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原文传递羟基自由基快速氧化降解饮用水中致嗅物质研究

论文题名：	羟基自由基快速氧化降解饮用水中致嗅物质研究
关键词：	船舶饮用水;致嗅物质;羟基自由基;氧化降解工艺
摘要：	由二-甲基异莰醇(2-MIB)和土臭素(GSM)导致的嗅味问题是饮用水处理行业面临的全球性问题，特别是在富营养化严重的湖泊、水库等地表饮用水源中嗅味问题尤为突出。这是由于2-MIB和GSM人类嗅阈值浓度低，且难以被常规水处理技术去除。另外，船舶饮用水作为饮用水二次供水的一种，同样存在嗅味污染以及其它一些卫生安全问题，特别是远洋船舶。研究表明，五年以上船龄的远洋船舶，船上饮用水合格率低于60％。由于我国对饮用水嗅味问题研究起步较晚，因此解决由2-MIB和GSM引起的嗅味问题是我国饮用水行业的迫切需求。本文建立了水中致嗅物质2-MIB和GSM的快速检测方法，研究了大气压强电离放电结合水力射流空化生成·OH方法对水中2-MIB和GSM的快速氧化降解。结果表明该·OH方法可以快速降解致嗅物质，并最终将其矿化形成CO2、H2O。该·OH方法绿色、安全、无二次污染。具体研究内容和取得的研究成果如下: 　　(1)利用大气压强电离放电过程生成的高能电子电离电解O2分子，制备高浓度的氧活性粒子如O2+、O(1D)、O(3P)、O2-、O3等，其浓度可达到227mg/L，然后经过文丘里气液混匀，在水力空化作用下，氧活性粒子与水分子发生等离子体化学反应生成·OH以及HO2-、H2O2、·O2-、·O3-、·HO3、O2+·H2O等氧活性物质，统称总氧化剂(Total reactive oxidant，TRO)，当在水中TRO浓度最高为16.5mg/L时，生成的·OH浓度可达到67.4μmol/L。水质因素对水中TRO溶解和衰减的影响研究表明，水中天然有机物(Natural organic matter，NOM)、CO32-/HCO3-会促进TRO衰减;水体温度升高，TRO衰减速率会逐渐加快;SO42-抑制水中TRO衰减;Cl-对TRO衰减影响较小。　　(2)利用顶空固相微萃取(HP-SPME)结合气相色谱-质谱(GC-MS)技术，通过正交方法优化了样品富集条件包括加盐量、萃取时间、萃取温度、搅拌速度、解吸时间，建立了快速准确的水中2-MIB和GSM的检测方法。该方法对2-MIB和GSM定量检出限分别为2.4ng/L和1.1ng/L。经过对该方法的精确度和回收率验证，结果表明其相对标准偏差分别小于6.1％和5.8％，对低浓度和高浓度2-MIB和GSM样品回收率均在93.6～107.7％范围内，并利用该方法对实际水体中致嗅物质含量进行了测定。　　(3)大气压强电离放电生成·OH方法，能快速有效氧化降解水中致嗅物质2-MIB和GSM，且去除率随着TRO投加量增加而增大，对初始浓度在60～1000ng/L范围内的2-MIB和GSM，TRO投加剂量在0.5～3.8mg/L时，经过在管路中接触反应6s，处理后水中2-MIB和GSM都可以降低到10ng/L以下。另外，研究发现GSM比2-MIB更容易被·OH氧化降解。　　通过研究水质因素对·OH降解致嗅物质2-MIB和GSM的影响发现，水中NOM、HCO3-/CO32-、Cl-抑制·OH高级氧化体系氧化降解2-MIB和GSM，SO42-促进·OH对2-MIB和GSM的氧化降解，随着pH增加·OH氧化降解2-MIB和GSM效率逐渐增加，水体温度对·OH氧化降解2-MIB和GSM影响较小。　　·OH氧化降解2-MIB和GSM机制研究表明，·OH可以破坏2-MIB和GSM稳定的桥环和双环结构，对其进行断键、加成反应，使2-MIB和GSM被逐步断键、氧化形成小分子醛、酮、酸类物质，并最终被矿化形成CO2和H2O。而KMnO4、NaClO、ClO2、H2O2对2-MIB和GSM几乎无明显去除效果，其它高级氧化方法如H2O2/UV、O3需要反应30min以上才对致嗅物质2-MIB和GSM有去除效果。　　(4)针对高藻饮用水水源中存在的嗅味问题，进行了·OH去除高藻水中致嗅物质中试试验。通过对原水、混凝沉淀水、砂滤水中致嗅物质氧化降解结果表明，·OH高级氧化方法对水厂不同工艺段出水中2-MIB和GSM均有很好的氧化降解效果，且在混凝沉淀水和砂滤水中投加·OH比在原水中投加·OH对致嗅物质去除效果更好。采用原水-混凝沉淀-·OH预氧化-砂滤-·OH二次氧化-清水池加氯-供水的水处理工艺，处理含致嗅物质高藻水。对含致嗅物质2-MIB和GSM浓度分别为175ng/L和188ng/L，含3.47×104cells/mL藻细胞的高藻水，经过投加TRO约0.9mg/L进行一次预氧化处理，再经过砂滤后继续投加0.5mg/L的TRO进行二次氧化处理后，进入清水池水中2-MIB和GSM残余量分别降低至4ng/L和1ng/L。同时，可以把藻细胞全部杀灭，处理后其它理化和微生物学指标均优于饮用水卫生标准。
作者：	成建国
专业：	轮机工程
导师：	白敏冬
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文