真空紫外/紫外在小规模水处理中去除磺胺类抗生素的研究

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近年来,抗生素等微量污染物在地表水、地下水甚至是饮用水中被频繁检出,表明人类的用水安全正受到威胁。真空紫外(VUV)在不添加任何化学试剂的条件下就能光解水产生羟基自由基(·OH),进而对水中微量有机污染物起到高效的去除作用。作为一种常见的紫外(UV)光源,产臭氧的低压汞灯可以同时发射波长为185 nm的VUV以及254 nm的UV,其形成的真空紫外/紫外(VUV/UV)辐照可以成为UV高级氧化技术的一个很好选择。然而,VUV对污染物的降解受到多种因素的影响,并且VUV的低辐射功率和低穿透能力大大限制了其在大规模水处理中的应用。因此,了解典型有机污染物在VUV/UV辐照下的降解特性,合理优化的设计VUV/UV反应器能够为其在小规模水处理中的应用提供理论和技术指导。  首先,研究开发了一种新型VUV/UV细管流反应装置,其可以在不改变UV辐照强度的情况下,实现VUV/UV辐照和UV辐照两种反应模式的切换,通过二者之间的对比探讨VUV的反应效果。实验利用化学剂量法测定了UV和VUV的辐射光强,分别为5.76和0.586 mW cm-2。以亚甲基蓝作为目标反应物初步探讨了VUV/UV细管流反应装置利用UV光解及UV高级氧化技术降解污染物的效果。结果表明,VUV/UV由于产生大量的·OH比UV/H2O2和UV有着更高效的去除能力;添加叔丁醇能够明显减少其降解速率,体现了·OH氧化在VUV/UV过程中的主导地位。同时,本文还研究了不同影响因素包括VUV透射气体介质、流量、pH和初始浓度对细管流反应器装置中VUV/UV降解速率的影响。  其次,研究对比了UV、UV/H2O2、VUV/UV和VUV/UV/H2O2四种处理方式对八种磺胺类抗生素的降解效果。结果表明VUV/UV对各磺胺的去除能力较UV/H2O2和UV有着明显增强,在180 mJ cm-2的UV剂量下各磺胺去除率均在99%以上,在VUV/UV基础上添加H2O2后降解速率保持不变。从中选择磺胺二甲基嘧啶(SMN)深入研究其在VUV/UV辐照下的降解动力学与机理。结果表明,SMN难以被UV直接光解,其在VUV/UV辐照下主要受到·OH的氧化作用而快速降解;SMN在pH6.0到9.0的范围内降解速率最快。通过UPLC-Q-TOF,检测出了SMN在VUV/UV降解过程中的6种产物,并推测了包括羟基化和脱硫等反应的降解途径。此外,通过测定大肠杆菌的生长抑制率评价了SMN的抗菌性,结果显示其在接受VUV/UV处理20 min后能降低80%左右。  最后,研究设计了VUV/UV管式中试反应器,以探讨VUV/UV处理磺胺类抗生素的实际应用。以亚甲基蓝为目标污染物对比了三个不同管径反应器的去除效果,结果表明相同流量下反应器内径越小去除率越高。选择降解效果最佳的反应器(内径35 mm),对比了UV和VUV/UV两种处理方式对七种磺胺类抗生素混合溶液的处理效果,并考察了磺胺初始浓度、天然有机物和处理流量对VUV/UV去除效果的影响。当每种磺胺初始浓度为20μg L-1、处理流量为0.18 m3h-1、灯管输入功率为120W时,VUV/UV对七种磺胺的去除率均接近100%,且处理各磺胺的单位电能消耗(EEO)值在0.55~0.80范围间,远小于UV处理的EEO值(1.02~5.09),体现了VUV/UV比UV在达到相同的处理效果时能耗更低。
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