臭氧对再生水毒性生成潜势的影响机制与控制原理

污水再生利用是解决我国水资源短缺问题的重要途径，其关键是水质安全保障。氯消毒是控制病原微生物的重要途径，但氯消毒过程中消毒副产物生成和毒性增加的风险不容忽视。 本研究以控制再生水氯消毒的毒性生成风险为目标，围绕抗雌激素活性等新兴毒性效应，建立再生水氯消毒后毒性生成潜势评价方法。研究基于臭氧氧化的毒性生成潜势控制方法，取得以下主要成果： （1）系统考察了氯消毒过程中抗雌激素活性的生成规律以及消毒时间、投氯量等的影响，首次提出了再生水氯消毒抗雌激素活性生成潜势（AEAFP）的概念并确定了关键试验条件，为再生水氯消毒风险评价与保障提供了支撑。 （2）发现再生水中AEAFP普遍检出（0.2~2.1 mg-TAM·L-1），UV254和三维荧光光谱区域强度积分值与AEAFP存在显著正相关关系，其可作为AEAFP的替代指标，为再生水水质安全保障提供了支撑。 （3）发现溴离子在氯消毒过程中可促进再生水，特别是其疏水酸性物质抗雌激素活性的生成。选取模式物质酪氨酸，发现酪氨酸在溴离子作用下可生成抗雌激素活性副产物二溴代对羟基苯乙腈和一溴代对羟基苯乙腈，并阐明了其生成机制。 （4）发现臭氧氧化有效去除再生水抗雌激素活性及AEAFP，为控制再生水氯消毒风险，保障再生水水质安全提供了支持。 （5）利用凝胶色谱方法，对臭氧氧化后的溶解性有机物变化特征进行分析，发现臭氧氧化后DOM总量未显著下降，但UV254值显著下降，其中，大分子（>5000 Da）有机组分的UV254下降最为显著。 在本项目支持下，项目执行期间，发表SCI论文5篇。

以臭氧氧化-氯消毒为核心的再生水组合处理工艺是污水再生处理技术与工艺的重要发展方向，但氯消毒的毒性生成风险不容忽视。深入研究前置臭氧对氯消毒的毒性生成潜势的影响机制和控制原理，对优化污水再生处理工艺，保障再生水利用安全具有重要的意义。.本研究以控制再生水氯消毒的毒性生成风险为目标，围绕抗雌激素活性、(抗)甲状腺激素活性等新兴毒性效应，建立再生水氯消毒后毒性生成潜势评价方法。研究再生水在臭氧氧化过程中毒性生成潜势和物质组成的变化规律及操作条件等的影响；评价毒性生成潜势与水质指标之间的关联性，识别影响毒性生成潜势变化的关键有机组分和关键有机物。研究关键有机物在毒性生成潜势评价（氯消毒）、臭氧氧化过程中的毒性和官能团变化规律，掌握关键有机物的毒性生成与臭氧转化机制。综合以上成果，阐明再生水毒性生成潜势的控制原理，为保障再生水水质安全提供理论依据和技术支持。

电源的电动势是和非静电力的功密切联系的。非静电力是指除静电力外能对电荷流动起作用的力，并非泛指静电力外的一切作用力。不同电源非静电力的来源不同，能量转换形式也不同。

化学电动势（干电池、钮扣电池、蓄电池等）的非静电力是一种与离子的溶解和沉积过程相联系的化学作用，电动势的大小取决于化学作用的种类，与电源大小无关，如干电池无论1号、2号、5号电动势都是1.5伏。产生化学电动势的电池称为化学电池或电化电池，例如：铜锌原电池，电解质溶液为硫酸铜溶液。

感生电动势和动生电动势（发电机）。发电机的非静电力起源于磁场对运动电荷的作用，即洛伦兹力。

根据法拉第电磁感应定律：只要穿过回路的磁通量发生了变化，在回路中就会有感应电动势产生。而实际上，引起磁通量变化的原因不外乎两条：其一是回路相对于磁场有运动；其二是回路在磁场中虽无相对运动，但是磁场在空间的分布是随时间变化的，将前一原因产生的感应电动势称为动生电动势，而后一原因产生的感应电动势称为感生电动势。

感应电动势的大小

光生电动势（光电池）的非静电力来源于内光电效应。

在光照下，若入射光子的能量大于禁带宽度，半导体PN结附近被束缚的价电子吸收光子能量，受激发跃迁至导带形成自由电子，而价带则相应地形成自由空穴。这些电子一空穴对，在内电场的作用下，空穴移向P区，电子移向N区，使P区带正电，N区带负电，于是在P区和N区之间产生电压，称为光生电动势，这就是光伏特效应。利用光伏特效应制成的敏感元件有光电池、光敏二极管和光敏三极管等。

压电电动势（晶体压电点火、晶体话筒等）来源于机械功造成的极化现象。

当电介质（晶体）受到一定方向外力的作用而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生极化现象，从而导致在相应的两个表面上产生符号相反的电荷，于是在两个表面产生电压，称为压电电动势；当外力作用除去时，表面的电荷也随之消失，又重新恢复不带电状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变。

温差电动势（温差电源）的非静电力是一种与温度差和电子浓度差相联系的扩散作用。

1821年德国物理学家塞贝克（T J Seeback）发现：当两种不同金属导线组成闭合回路时，若在两接头维持一温差，回路就有电流和电动势产生，后来称此为塞贝克效应。其中产生的电动势称为温差电动势述回路称为热电偶。

燃料化工废水成分复杂，毒性大，以煤化工废水最具代表性。目前尚未清楚该类废水中典型污染物的存在与状态及其在控制过程中的转化，水污染问题仍是行业发展的制约因素。本项目拟开展：应用SPME-GC/MS等手段研究废水水质组成与污染物作用关系的化学与生物特性，建立典型污染物的分类体系并阐明形成机理；利用分子生态学的方法，识别降解典型污染物的关键微生物菌群结构，筛选培养功能微生物，构建高效基因工程菌，强化典型污染物的降解；研究电化学过程协同好氧-水解流化床的工艺原理及典型污染物的降解动力学；对生物处理后尾水中典型难降解污染物，采用功能吸附剂结合超临界催化过程进行分子结构的转化与毁毒并阐明反应机理；基于强化的生物过程与优化的化学过程，解析典型污染物形成、转化与控制的化学关系，评价其安全性。研究成果为解决我国煤化工废水污染及保障生态安全提供技术理论支撑，为燃料化工过程典型污染物的减排与控制提供普适性方法。

针对焦化行业，调查分析了由剩余氨水、焦油分离液、粗苯分离液和脱硫废液构成的焦化废水中常规污染物与典型污染物的存在、分布与形成机理，明确了典型污染物主要包括酚类、多环芳烃、杂环芳烃、含卤有机物（如二噁英）等。以分析检测限大于最大组分面积的1%为统计，鉴别到558种有机物。其中检出的44种酚类物质含量最高，占焦化废水COD值的70%~75%。低环的萘、菲、苯并[a]芘为多环芳烃类化合物典型代表，被检测到的58种多环芳烃总浓度在0.3~0.5 mg/L之间。在144种含氮化合物中，喹啉类、吡啶类和吲哚类是典型代表。17种卤代有机物主要为氯代和氟代有机物，其中氯苯浓度达到25.4 µg/L。24种痕量二噁英类物质被检出，PCDD、PBDD是主要物种(7.5~18 pg/L)。 基于上述认识，建立了以自动化SPME和液-液萃取等为主要样品前处理手段的污染物分析方法；还建立了一种检测苯酚的盐结晶脱水-顶空-气相分析技术。 根据我们对焦化废水的认识以及4个工程的实践，发现O1/H/O2比传统A1/A2/O工艺的硝化需氧量降低15%、动力消耗降低约30%、污泥排放量减少25%。利用高通量Miseq测序方法研究焦化废水生物处理过程中关键微生物类群的结构特征，发现反应器中主要由Comamonas降解苯酚，由Thiobacillus降解氰化物和硫氰化物；通过PCA分析技术阐明了优势微生物菌属和环境因子之间的相关性。最后，总结归纳了焦化废水O1/H/O2生物工艺的降解模型。表现出如下优势：(1)负荷能力上的突破，进水负荷达到2.4 kg COD/(m3•d)；(2)通过新型反应器实现新工艺，明确同时除碳与短程脱氮技术；(3)对焦化废水的可降解性提出了新认识，实现B/C值0.5~0.6。另一方面，废水处理过程中毒性当量(TEQ)削减明显，在水质安全方面提出了有效的证明。 整个项目工作，开创了一套以O1/H/O2为生物技术的新工艺系统，发明了异重流污泥原位分离流化床以及协同混凝吸附作用原理的两种新型反应器，探索了从废水中分离能量物质并转化为高能气体、能量自给的同步除碳脱氮以及多段流态化臭氧催化氧化惰性污染物的三种新原理，结合焦化废水水质特征以及典型污染物形成与浓度信息，在研究、技术、应用方面进行了大胆的尝试，取得的认识与经验有助于解决我国煤化工行业面临的水污染问题。 2100433B