    3.1.6 常规处理工艺各单元段溴代/碘代消毒副产物的生成规律比较  57-62
  3.2 深度处理工艺各单元段溴代/碘代消毒副产物的生成规律  62-85
    3.2.1 水质情况  62-63
    3.2.2 各单元段溴代/碘代消毒副产物的已有种类  63-65
    3.2.3 各单元段溴代/碘代消毒副产物的生成潜能种类  65-68
    3.2.4 溴离子对各单元段溴代/碘代消毒副产物的生成影响  68-75
    3.2.5 碘离子对各单元段溴代/碘代消毒副产物的生成影响  75-81
    3.2.6 深度处理工艺各单元段溴代/碘代消毒副产物的生成规律比较  81-85
  3.3 常规工艺和深度工艺各单元段溴代/碘代消毒副产物生成规律比较  85-94
    3.3.1 各单元段已有种类与生成潜能种类比较  85-90
    3.3.2 各单元段溴代/碘代消毒副产物生成情况比较  90-94
  3.4 本章小结  94-96
第4章 生物源有机前驱物溴代/碘代消毒副产物的生成特性  96-139
  4.1 牛血清蛋白模拟化合物溴代/碘代消毒副产物的生成特性  96-103
    4.1.1 牛血清蛋白氯化消毒过程中卤代消毒副产物的生成种类  96-99
    4.1.2 溴离子对牛血清蛋白溴代/碘代消毒副产物生成浓度与分配变化的影响  99-100
    4.1.3 碘离子对牛血清蛋白溴代/碘代消毒副产物生成浓度与分配变化的影响  100-102
    4.1.4 溴/碘离子对牛血清蛋白溴代/碘代消毒副产物生成浓度与分配变化的影响  102-103
  4.2 淀粉模拟化合物溴代/碘代消毒副产物的生成特性  103-108
    4.2.1 淀粉氯化消毒过程中卤代消毒副产物的生成种类  103-104
    4.2.2 溴离子对淀粉溴代/碘代消毒副产物生成浓度与分配变化的影响  104-106
    4.2.3 碘离子对淀粉溴代/碘代消毒副产物生成浓度与分配变化的影响  106-107
    4.2.4 溴/碘离子对淀粉溴代/碘代消毒副产物生成浓度与分配变化的影响  107-108
  4.3 腐殖酸模拟化合物溴代/碘代消毒副产物的生成特性  108-113
    4.3.1 腐殖酸氯化消毒过程中卤代消毒副产物的生成种类  108-110
    4.3.2 溴离子对腐殖酸溴代/碘代消毒副产物生成浓度与分配变化的影响  110-111
    4.3.3 碘离子对腐殖酸溴代/碘代消毒副产物生成浓度与分配变化的影响  111-113
    4.3.4 溴/碘离子对腐殖酸溴代/碘代消毒副产物生成浓度与分配变化的影响  113
  4.4 鱼油模拟化合物溴代/碘代消毒副产物的生成特性  113-119
    4.4.1 鱼油氯化消毒过程中卤代消毒副产物的生成种类  113-115
    4.4.2 溴离子对鱼油溴代/碘代消毒副产物生成浓度与分配变化的影响  115-117
    4.4.3 碘离子对鱼油溴代/碘代消毒副产物生成浓度与分配变化的影响  117-118
    4.4.4 溴/碘离子对鱼油溴代/碘代消毒副产物生成浓度与分配变化的影响  118-119
  4.5 DNA模拟化合物溴代/碘代消毒副产物的生成特性  119-125
    4.5.1 DNA氯化消毒过程中卤代消毒副产物的生成种类  119-121
    4.5.2 溴离子对DNA溴代/碘代消毒副产物生成浓度与分配变化的影响  121-123
    4.5.3 碘离子对DNA溴代/碘代消毒副产物生成浓度与分配变化的影响  123-124
    4.5.4 溴/碘离子对DNA溴代/碘代消毒副产物生成浓度与分配变化的影响  124-125
  4.6 各模拟化合物氯化消毒过程中溴代/碘代消毒副产物的生成特性比较  125-132
    4.6.1 各模拟化合物氯化消毒过程中卤代消毒副产物生成种类比较  125-127
    4.6.2 各模拟化合物溴代/碘代消毒副产物生成浓度与分配变化比较  127-132
  4.7 铜绿微囊藻氯化消毒过程的释放与溴代/碘代消毒副产物的生成关系  132-137
    4.7.1 铜绿微囊藻胞外有机物氯化消毒卤代副产物生成种类定性分析  132-134
    4.7.2 铜绿微囊藻胞内外总有机物氯化消毒卤代副产物生成种类定性分析  134-136
    4.7.3 铜绿微囊藻胞外有机物与胞内外总有机物氯化消毒溴代/碘代副产物生成种类比较  136-137
  4.8 本章小结  137-139
第5章 氯和氯胺消毒对微污染原水溴代/碘代消毒副产物生成的影响比较  139-154
  5.1 氯胺消毒过程中微污染原水溴代/碘代消毒副产物的生成情况  139-145
    5.1.1 水质情况  139-140
    5.1.2 微污染原水甲溴代/碘代消毒副产物的生成情况  140-141
    5.1.3 微污染内河水乙溴代/碘代消毒副产物的生成情况  141-142
    5.1.4 微污染江水丙溴代/碘代消毒副产物的生成情况  142-144
    5.1.5 微污染水库水溴代/碘代消毒副产物的生成情况  144-145
  5.2 氯消毒过程中微污染原水溴代/碘代消毒副产物的生成情况  145-148
    5.2.1 微污染原水甲溴代/碘代消毒副产物的生成情况  145
    5.2.2 微污染内河水乙溴代/碘代消毒副产物的生成情况  145-146
    5.2.3 微污染江水丙溴代/碘代消毒副产物的生成情况  146-147
    5.2.4 微污染水库水溴代/碘代消毒副产物的生成情况  147-148
  5.3 氯和氯胺消毒对微污染原水溴代/碘代消毒副产物的生成影响比较  148-152
  5.4 本章小结  152-154
第6章 结论与建议  154-158
  6.1 结论  154-157
  6.2 建议  157-158
参考文献  158-170
攻读博士期间发表的论文  170-171
致谢  171

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中图分类: > 工业技术 > 建筑科学 > 市政工程 > 给水工程（上水道工程） > 净水工程（给水处理）
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