自然pH下的日光-Fenton法对饮用水水源中的病原微生物及天然有机物的去除效果及机理研究

The sterilization of pathogenic microorganism and the degradation of natural organic matter (NOM) are two main problems for drinking water treatment that need to be resolved. The drawbacks of the current disinfection methods include the production of disinfection by-products (DBPs) or high chemical/instrument cost. Solar-Fenton as a new, economical, and simple disinfection method can remove pathogens and NOM simultaneously. Because of the chelating effect of NOM on Fe, the solar-Fenton process can be carried out at neutral pH without the addition of new chelating agents. The approach can take advantage of natural NOM, Fe, H2O2 and solar light to save chemical cost. Moreover, it can prevent the regrowth of inactivated bacteria and the formation of DBPs. Because of its notable advantages, the solar-Fenton apporach has been catching more and more attentions from researchers, especially with regard to its combination with a new solar reactor,a compound parabolic concentrator (CPC). A CPC reactor can improve the utilization efficiency of solar light by collecting both direct and diffuse light. The combination of CPC reactors and Fenton method might be used for real water treatment. This project will investigate the influence of 5 different NOMs on the efficiency of solar-Fenton for disinfection. The mechanisms of disinfection and organic removal in the process will also be studied. At the end, the solar-Fenton process will be conducted on the treatment of real river water. The goals of the project are clarifying the conditions for the promoting effect of NOM, shedding light on the mechanisms of solar-Fenton and evaluating the approach for real water treatment. The project will be very meaningful to the water treatment technology, drinking water safety and society development, and it will be a milestone for Chinese water industry.

病原微生物及天然有机物（NOM）是饮用水处理亟待解决的两大问题。目前常用的消毒方法因为容易诱发消毒副产物（DBPs）的产生或者药剂/设备投入过高而受到了限制。日光-Fenton法不仅能够灭菌还能有效去除水中的NOM。此外，由于NOM对Fe的络合作用，日光-Fenton法的适用范围可扩大到中性pH。日光-Fenton法可以利用自然界中的NOM、Fe、H2O2及太阳光，能够有效灭菌并防止细菌再生，且能降低DBP的形成，受到了研究人员的广泛关注，尤其是与复合抛物线形聚光器的联用，大大提高了太阳光的利用效率。本课题拟从不同NOM的影响对比，日光-Fenton灭菌及有机物降解机理，该法对实际河水的处理三个方面进行研究，旨在明确NOM对消毒的影响，揭示日光-Fenton法的反应机理，分析该法用于实际水处理的可能性。本项目的顺利实施对我国的水处理技术、饮用水安全、社会经济发展具有非常重要的意义。

螯合剂被广泛使用于软化、去垢、防锈等方面，随着污废水的排放进入自然界，在自然界中广泛存在。螯合剂对重金属离子具有螯合作用，能够防止金属离子在中性、碱性条件下的沉淀，被一些研究人员用于提升均相和非均相Fenton反应对有机污染物的处理效果。但是，螯合剂对Fenton反应的作用机理仍不明确，具有不同结构和性质的螯合剂对Fenton反应的影响仍未得到全面阐释。本项目主要研究了螯合剂在均相电Fenton、光电Fenton体系，非均相Fenton（Fe0/H2O2）体系，及Fe0/O2体系中的应用。本项目从螯合剂与铁离子或与Fe0表面的相互作用、反应条件的影响、体系中产生的活性物质、污染物降解途径、螯合剂自身的分解情况等方面入手，全面解析了螯合剂对均相、非均相Fenton/类Fenton反应处理污染物的影响。研究结果表明，在均相Fenton反应中，螯合剂能抑制铁离子在较高pH时的沉淀，改变FeIII/FeII氧化还原电位，进而影响铁离子的循环，显著提升该体系对污染物的处理效果。在以Fe0为催化剂的非均相Fenton反应中，螯合剂的加入能够提高Fe0的腐蚀速率，减缓Fe0表面铁氧化物的生成，提高溶液中铁离子的浓度，从而促进H2O2的分解和•OH的产生。本研究对于自然界中的螯合剂与重金属离子的相互作用、铁离子的循环、污染物的降解等过程的解析具有重要的指导作用。此外，螯合剂改性Fenton技术的研究对水处理工艺的创新、人类饮水安全均具有重要意义。