2023年12月24日發(fā)(作者:馬大力)
第17卷第2期 2 0 1 0年 3月 安全與環(huán)境工程 Safety and Environmental Engineering Vo1.17 NO.2 Mar. 2010 飲用水中鹵乙酸生成的影響因素及檢測方法 莫 云 ,楊小麗 ,陸繼來 ,高海鷹 ,方 華。,趙珊珊 (1.東南大學(xué)市政工程系,南京210096;2.江蘇環(huán)境科學(xué)研究院,南京210036; 3.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,南京210044) 摘要:鹵乙酸作為已檢出的氯化消毒副產(chǎn)物中最具致癌性的一類物質(zhì),在飲用水的研究中得到了越來越多的重 視。本文從鹵乙酸的生成機(jī)理及其影響因素、檢測方法人手,對鹵乙酸的研究進(jìn)行了概述,并著重分析了影響鹵乙 酸生成的各種影響因素以及其檢測方法的優(yōu)化。 關(guān)鍵詞:鹵乙酸;消毒副產(chǎn)物;飲用水;影響因素;檢測方法 中圖分類號:X832;R123.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1671—1556(2010)02—0073—04 Influential Factors and Analysis Method of the Formation of Haloacetic Acids in Drinking Water MO Yun ,YANG Xiao—li ,LU ji—lai。,GAO Hai—ying ,FANG Hua。,ZHAO Shan—shan (1.Department of Municipal Engineering,Southeast University,Nanjing 210096,China; 2.Jiangsu Academy of Environmental Science,N口 ing 210036,China; 3.College of Environmental Science and Engineering,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China) Abstract:As one of the highest carcinogenic matters of the chlorinated disinfection by—products(DBPs), haloacetic acids(HAAs)in drinking water have attracted more and more attention.The formation mecha- nism and influential factors of HAAs formation are discussed in this paper.Further more,the paper gives emphasis on the influentia1 factors of HAAs formation,such as precursor types,reaction conditions,sea— sonal changes,types of disinfeetors and biodegradation of HAAs. Key words:haloacetic acids(HAAs);disinfection by—product;drinking water;influential factors;analysis m thod (DcAA)和三氯乙酸(TCAA)的檢出率最高口]。 0 引 言 鹵乙酸(HAAs)是氯化消毒副產(chǎn)物中檢出的一 類難揮發(fā)的弱酸性鹵代有機(jī)物,其分子式為 R—CHCOOH。目前檢測到的主要有:一氯乙酸 (MCAA)、二氯乙酸(DCAA)、三氯乙酸(TCAA)、 消毒副產(chǎn)物的致癌性主要由HAAs的致癌風(fēng) 險構(gòu)成,占消毒副產(chǎn)物總致癌風(fēng)險的91.9 以上, 遠(yuǎn)大于三鹵甲烷(THMs)的致癌風(fēng)險 ];HAAs中 又以高檢出率的DCAA和TCAA的致癌風(fēng)險為 主,DCAA的致癌風(fēng)險低于TCAA。近年來,國內(nèi) 外學(xué)者對THMs的研究頗多,而對HAAs的研究 則相對較少。為了有效地控制HAAs的生成量,并 精確地檢測出其在水體中的成分和含量,有必要深 入研究其產(chǎn)生的影響因素,并優(yōu)化其檢測方法。 溴乙酸(MBAA)、二溴乙酸(DBAA)、溴氯乙酸 (BCAA)、一溴二氯乙酸(DCBAA)、二溴一氯乙酸 (DBCAA)和三溴乙酸(TBAA),其中二氯乙酸 收稿日期:2009—09—08 修回日期:2010—02—23 基金項目:江蘇省環(huán)境科學(xué)研究院人才培養(yǎng)基金項目(RC0814);江蘇省環(huán)保科技項目(2009015) 作者簡介:莫云(1982一),女,碩士研究生,主要研究方向為水污染控制。E—mail..moyun224@163.tom
74 安全與環(huán)境工程 第17卷 發(fā)現(xiàn),影響氯化后水中TCAA生成量的首要因素是 1 鹵乙酸的生成機(jī)理 水體中的HAAs除少量由工業(yè)廢水帶人外,絕 原水的TOC含量。 2.1.3 溴離子 當(dāng)水體含有溴離子時,氯的主導(dǎo)優(yōu)勢會被溴取 代,而且HAAs的生成量總體上隨溴離子濃度的增 大而增加。有研究發(fā)現(xiàn)口 ,隨溴離子濃度的增加, IX ̄AA和TCAA的生成量隨之減小,Ba 的生成 大部分是由氯與水中有機(jī)物反應(yīng)產(chǎn)生。水體中的腐 殖酸和富里酸等大分子天然有機(jī)物是HAAs生成 的主要前體物。HAAs的濃度主要由腐殖酸和富 里酸的組成比例決定,而且腐殖酸氯化后的HAAs 量也可能減小;但DBAA、TBAA和DBCAA的生成 量卻隨之增加。H.Pourrnoghaddas等[1婦的研究也證 產(chǎn)率高于相應(yīng)的富里酸。此外,氨基酸、苯酚與氯反 應(yīng)也會產(chǎn)生HAAs。 HAAs前體物結(jié)構(gòu)很難確定,因此其生成機(jī)理 也很難用確切的反應(yīng)方程式表示。一般常用下式來 描述HAAs和其他鹵仿DBPs的形成L3]: H0C1+Br一+NOM—HAAs+其他鹵仿 DBPs. 2 鹵乙酸生成的影響因素 2.1水體水質(zhì)的影響 2.1.1親疏水性 HAAs的前體物主要是水中的天然有機(jī)物,按結(jié) 構(gòu)可分為親水性和疏水性兩部分。兩種成分的含量 因水源地不同存在差異,并受有機(jī)物在碳循環(huán)中的生 物化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程的影響。不同的有機(jī)物組分對 HAAs的生成有不同的影響,主要是因為親疏水性成 分在氯化過程中發(fā)生不同的反應(yīng)。有研究表明 ], HAAs的生成量與水中有機(jī)物組分的含量呈線性關(guān) 系,疏水性有機(jī)物是反應(yīng)性最強(qiáng)的HAAs前體物。 水中親疏水性有機(jī)物的比例可以用比紫外吸收 值(SUVA)來表征。SUVA即UV2 /DOC,是水中 腐殖質(zhì)含量的指示性指標(biāo),其大小與HAAs生成潛 能(HAAFP)密切相關(guān)。SUVA越大,含疏水性有 機(jī)物比例越大,HAAFP也越大。H.Zhang等L5 的 研究表明,SUVA與HAAFP呈正相關(guān)性,相關(guān)系 數(shù)R。一0.68,SUVA大的有機(jī)物組分,HAAs的生 成量越大。P.C.Singer等L6 在實(shí)驗室可控條件下 的研究發(fā)現(xiàn),高SUVA原水產(chǎn)生的HAAs量大于 相應(yīng)的THMs生成量。 2.1.2 總有機(jī)碳(TOC) 錢塘江流域7個自來水廠原水的TOC和 HAAs生成潛能研究表明 ],TOC和HAAs前體 物呈正相關(guān),線性相關(guān)系數(shù)R。為0.824 2。A.G.I. Dalvi等[8]的研究認(rèn)為,當(dāng)TOC與余氯的比值在1 2之間時,HAAFP最大,當(dāng)比值大于2時, HAAFP基本不變。自來水廠的實(shí)際運(yùn)行研究[9 也 明了這一結(jié)論,當(dāng)水中加氯量達(dá)到最高后,HAAs的 濃度開始下降,但當(dāng)加人溴離子,溴代鹵乙酸的種類 和濃度會超過相應(yīng)的含氯鹵乙酸的量,HAAs在水中 的分布偏向于溴代鹵乙酸,HAAs濃度又開始升高。 2.2反應(yīng)條件的影響 2.2.1 加氯量 加氯量與HAAs的生成量呈正相關(guān)。M.J. Rodriguez等L1。 的研究表明,Cl。/TOC值越大,即 TOC一定,加氯量越大,生成的HAAs量越多。陳 萍萍等_7]研究了加氯量分別為1 mg/L、2 mg/L、3 mg/L和4 mg/L時HAAs的生成量變化,結(jié)果表 明在相同的加氯時間下,加氯量愈大,HAAs生成 量愈大。一般情況下,氯化消毒中氯劑量較低時以 取代產(chǎn)物為主,氯劑量較高時以氧化產(chǎn)物為主。 HAAs中的TCAA等組分主要是由氧化反應(yīng)產(chǎn)生, 當(dāng)氯劑量越高時其生成潛能也越大。有研究表 明 ],加氯量越多,DCAA和TCAA等的生成潛能 也隨之增大。 2.2.2反應(yīng)時間 在一定反應(yīng)時間內(nèi),HAAs的生成量與時間具 有正相關(guān)性。有研究發(fā)現(xiàn)L7],加氯時間小于6 h時, HAAs生成速率較快,隨著反應(yīng)時間的延長,氯被 不斷消耗,原水中溶解性有機(jī)物和氯反應(yīng)后不能進(jìn) 步產(chǎn)生HAAs,反應(yīng)趨于平衡。相關(guān)試驗結(jié)果也 表明I】 ,HAAs的生成量隨時間的延長而增加,但 48 h后HAAs量的變化不明顯,且pH一7時, 8O ~90 的HAAs在6 h內(nèi)已生成。X.Li等[“] 的研究發(fā)現(xiàn),氯化反應(yīng)的前幾個小時HAAs生成速 率很快,24 h內(nèi)已形成HAAs總量的42 ,而且 TCAA的生成潛能最大。 2.2.3反應(yīng)溫度 由化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)可知,在一定時間內(nèi)溫度升 高,反應(yīng)速度加快,產(chǎn)物增加。研究比較5℃和2O℃ 條件下培養(yǎng)24 h后生成HAAs的量,發(fā)現(xiàn)在相同時 間和相同加氯量下,高溫條件下的HAAFP大于低溫 條件[7]。J.Dojlido等n副研究發(fā)現(xiàn)HAAs生成反應(yīng)的
第2期 莫 云等:飲用水中鹵乙酸生成的影響因素及檢測方法 75 速度受溫度影響很大,溫度越高,反應(yīng)速度越快;溫度 較低時HAAFP相對較低,溫度較高尤其是超過2O℃ 時,HAAs的生成量會相應(yīng)地增多;當(dāng)達(dá)到飲用水沸 騰溫度時,HAAs又會發(fā)生分解,但因分解去除的量 相當(dāng)小,且被分解的主要成分是TCAA。 2.2.4 pH值 pH值超過7.5時,游離氯的成分以次氯酸根 離子為主,其與天然有機(jī)物的反應(yīng)不如次氯酸強(qiáng),故 HAAs的生成量會隨pH值的升高而減小。但陳萍 萍等L7]的研究發(fā)現(xiàn),pH值對HAAs生成量的影響 較小,pH值從5增至10的過程中HAAs生成量的 差異僅為4.5/,g/L,pH值從7增至8時,DCAA和 TCAA的含量會有明顯減少,但由于溴相對于氯的 主導(dǎo)優(yōu)勢,BCAA含量增加,使得HAAs總生成量 變化不大。H_Pournoghaddas等L】 ]的研究也得出 了相似的結(jié)論,在pH值為5時,HAAs的生成量大 于THMs的量;而在pH值為9.4時,HAAs在消 毒副產(chǎn)物中所占比重降至較低水平。 2.3季節(jié)變化的影響 季節(jié)變化對HAAs的生成量和生成速率都有 影響。HAAs前體物的組成隨季節(jié)發(fā)生變化,春、 秋季的有機(jī)物含量高;水體溫度隨季節(jié)發(fā)生變化,夏 季溫度高,冬季溫度低;水中溴化物含量也與季節(jié)有 關(guān),這些都會引起HAAs的生成量發(fā)生變化。有研 究發(fā)現(xiàn)口 ,HAAs的生成量在冬季相對較低,生成 量低于13/ ̄g/L;在初春及秋季,HAAs的生成量也 相對較低,僅為2O~50/ ̄g/L;但是在夏季(5、6月 份),HAAs的濃度達(dá)到最高值120 tzg/L。但是, M.J.Rodriguez等[1 的研究卻發(fā)現(xiàn)HAAs在春季 達(dá)到最大值118 g/L,且濃度均值是冬季的4倍, 這可能是因為夏季高溫使得部分HAAs發(fā)生降解 和(或)水體在春季存在更多的HAAs前體物。 2.4消毒劑種類的影響 常用的替代消毒劑有氯胺、二氧化氯和臭氧,用 氯胺和二氧化氯作消毒劑,可以明顯減少飲用水的 HAAs生成量。C.Y.Chang等[" 的研究表明,用 二氧化氯作消毒劑產(chǎn)生的HAAs明顯減少,而且不 論二氧化氯投加量的大小如何,都不會產(chǎn)生含溴 HAAs。C.Guay等L】 的研究發(fā)現(xiàn),相對于用氯消 毒,臭氧作替代消毒劑的HAAs生成量可減小 25.5O ,而用氯胺作替代消毒劑的HAAs生成量 更小,相對可減小92.29 2.5生物降解性的影響 HAAs的前體物中的氨基酸等小分子物質(zhì)在 生物處理中容易被生物降解而去除,進(jìn)而影響 HAAs的生成量。C.Chen等 的研究發(fā)現(xiàn),經(jīng)生 物濾池處理后,水體的三鹵甲烷生成潛能(THM— FP)增大,但HAAFP幾乎沒有變化,這可能是因為 經(jīng)生物濾池處理后水體中含有更多的THMs前體 物,也可能是HAAs發(fā)生了生物降解。 3 鹵乙酸的檢測方法 3.1 USEPA推薦方法 飲用水中HAAs的檢測方法普遍采用美國環(huán)保 局(USEPA)公布的552.1方法、552.2方法和微量液 液萃取氣相色譜法(6251標(biāo)準(zhǔn)方法),3種方法均采用 甲基叔丁基醚(MTBE)作萃取劑,以重氮甲烷為酯化 劑。但是,重氮甲烷屬致癌物,試驗時須現(xiàn)配現(xiàn)用,在 制備過程中又容易發(fā)生爆炸,對操作人員可能產(chǎn)生很 大傷害,因此研究人員提出以酸化甲醇代替重氮甲烷 作酯化劑進(jìn)行衍生化,并得到了同等的效果l2 。為 此USEPA也提出了測定HAAs的優(yōu)化方法,即 EPA552.3法,該方法以甲基叔丁基醚(MTBE)作萃 取劑,以酸化甲醇為酯化劑,萃取飲用水中的HAAs 并在5O℃進(jìn)行恒溫酯化,再以1,2一二溴丙烷為內(nèi)標(biāo), 進(jìn)行氣相色譜檢測和定量分析。 但EPA552.3法在實(shí)際運(yùn)用中仍存在一些弊 端。如:色譜柱升溫程序復(fù)雜,對難萃取、難酯化的 組分不能很好地檢測出來;用MTBE配制HAAs 標(biāo)準(zhǔn)貯備液的成本相對較高,且進(jìn)一步稀釋標(biāo)準(zhǔn)貯 備液時,會因HAAs從醚相向水相轉(zhuǎn)移不充分而影 響定量分析的準(zhǔn)確性;色譜柱通常選用較長(25~3O m)的毛細(xì)管柱,運(yùn)行時間長,不能滿足大批量樣品 快速檢測的要求,且實(shí)際應(yīng)用中常采用質(zhì)譜檢測器 而不是EPA552.3法選用的電子捕獲檢測器進(jìn)行分 析,分析效果也會相對較差。 3.2優(yōu)化方法 國內(nèi)學(xué)者對HAAs進(jìn)行了大量研究,提出了適 合我國國情的優(yōu)化檢測方法。劉文君等 參照美 國標(biāo)準(zhǔn)方法在國內(nèi)首先建立了飲用水消毒副產(chǎn) 物——HAAs的測定方法,即以原方法為基礎(chǔ),改 用硫酸酸化的甲醇為酯化劑,并改進(jìn)原方法的升溫 程序,即加快4O~14O℃和160~240。C的升溫速度, 降低140~160℃的升溫速度;研究結(jié)果表明改進(jìn)后 的方法不僅檢出限、加標(biāo)回收率和精確度都能滿足 要求,而且縮短了檢測時間,是一種可行且易推廣的 測定方法。查甫更等【 。 參考EPA552.3法,采用酸 化甲醇作酯化劑,并優(yōu)化了升溫程序,將色譜柱在 4O℃時的停留時問縮短為5 min;研究結(jié)果證明使
76 安全與環(huán)境工程 第l7卷 用該方法分析HAAs具有很好的檢測效果,尤其是 對難萃取、難酯化的MCAA能較好的檢測出,而且 縮短了檢測時間。葛元新等口 通過試驗,確定了短 程(7 m)毛細(xì)管柱條件下,檢測HAAs的色譜條件 [73陳萍萍,張建英,金堅袁.飲用水中鹵乙酸和三鹵甲烷的形成及 影響因素研究[J].環(huán)境化學(xué),2005,24(4):434—437. [8]Dalvi,A.G.I,R.A1一Rasheed,M.A.Javeed.Haloacetie acids (HAAs)formation in desalination processes from disinfectants [J].Desalination,2000,129(3):261—271. 和衍生化條件的優(yōu)化方法,即分流進(jìn)樣,簡化升溫程 序,選用體積分?jǐn)?shù)為5 的硫酸酸化甲醇作酯化劑, 衍生化時間采用1 h,大大縮短了檢測時間,便于大 [9]曾凡剛,吳燕紅,巴哈提古麗,等.水氯化消毒處理對人體健康的 影響[J].中央民族大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2001,10(1):66— 76. 批量樣品的檢測。 還有研究者提出用高純水代替MTBE作溶劑 配制標(biāo)準(zhǔn)貯備液,以避免采用MTBE配制標(biāo)準(zhǔn)貯備 液時產(chǎn)生的不穩(wěn)定性影響。汪昆平等[2 的研究結(jié) 果表明:在確立的檢測條件下,用高純水代替MT— BE作溶劑配制貯備標(biāo)準(zhǔn)液測定HAAs,標(biāo)線線性 回歸系數(shù)大于0.999,樣品運(yùn)行時間短,內(nèi)標(biāo)、 HAAs組分峰在譜圖上能夠得到很好的分辨。 4 結(jié)語 近年來,國內(nèi)外學(xué)者對HAAs的研究主要集中 在生成機(jī)理、影響因素及測定方法三個方面。由于 HAAs的生成反應(yīng)復(fù)雜及前體物種類繁多,現(xiàn)有的 研究結(jié)果只是用化學(xué)反應(yīng)通式來表示其反應(yīng)機(jī)理, 對影響因素的研究也存在很多障礙。為了能夠有效 地控制HAAs的生成和生成量,需要進(jìn)一步分析前 體物與消毒劑反應(yīng)的機(jī)理,明確HAAs生成的影響 因素,尤其是對HAAs前體物特性的研究,并著重 分析微污染水體的有機(jī)物構(gòu)成特性和季節(jié)性變化特 點(diǎn),在消毒前采用預(yù)處理方法去除HAAs生成的前 體物,有效地控制HAAs的生成量。 參考文獻(xiàn): I-1]Singer,P.C.Control of disinfection by-products in drinking wa— ter[J].Journal of Environmental Engineering,1994,120(4): 727—745. [2]萬蓉芳.水中鹵乙酸生成和去除特性的研究[D].上海:同濟(jì)大 學(xué),碩士學(xué)位論文,2006. [3]王琳,王寶貞.飲用水深度處理技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版 社,2002:42—43. [4]Kanokkantapong, , F Marhaba,P.Pavasant,at a1.Characteriza— tion of haloacefic acids precursors in source water[J].Journal of En— vironmental Management,2006,80(3):214--221. [5]Zhang,H.,J.Qu,H.Liu,et a1.Characterization of isolated fractions of dissolved organic matter from sewage treatment plant and the re— lated disinfection by-products formation potential[J].Journal Hazarotg5 Materials,2009,164(2—3):1 433—1 438. [6]Singer,P.C.,H.C.Weinberg,C.Brophy,et a1.Relative domi— nance of HAAs and THMs in treated drinking water[R].AW— WARF Report,2002. [10]Chang,E.E.,Y.P.Lin,P.C.Chang.Effects of bromide on the formation of THMs and HAAs[J].Chemosphere,2001,43(8): 1 029一l O34. [1 1]pournoghaddas,H.,A.A.Stevens,R.N.Kinman,et a1.Effect of bromide ion on formation of HAAs during ch1orination[J]. JournalAWWA,1993,85(1):82—87. [12]Rodriguez,M.J.,J.Serodes,D.Roy.Formation and fate of halo— acetic acids(HAAs)within the water treatment plant[J].Water Re5.,2007,41(18):4 222—4 232. [13]Dojlido,J.,E.Zbieca,R.Wietlik.Foramtion of the Haloaeetie acids during ozonation and chlorination of water in Warsaw wa— terworks(Poland)[刀.WaterRes.,1999,33(14):3 111--3 118. [14]Li,X.,Y.M.Ren,L.S.Qiang,et a1.Researches on formation of haloacetic acids in chlorination of drinking water by a novel tech- nique[J].Chemical Research in Chinese Universities,2004,2O (3):285—288. [151Poumoghaddas,H.,A.A.Stevens.Relationship between triha— lomethanes and haloacetic acids with total organic halogen dur- ingchlorinati0n[J].WaterRes.,1995,29(9):2 059--2 062. [】6]Rodriguez,M.J.,J.R Serodes,P.Levallois.Behavior of triha— lomethanes and haloacetic acids in a drinking water djstribution system[J].Water Res.,2004,38(20):4 367—4 382. [17]Chang,C.Y.,Y.H.Hsieh,Y.M.Lin,et a1.The organic precur- sors affecting the fc}rmation of disinfection by-products witheh1o— rinedioxide[J].Chemosphere,2001,44(5):1 153—1 158. [18]Guay,C,M Rodriguez,J.Serodes.Using ozonation and chloramina— tion to reduce the formation of trihalomethanes and haloaeetie acid in drinking waterrJ].Desalination,2005,I76(】--3):229--240. [1 9]Chen,C.,X.J.Zhang,L.X.Zhu,et a1.Disinfection by-products and their precursors in a water treatment plant in North China: Seasonal changes and fraction analysis[J].Science of the Total Environment,2008,397(1—3):l40—147. [20]Xie,Y.,D.A.Reckhow,D.c.Springborg,et a1.Analyzing HAAs and ketoacids without diazomethane[J].AWWA,1998, 90(4):131—138. [21]劉文君,賀北平,曹莉莉,等.飲用水中消毒副產(chǎn)物鹵乙酸 (HAAs)測定方法研究[J].給水排水,2004,30(80):38—41. [22]查甫更,吳立波,高良敏,等.飲用水中五種鹵乙酸檢測方法的改 進(jìn)[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2007,27(2):1—5. [23]葛元新,朱志良,馬紅梅,等.GC—ECD法快速測定飲用水中鹵乙 酸的方法研究[J].分析試驗室,2006,25(8):26—29. [24]汪昆平,鄧榮森.鹵乙酸分析方法(U.S.EPA)的改進(jìn)[J].中國 給水排水,2005,25(9):92—94. 通訊作者:楊小麗(1977一),女,副教授,主要從事污水生物處理技術(shù) 方面的研究 E—mail:yangxl—seu@163.corn
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