污水处理厂消毒工艺对出水有机物光化学活性的影响研究

Effluent from biological wastewater treatment plants contains effluent organic matter (EfOM), which is released to the receiving waters and constitutes the important components of dissolved organic matter in surface waters. The photoreactivity of EfOM will affect the environmental fate of micropollutants. The disinfection of effluent will change the structure, molecular weight distribution, hydrophilic and hydrophobic, aromaticity, and optical properties of EfOM and thus affect its photochemical behaviors. Until recently, few studies reported the effect of EfOM photoreactivity ascribed by different disinfection techniques. This project aims to study the EfOM disinfection reaction by chlorination, UV254, and ozone with subsequent separation of components and series of characteristics. Under simulated sunlight, the photoproduction quantum of reactive species including •OH、1O2、H2O2、O2•- and EfOM triplet and the photodegradation of typical pollutants including naproxen, diphenhydramine, ranitidine and caffeine in the presence of effluent or its mixture with natural water will be investigated. The correlation between physicochemical properties and photoreactivity of EfOM after disinfection will be found to elucidate the photoreactivity effect mechanism due to the disinfection processes. This project will be helpful for the assessment of the photochemical transformation pathway of micropollutants in the surface waters.

污水处理厂出水有机物（EfOM）随着尾水释放到水体，构成地表水体中溶解性有机物的重要组成部分，其环境光化学活性直接影响水体微量污染物的归趋。污水处理厂出水经消毒处理后，引起EfOM的结构组成、分子量分布、亲疏水性、芳香度和光学性质等特性发生改变，从而影响其光化学行为。但迄今为止，很少有文献报道污水处理厂不同消毒工艺对EfOM光化学活性的影响。本项目拟以污水处理厂二级出水为研究对象，对加氯、紫外线和臭氧消毒处理后的EfOM进行组分分离和结构表征；测定消毒后尾水及与湖泊、河流原水混合水光诱导•OH、1O2、H2O2、O2•-和EfOM三线态等活性物质的生成，以及萘普生、苯海拉明、雷尼替丁、咖啡因等特征污染物光降解量子产率；建立消毒反应后EfOM及其组分的理化参数与光化学活性之间的关联，揭示污水处理厂不同消毒工艺对出水有机物光化学活性影响机制，为评估地表水体微量污染物的光化学转化途径提供依据。

溶解性有机物（DOM）在水环境中几乎无处不在。在太阳光照射下，DOM产生激发三线态（3DOM*）、单线态氧（1O2）、羟基自由基（•OH）等活性物质，对水体微量污染物迁移转化具有重要作用。氯、UV254和臭氧消毒是水处理过程的常见工艺。本项目主要研究DOM经过消毒处理后其结构组成、分子量、官能团等理化性质改变，以及对DOM光致活性物质的生成影响机制。主要结果如下：（一）UV254消毒对DOM光化学活性的影响：（1）EfOM和HS经过UV254消毒后其芳香性、荧光强度及分子量降低。（2）模拟太阳光照射下，UV254消毒后的DOM样品其3DOM*的生成速率降低；1O2的生成速率和稳态浓度降低；•OH的生成速率和稳态浓度升高。（3）UV254消毒后EfOM样品的三线态量子产率系数（fTMP）和1O2的量子产率（Φ1O2）增大，HS样品fTMP和Φ1O2减小，EfOM和HS样品•OH的量子产率（Φ•OH）均增大。Φ1O2与fTMP呈正相关，Φ•OH与EfOM和HS样品的fTMP分别呈正相关和负相关。（4）UV254消毒前DOM样品fTMP、Φ1O2和Φ•OH与E2/E3（254 nm与365 nm处吸光度比值）呈正相关，而UV254消毒后其变化趋势表现出明显差异。（二）氯消毒对DOM光化学活性的影响：（1）随着有效氯投加量的增加，EfOM、HA、FA均表现出芳香性逐步下降，分子量变小且有机物聚合程度下降的趋势。（2）产生单线态氧的能力为FA＞HA＞EfOM，随有效氯投加量的增加，EfOM在模拟太阳光条件下未随加氯量变化表现出明显的变化趋势，FA、HA在不同光催化条件下生成单线态氧能力均逐渐增强。（3）产生三线态的能力为FA＞HA＞EfOM，随有效氯投加量的增加，3FA*、3HA*的生成受到促进作用，3EfOM*的生成未随加氯量增加表现出明显的变化趋势。（4）产生羟基自由基的能力为EfOM＞FA＞HA，随有效氯投加量的增加，EfOM产生羟基自由基能力受到抑制，FA、HA产生羟基自由基能力有所增强。（三）O3消毒对DOM光化学活性的影响：（1）臭氧的投加会使EfOM、HA、FA芳香性减弱、分子量下降、疏水性成分减少。（2）EfOM、HA、FA产生•OH的能力随着臭氧的初始投加而增加。（3）ƒTMP与Φ1O2之间存在良好相关性，Φ•OH基本与ƒTMP无关。