二級出水經(jīng)深度處理再生利用過程中，消毒工藝有著至關重要的作用，但化學消毒會產(chǎn)生多種具有危害性的消毒副產(chǎn)物(如亞硝胺類消毒副產(chǎn)物)。近些年研究發(fā)現(xiàn)，相比鹵代消毒副產(chǎn)物(如鹵乙酸等)， 亞硝胺類消毒副產(chǎn)物所具有的致癌特性使人類健康面臨更大的威脅。水體中常見的亞硝胺物質(zhì)有N-亞硝基二甲胺(N-nitrosodimethylamine，NDMA)、N-亞硝基二乙胺(N-nitrosodiethylamine，NDEA)、N-亞硝基甲乙胺(N-nitrosomethylethylamine，NMEA)、N-亞硝基二正丙胺(N-nitrosodipropylamine，NDPA)、N-亞硝基二正丁胺(N-nitrosodibutylamine，NDBA)、N-亞硝基嗎啉(N-nitrosomorpholine，NMOR)、N-亞硝基吡咯烷(N-nitrosopyrrolidine，NPYR)、N-亞硝基哌啶(N-nitrosopiperidine，NPIP)和N-亞硝基二苯胺(N-nitrosodiphenylamine，NDPhA)9種。
相較于自然水體，污水廠二級出水存在更多的亞硝胺類物質(zhì)的前體物，因而會產(chǎn)生更多的亞硝胺類消毒副產(chǎn)物。臭氧氧化通常應用于污水深度處理中，作為混凝、活性炭吸附的前處理工藝，可有效提高后續(xù)工藝的處理效率，同時可有效去除水體中的微量污染物并具有殺菌作用。但有研究發(fā)現(xiàn)，臭氧在去除有機物和殺菌的過程中，會使水體中亞硝胺前體物轉(zhuǎn)化為NDMA，從而導致NDMA含量的增加。然而，臭氧氧化與其他工藝聯(lián)用(如臭氧生物活性炭工藝)也可有效降低亞硝胺類消毒副產(chǎn)物生成勢，對其前體物去除率可達90%。因此，臭氧氧化工藝也可作為保障再生水水質(zhì)安全的一個重要環(huán)節(jié)。
目前，國內(nèi)外對亞硝胺類消毒副產(chǎn)物的臭氧化特性研究主要集中在NDMA上，而亞硝胺類消毒副產(chǎn)物種類繁多，對其他亞硝胺類消毒副產(chǎn)物的研究較少。雖然臭氧氧化既可以生成亞硝胺類物質(zhì)又可以去除其前體物(降低其生成勢)，但臭氧氧化對于生成亞硝胺類消毒副產(chǎn)物及降低其生成勢之間的作用關系仍不明確。本研究在探明西安某污水廠二級出水中7種亞硝胺類消毒副產(chǎn)物(NDMA、NDEA、NMEA、NDPA、NDBA、NPYR和NPIP)分布規(guī)律的基礎上，對亞硝胺類消毒副產(chǎn)物的臭氧化特性進行了研究，明確了臭氧氧化生成亞硝胺類消毒副產(chǎn)物及降低其生成勢之間的作用關系。
1 實驗部分
1.1 實驗試劑
7種亞硝胺混標(2 000 mg·L?1，溶于二氯甲烷，純度>99%)購于Sigma-Aldrich公司(德國);NDMA-d6(1 000 mg·L?1，溶于二氯甲烷，純度>99.5%)購于 AccuStandard公司(瑞士);預處理使用的椰子殼活性炭柱(coconut activated charcoal，COAC)購買于Supelco公司(USA);甲醇(HPLC級)購于Sigma-Aldrich 公司(德國);碳酸氫銨購于科密歐化學試劑公司(天津);實驗用超純水由Millipore Milli-Q(電阻率≥18.2 MΩ·cm)所制。
1.2 實驗方法
1.2.1 實驗用水
水樣取自西安市某城市污水處理廠二級出水，該廠采用A2O生物處理工藝。實際樣本從污水處理廠采集后，避光低溫保存至實驗室待測。
1.2.2 臭氧反應裝置及投加量的確定
臭氧氧化實驗裝置如圖1所示。該裝置主體反應器有效體積為4.5 L，臭氧發(fā)生器(廣州佳環(huán)電器科技有限公司，HY-006-2CA)出口流量通過氣體流量計調(diào)節(jié)控制在60 L·h?1，未反應的氣體通入20% KI溶液進行吸收。整個反應裝置通過水浴調(diào)節(jié)使得反應溫度控制在20 ℃，該臭氧氧化系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)不同的反應時間來控制臭氧投加量，整個反應過程在通風櫥內(nèi)進行。
臭氧投加量的確定采用系統(tǒng)輸入和未反應臭氧差值與原水中溶解性有機碳(dissolved organic carbon，DOC)的比值表示，通過控制臭氧曝氣時間控制進入反應器的臭氧量，采用碘量法測定輸入和未反應的臭氧量。本研究確定了6個不同的臭氧投加量，即0.46、1.09、1.79、2.45、3.22和3.81 mg·mg?1(以O3/DOC計，下同)，相關系數(shù)為0.999 4。
圖1 臭氧氧化裝置
1.3 分析方法
1.3.1 水樣的預處理及富集
取4 L臭氧氧化后經(jīng)0.45 μm濾膜過濾的水樣，并加入2 mL內(nèi)標(500 μg·L?1)，每升水中加入2 g的碳酸氫鈉以調(diào)節(jié)樣品pH為8.0左右。由于自然水體中亞硝胺類物質(zhì)痕量存在，對亞硝胺類物質(zhì)進行定量分析時，需進行水樣的濃縮。固相萃取(solid phase extraction，SPE)作為一種富集濃縮技術，能同時萃取多種不同性質(zhì)的亞硝胺類物質(zhì)，具有使用溶劑少，濃縮倍數(shù)大等特點。本實驗采用Supelco(美國)生產(chǎn)的SPE-12孔固相萃取裝置對二級出水中目標物進行富集，選擇椰子殼活性炭COCA 柱作為萃取小柱，活化使用溶劑為6 mL二氯甲烷、9 mL甲醇和15 mL超純水;上樣流速為5～10 mL·min?1，上樣結束后，氮吹30 min后確保萃取柱中無水分殘留;洗脫采用12 mL的二氯甲烷分2次進行，流速控制在5 mL·min?1左右。使用氮吹儀在45 ℃水浴中將洗脫液濃縮至0.5 mL，洗脫液經(jīng)0.22 μm的濾膜過濾后避光保存于4 ℃待測，每個水樣均做3組平行樣。
1.3.2 亞硝胺的測定
7種亞硝胺類物質(zhì)的分析采用Waters(美國)生產(chǎn)的UPLC-TQD型超**液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀。色譜柱為 HALO 2 C18 (2.1 mm×100 mm，2 μm)，選擇甲醇為有機相，10 mmol·L?1(pH為8.0左右)的碳酸氫銨為無機相，流動相流速為0.2 mL·min?1，進樣體積為10 μL，柱溫和樣品室溫度分別為40 ℃和25 ℃。采用梯度洗脫的方式對所測物質(zhì)進行分離，流動相梯度變化為：0.2→3.00 min，5%→40%(甲醇);3.00→6.00，40%→60%(甲醇);6.00→8.50 min，60%→100%(甲醇);8.50→11.00 min，100%→5%(甲醇);5%的甲醇保持2 min，總運行時間為13 min。運行儀器進行測定時采用MRM(多通道監(jiān)測)模式，得到TIC(總離子流圖)和7種亞硝胺類物質(zhì)的色譜提取圖。
質(zhì)譜條件：ESI源正離子模式(ESI+)，毛細管電壓3.50 kV;萃取電壓3.00 kV;透鏡電壓2.00 kV;離子源溫度110 ℃;脫溶劑氣流量為500 L·h?1，溫度為350 ℃;錐孔氣流量為50 L·h?1;碰撞氣流量為0.12 mL·min?1，7種亞硝胺的錐孔電壓、母(子)離子、碰撞能量和出峰時間如表1所示。
表1 N-亞硝胺的錐孔電壓、定性(量)離子、碰撞能量、出峰時間
1.3.3 生成勢的測定
生成勢的測定是在臭氧氧化實驗的基礎上，加入用氯化銨和次氯酸鈉(以Cl2計)按摩爾比1.2∶1配制氯胺溶液，在恒溫(25 ℃)黑暗中儲存10 d，再測定亞硝胺的總量，反應前后物質(zhì)的濃度差值即為該物質(zhì)的生成勢。
1.3.4 UV280、UV254的測定
采用北京譜析通用儀器有限責任公司生產(chǎn)的TU-1901雙光束紫外可見分光光度計分別在波長280 nm和254 nm下測定。
1.3.5 DOC的測定
采用日本島津公司生產(chǎn)的TOC-V CPH 型總有機碳分析儀對DOC含量進行測定。水樣過濾酸化至pH<3，用氮氣吹脫3 min除去CO2后再測定。
2 結果與討論
2.1 二級出水中亞硝胺的分布
研究表明，不同的污水處理工藝對二級出水中的亞硝胺含量有不同程度的影響，生物處理工藝相較于物化處理工藝而言產(chǎn)生亞硝胺類物質(zhì)相對較少。以前的研究主要針對污水廠、飲用水廠以及橡膠制品、食品中等存在的亞硝胺類物質(zhì)，尤其是NDMA進行了研究探索，但對水體中其他種類的亞硝胺研究較少。本實驗對A2O生物處理工藝的二級出水進行分析，圖2為二級出水MRM模式下總離子流(TIC)圖及7種亞硝胺類物質(zhì)的譜圖信息。多次測定后，二級出水中的亞硝胺類物質(zhì)的分布如圖3所示。
圖2 二級出水的總離子流(TIC)圖和7種亞硝胺的色譜圖
圖3 二級出水中亞硝胺類物質(zhì)的分布
由圖3可知，在所取污水廠二級出水中能檢測到7種亞硝胺類物質(zhì)，分別是NPYR、NDEA、NDIP、NDPA、NDBA、NDMA和NMEA，其中NPYR的濃度水平*高，均值在250 ng·L?1左右;NDIP、NDBA和NDMA濃度水平次之，均值為45.96、31.17和28 ng·L?1;NDEA、NDPA和NMEA 3種物質(zhì)濃度水平*低，平均值分別為2.15、4.71和4.92 ng·L?1。有研究表明，在飲用水廠出水中NDMA、NPYR和NDIP含量分別為12.1～21.1 ng·L?1、未檢出(或2.4 ng·L?1左右)、未檢出(或12.2 ng·L?1)，地表水中NPYR、NDIP的含量分別為18.0 ng·L?1和33.1 ng·L?1，各物質(zhì)的含量都明顯低于本實驗研究結果，說明相較于飲用水，污水廠出水中仍存在較高含量的亞硝胺類消毒副產(chǎn)物，再經(jīng)后續(xù)消毒處理后含量進一步提高。
2.2 臭氧投加量對亞硝胺濃度的影響
研究表明，在臭氧化過程中，隨臭氧投加量的增大，NDMA含量也隨之增加。在本實驗研究方法基礎上，對二級出水進行臭氧氧化實驗，探究7種亞硝胺的變化規(guī)律，臭氧氧化對7種亞硝胺類物質(zhì)的作用結果如圖4所示。由圖4可知，NPYR、NDIP、NDMA和NDBA這4種物質(zhì)的濃度隨臭氧投加量的增加而升高，其中NPYR和NDIP由于水體中存在濃度相對較高，濃度變化較為明顯。雖然NDMA和NDBA這2種物質(zhì)的增加趨勢不明顯，但在3.81 mg·mg?1的臭氧投加量下，凈增加量也達到25.23 ng·L?1和40.41 ng·L?1;NDPA、NDEA和NMEA 這3種物質(zhì)臭氧化前后濃度并沒有大的改變，可能是由于本身存在的濃度太低或者測定誤差并沒有呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。亞硝胺類物質(zhì)含量隨臭氧投加量的增加而增大，這主要是由于水體中存在的前體物經(jīng)臭氧氧化后結構發(fā)生改變，經(jīng)一系列反應后轉(zhuǎn)化為亞硝胺類消毒副產(chǎn)物，如水體中可能存在的二甲胺(dimethylamine，DMA)、丁酰肼(daminozide，DMZ)、1,1-二甲基氨基脲(1,1-dimethylsemicarbazide，DMSC)和偏二甲肼(unsym-dimethylhydrazine，UDMH)等在臭氧氧化下均可轉(zhuǎn)化為NDMA。
圖4 不同臭氧投加量下7種亞硝胺的變化趨勢
2.3 臭氧氧化對二級出水中亞硝胺生成勢及前體物的影響
2.3.1 臭氧氧化對于二級出水中亞硝胺生成勢的影響
在臭氧投加量分別為0、1.09、2.45和3.81 mg·mg?1的情況下，對二級出水中7種亞硝胺類物質(zhì)進行臭氧化實驗并分析其濃度變化，結果如圖5所示。由圖5可知，隨著臭氧投加量的增大，7種亞硝胺類物質(zhì)的生成勢明顯降低。生成勢可用來表示水體中該類物質(zhì)前體物的總量，但由于二級出水中7種物質(zhì)的前體物含量存在差異，導致不同種類亞硝胺消毒副產(chǎn)物生成勢的降低程度具有差異性。從7種物質(zhì)的生成勢來看，NPYR的生成勢仍為*大，其次為NDIP、NDBA、NDMA、NMEA、NDPA和NDEA。以往研究也證明了臭氧確實可以降低亞硝胺類消毒副產(chǎn)物的生成勢，在濃度為0、3.55和7.11 mg·L?1的臭氧投加量下，經(jīng)過臭氧氧化后，膜生物反應器出水、反滲透出水以及二級出水中NDMA的生成勢均隨臭氧濃度的增加而減少，其中二級出水中生成勢由590 ng·L?1降低到108 ng·L?1 。
圖5 不同臭氧投加量下亞硝胺生成勢的變化趨勢
2.3.2 臭氧氧化對于二級出水中前體物質(zhì)的影響
由于二級出水成分復雜，實際水體中亞硝胺類消毒副產(chǎn)物的前體物種類繁多，目前有研究表明，UV254可用來表征消毒副產(chǎn)物的前體物(如亞硝胺類物質(zhì))。由圖6(a)可知，當臭氧投加量在3.81 mg·mg?1時，UV254去除率可以達到50%，說明臭氧對此類物質(zhì)有較好的去除效果。通常溶解性有機氮(dissolved organic nitrogen，DON)也被認為是氮類消毒副產(chǎn)物的重要前體，其中包括蛋白質(zhì)和低分子質(zhì)量有機酸等。蛋白質(zhì)分子中常含有絡氨酸、色氨酸和苯丙氨酸等苯環(huán)結構，在紫外280 nm波長處有*大吸收峰，所以可以用UV280來表征溶解性有機氮(DON)的相對含量。由圖6(b)可以看出，臭氧氧化對于UV280的去除也十分明顯，在臭氧投加量為3.81 mg·mg?1時，去除率已接近80%。結果表明，UV254和UV280隨臭氧投加量增加而降低，這與臭氧氧化過程中亞硝胺生成勢的降低一致，說明臭氧確實與這些前體物質(zhì)反應生成亞硝胺，從而導致臭氧化后亞硝胺濃度增加而生成勢呈現(xiàn)降低的趨勢。
圖6 不同臭氧投加量下UV254、UV280的濃度及去除率
2.3.3 臭氧化對亞硝胺生成及生成勢降低之間的作用關系
臭氧的氧化作用既能使7種亞硝胺類物質(zhì)**含量增加，又能使其生成勢降低，因此，臭氧化對2種現(xiàn)象的貢獻大小十分重要，當臭氧投加量分別為1.09、2.45和3.81 mg·mg?1時，臭氧化對亞硝胺含量增加及生成勢減少之間的作用規(guī)律如圖7所示。由圖7可知，在相同臭氧投加量下，亞硝胺的生成勢降低量明顯高于其自身的增加量，且臭氧投加量越大，二者之間的差異越明顯，這表明臭氧氧化對亞硝胺消毒副產(chǎn)物生成勢降低效果更為顯著，說明臭氧氧化可以更多地去除二級出水中的亞硝胺前體物質(zhì)。當臭氧投加量為1.09 mg·mg?1時，即可作為實際工程中水處理工藝的常規(guī)臭氧投加量，在此投加量下，臭氧對亞硝胺類消毒副產(chǎn)物生成勢的**降低量(生成勢減少量與亞硝胺增加量之差)可達465.8 ng·L?1。因此，采用臭氧氧化工藝，能顯著降低亞硝胺類消毒副產(chǎn)物的生成勢，從而有效減少后續(xù)深度處理工藝及消毒過程中亞硝胺類物質(zhì)的生成，保障了再生水的安全性。
圖7 二級出水中亞硝胺總量及其生成勢的對比
3 結論
1)二級出水中檢測出7種亞硝胺類物質(zhì)(NPYR、NDIP、NDBA、NDMA、NDEA、NDPA和NMEA)的濃度由大到小依次為NPYR、NDIP、NDBA、NDMA、NMEA、NDPA和NDEA，均值分別為250、45.96、31.17、28、4.92、4.71和2.15 ng·L?1。
2)臭氧氧化會使二級出水中的亞硝胺類物質(zhì)含量增加，特別是NPYR、NDIP、NDBA和NDMA 4種物質(zhì)，且濃度隨臭氧投加量的增加而增大。
3)二級出水中的亞硝胺類物質(zhì)的生成勢隨臭氧投加量的增大而降低，且亞硝胺的生成勢降低量明顯高于其自身的增加量，隨著臭氧投加量的增大，二者之間的差異越明顯。
4)由于污水廠二級出水中亞硝胺種類多、濃度高，直接回用會造成一定的風險，臭氧氧化對亞硝胺生成勢顯著的降低作用可以減少后續(xù)深度處理工藝及消毒過程中該類物質(zhì)的生成，有利于保障再生水的回用安全。
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