紫外线分配系统对饮用水水质的影响.doc

紫外线分配系统对饮用水水质的影响摘要：紫外线是一种成本效益的水处理消毒过程，因为考虑到改变DOM结构会对水质分配系统产生负面影响。在这项研究中，作者通过调查紫外线消毒过程前后DOM的结构，AOC的浓度，氯的需求和形成的DBP，评估了一下紫外线消毒对配电系统中的水质消毒的影响。虽然紫外线处理并不影响AOC的浓度和DOM的特性（例如，DOC，UV254的，SUVA254，在亲水/疏水组分比和分子量分布），但显然的，在干燥的季节，经过紫外线处理以后，观察到低分子的组分增加。紫外线处理过的水在加氯消毒的过程中，氯和THMFP的需求也增加。这意味着，紫外线照射可以分解的DOM，但在分配系统中破碎的DOM分子量不足以被微生物直接利用。然而，改变DOM的结构会影响水质分布系统，因为它可以增加氯的需求量和后加氯毒副产物的形成。（2009Elsevier版权所有）关键词：紫外线；分配系统；分子量；AOC；氯需求；DBP1 简介对于饮用水消毒来讲，紫外线（UV）消毒被认为是一种具有成本效益和容易实施的方式。人们对紫外线的消毒过程愈发感兴趣，而且它已经迅速应用于饮用水行业。因为研究表明，在90年代末，即使非常低剂量的紫外线也能有效地灭活隐孢子虫（Bukhari等，1999;。Clancy等，2000）。紫外光谱分为四个区域，真空紫外（100w200纳米，以下简称VUV），紫外C（200w280纳米），紫外线B（280w315 nm）和紫外线A（315w400纳米）。紫外线消毒主要原理是因为紫外线- B和紫外线光对微生物的杀菌作用。虽然真空紫外线能杀死微生物细菌，但是用真空紫外线对水进行消毒的效率不高，因为它在水中短的距离内会迅速消散（EPA，2006）。真空紫外线也被称为有机碳分解粘合剂（Buchanan等人，2004；Thomson等人，2004年）。两种紫外线系统通常应用于饮用水消毒过程。单色低压紫外线（以下简称LPUV）发出波长为254 nm的单一波长，接近最大微生物作用光谱单波长。多色中压紫外线（以下简称MPUV）发出波长的范围比较广，包括紫外线A， B，C和可见光。特别是，发出185和254纳米的两种波长（以下简称为TOC的LPUV）的LPUV则用于消除生产超纯水的TOC。虽然这些紫外线系统可以灭活除了一些病毒以外的大多数微生物，但是他们不能保证自来水的生物安全，因为紫外线照射的影响不能维持整个分配制度。相反，由于光解作用，紫外线消毒还会对水质产生负面影响。许多研究人员报告说，紫外线照射可以改变DOM的结构和增加生物降解（Frimmel，1998; Thomson等人，2004;。Buchanan等人，2005年;。Goslan等，2006）。特别是，众所周知，真空紫外辐射比紫外线C更有利于生物降解化合物和矿化形成（Buchanan等人，2004）。紫外线A和紫外线B也可以将大分子的NOM分解成低分子量的有机酸（Frimmel，1998年）。改变DOM的结构可以增加生物降解性，在分配制度中，这种性能又会刺激微生物的再生和生物膜的形成。增加生物膜能引起味觉和气味问题，而且水力负荷也会减低。（Shaw等，2000）。因此，在这种分配系统中，加氯或氯胺这种连续消毒的方式用以防止微生物再生。二次加氯消毒过程中，人们预计，紫外线处理可以减少氯的需求量和消毒副产物的形成（Liu等人，2006年），然而，研究报告表明，经过紫外线照射，加氯以后的四种有机水消毒副产物反而增多。 紫外线照射对水的质量的影响取决于许多因素，如源水的质量特点，紫外线波长和应用剂量。以前的研究都是在实验室规模条件下进行的，而且实验时都是用的有较高水平的DOC（5w17.4mg/ L）和高紫外线剂量的14w1000 J/cm2有机水，这些都不是饮用水消毒的条件（Frimmel，1998；Buchanan等人，2006年；Goslan等，2006；Liu等人，2006年）。如果根据饮用水DOC水位低于2 mg / L和紫外线剂量小于40 mJ/cm2的规定，紫外线照射对水质的影响可能不同于以往的研究结果。此外，通过实验室试验得到的结果难以反映在大规模的流动系统中真正的作用。在这项研究中，作者通过对不断流动包括LPUV，LPUV对TOC和MPUV的紫外线系统的试验，并研究了经过紫外线处理前后，DOM结构的变化，微生物再生的可能性，氯需求量和THM后三卤甲烷形成，以评估紫外线分配系统消毒对水质的影响。2 材料和方法 在这项研究中，DOM的特性，生物再生潜力，氯的需求，并形成潜在的消毒副产物，在紫外光照射前后进行比较，以评估紫外线分消毒配制度对水质的影响。一个紫外线试验工厂被安装在一个韩国汉城的污水处理厂（WTP）。在2005年和2006年三次采集水样，研究原水水质在不同季节的变化：1）旱季，从春到东高藻类生物量和生化需氧量时期，2）雨季，夏天暴雨使得水的浑浊度很高的时期 3）正常时期（图2）。2.1. 紫外线试验工厂 紫外线试验工厂是由四个紫外线反应器，LPUV（L85），LPUV的TOC（L90的），MPUV（M1300，M350）组成的，安装在WTP污水处理厂中的砂滤末端。砂过滤水（SF）引入到反应器中，系统的总容量为1080立方米/天。实验是在紫外线剂量为40 mJ/cm2的条件下进行的，这通常应用于饮用水消毒过程，在LPUV 设置发射出185 和254两种波长的TOC (L90)来评估真空紫外线的TOC去除率。由于TOC矿化需要较高剂量的紫外线，另外的实验是在150 mJ/cm2紫外线剂量下进行的。每个反应器的紫外线剂量是通过在线传感器和每个流量的接触时间上的紫外线强度计算出来的。LPUV（L90的和L85）和MPUV（M1300和M350）的在线传感器可以测量254纳米和纳米之间200w300的分别。 L90的系统会发出254纳米和185纳米的紫外线比为3:1。每个系统的详细特征如表1。砂过滤水和紫外线处理后的五个水样进行了调查。样本是从每个流入和流出反应器的水中提取的。2.2. 分析方法从试验厂所采集的样品在2小时内被带到了实验室，并储存在低于4 C的冰箱里。对已经通过预加氯形成的THMs进行分析，抗坏血酸和盐酸（1+1）立即加入到样品（ 40毫升）中淬火残余氯气。通过THMFP的分析，对样品进行了氯化（TOC：氯= 1：3）和在25培养48小时。孵化后，为了不再形成THMs，用抗坏血酸和盐酸（1+1）淬火余氯。根据环保局502.2，通过装有ECD探测器的气相色谱吹扫捕集法（Varian，CX3600）对THMs进行分析（环保局，1995）。 用TOC分析仪(Ionics,Sievers 820)和UV/VIS分光光度计(VarianCary3C分别来分析DOC和DOC和UV254。从DOC和UV254来测定SUVA254。 2.3. 分离亲水性和疏水性的碳DOM是用树脂分为疏水性和亲水性组分（Amberitic XAD - 7HP，Rohm &和Haas公司，法国）。树脂用索氏提取法连续清洗（Ma等。，2001）。 XAD - 7HP树脂装在31毫米（ID）230毫米（高）玻璃柱形容器当中，然后用0.5N的NaOH清洁树脂。该树脂可以连续12小时提取甲醇，乙腈，甲醇。最后，按超纯水，0.1 N的NaOH，0.1 N的HCl和超纯水的顺序冲洗柱形容器，直到出水的TOC浓度低于0.1毫克/升。通过加入(1+1)H3PO4调节到每个样本的pH 2，然后以15w20ml/ min的速度流过清洁后的玻璃柱。小部分吸附在树脂的表面的是疏水碳，穿过玻璃柱的碳被确定为亲水碳。亲水性和疏水组用0.1 N的磷酸和0.1 N的氢氧化钠的pH值调整到70.2后， 再用TOC分析仪分析DOC（离子学，Sievers 820）。2.4. 表观分子量采用高性能的液相色谱法，体积排阻色谱法（HPLC - SEC）来分馏DOM的表观分子量（Her等。，2003）。使用TSK - 50（ToyopearlHWSOS，30毫米树脂）按大小进行分离排除，连续在线检测器组成的紫外/ Visble（SPD - 20AD，Shimadzu）和DOC（修正西弗斯总有机碳分析仪820涡轮）。4 mM磷酸盐缓冲液和25mM的硫酸钠制成流动相溶液（pH值6.8，离子强度0.1M）。聚乙二醇（聚乙二醇，200 600，2000，4000，8000道尔顿）应用于分子量（MW）的色谱校准。每个样品的pH值和离子强度用磷酸盐缓冲液进行调整，运用似于流动相硫酸钠的解决方案，在分析前尽可能保持所有样品恒定的pH和离子强度，而且要减少不良的相互作用。数量-平均每兆瓦（Mn），重量-平均兆瓦（MW）和聚散度（）均利用下面的公式确定。hi和Mi是HPLC-SEC色谱的高度和分子量。 2.5. 可同化的有机碳（AOC）1993年，Kaplan等人提出的方法剖析了AOC 。他们把 AOC定义为细菌将碳用作能量或转化为生物质的碳数量。用两个纯培养的菌株，荧光假单胞菌株P17（以下简称P17）和螺旋菌菌株氮氧化物（以下简称NOX），该样本在一个550的玻璃小瓶里烘焙2个多小时，然后加入硫代硫酸钠淬火残余氯气。该样本在70巴氏消毒水浴30分钟，P17和NOX飙升，并在15的条件下温育7天。培养出来的样本在R2A媒介上接种和在25培养72小时。在固相上的P17 和 NOX菌落总数乘以每个碳转化因子就等于转换成的细菌生物量。P17 AOC 和NOX AOC的计算是通过下面的公式，AOC是P17 AOC and NOX AOC总和来计算2.6. 氯的需求和衰变率氯的需求和衰变率估计为从每个UV反应器采取的砂过滤后的水和紫外线处理过的水。衰变速率是通过Powell等人提出的程序测定的（2000年）。将蒸馏水装进新鲜干净的玻璃器皿中，然后加入次氯酸钠溶液制成10 mg/L的游离氯溶液，24小时后就倒掉清空，再用超纯水彻底冲洗后晾干。 2升容量瓶中装满超纯水和水样。加1W 2mg/ L的氯和停留15分钟使其混合均匀了。将水样倒入11个125毫升的棕色玻璃瓶中，瓶子没有顶帽和并用聚四氟乙烯的内衬帽密封。所有的瓶子存放在4和15的孵化器中。隔段时间测定一下氯的浓度。当等量的氯气加入到2L的超纯水中，这时初始的氯浓度就定义为氯浓度。氯含量测定通过DPD比色计的方法，即使用Hach口袋氯比色度计（口袋Hachs）。所有样品一式三份，并进行分析。衰减速率常量是通过阶氯衰减模型估算的（Jadas - Hecart等。，1992）。在这项研究中，两个氯衰减率分别被采用，即刚开始4个小时是快氯衰减率（K1），4小时后是慢氯衰减速率(K2)，考虑到污水处理厂的保留时间。3. 结果与讨论3.1. 紫外线处理对DOM属性的影响对紫外线处理前后的DOC，UV254，SUVA254，亲水/疏水率和表观分子量进行了调查。在正常时期该砂虑水的DOC浓度低于1mg/L，但在旱季和雨季增加为1.5mg/L。所有季节紫外线处理后的DOC，UV254和SUVA254并没有什么变化（见表2）只有在L90的系统中的减少TOC的低压灯，可以观察到UV254与SUVA254略有下降，此时紫外线剂量为150 mJ/cm2。下降的原因可能是由于短波长185 nm的高能量和150 mJ/cm2高剂量。当剂量是40 mJ/cm2，通常是在污水处理厂的饮用水消毒过程中采用的剂量，所有的紫外线系统对DOC，UV254和SUVA254都没有影响。通过每个部分的DOC浓度可以计算出亲水性和疏水性的组分比例。DOC的亲水部分在所有季节是相对偏高，在62w81范围内变化，但疏水组分在雨季会增加（如图1）。汉江水源水一直被称为具有相对较高的亲水性有机成分浓度（Oh等，2003;。Kim等，2007;。Jeong等人，2007年。）。亲水性和疏水性的组分比在水处理过程中会有所改变。处理过的水亲水组分会有增加的趋向，因为具有高价值和高有机碳的腐殖材料材料在混凝过程中容易去除（White等。，1997）。另外据报道，汉江水源之前的研究结果表明，处理过的水中的亲水组分会增加。（Oh等，2003;。Kim等人，2007。）。然而，在所有季节经紫外线处理前后的亲水和疏水组分比并无特别大的差异。Shaw等人 （2000）也报告说，几乎没有或根本没有统计证据表明，由紫外线处理后亲水性和疏水性比率改变。表观分子量分布可以由带有TOC紫外探测器系统的高效液相色谱法来测定。大多数的DOM（超过95）的分子量小于2 kDa（见表3），特别是在0.3和0.4 kDa之间的DOM组分在整个季节占有优势。虽然紫外线处理前后，表观分子量分布在正常情况时节和雨季不会改变，但是大约0.3 kDa的低分子量组分在旱季经紫外光处理后会增加（数据未显示）。平均数分子量（Mn）和平均量分子量（Mw）也表明，紫外线处理过水的平均分子量在旱季明显下降（见表3）。这表明，在干旱季节经紫外线辐射后DOM的结构比其他季节的更容易遭到破坏。 DOM结构可能与每个季节DOM的来源的有关。在水生系统中，DOM的来源可分为从陆地水域进入的异地DOM和起源于水体中生长的生物系（例如，藻类，细菌）的原地DOM（Aiken和Cotsaris，1995年）。在韩国，在经常下大雨的夏末的雨季，DOC会增加，因为大雨将大量有机碳从水域冲到河流中，但是在干燥的季节，藻类生物量和生物需氧量增加（图2）。在雨季异地DOM是已知的高SUVA，高分子量，疏水性的比较有耐性的DOM。与此相反，原地DOM相对不稳定，是由低SUVA，低分子量，亲水性组成的的DOM（Wetzel，1983; Kitis等，2002。）。Ma等人 （2001年）报告说，亲水部分是由更多的简单化合物和比较少的复杂混合物组成。在干燥季节，从L90-15, M1300 和 M350系统可以看出，DOM的分子量会减少。观测表明，低于254纳米短波长更能有效分解有机碳，光的不同波长可能与DOM的退化有关。据报道，UVA（315-400nm）和UVB（280-315 nm）将大分子的DOM分解生成小分子的有机酸（Frimmel，1998年）。3.