飲用水含氮消毒副產(chǎn)物NDMA控制技術(shù)研究進(jìn)展

1、飲用水含氮消毒副產(chǎn)物NDMA控制技術(shù)研究進(jìn)展26張強(qiáng),劉燕,張?jiān)?查曉松,代瑞華,劉翔(復(fù)旦大學(xué),上海200433)摘要:N-亞硝基二甲胺(NDMA)作為一種新發(fā)現(xiàn)的飲用水消毒副產(chǎn)物,由于其具有高致癌風(fēng)險(xiǎn),已逐漸成為水環(huán)境化學(xué)研究領(lǐng)域的一個熱點(diǎn).本文介紹了飲用水含氮消毒副產(chǎn)物NDMA的相關(guān)背景,分析了光降解,生物降解,臭氧氧化,高級氧化技術(shù),吸附法,反滲透膜法及金屬催化等各種NDMA去除工藝,探討了各種工藝的特點(diǎn)以及對NDMA的去除性能.關(guān)鍵詞:飲用水;N一亞硝基二甲胺(NDMA);控制技術(shù)中圖分類號:X703文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:1006-5377(2011)01-0026-041引言N一

2、亞硝基二甲胺(Nnitrosodimethylamine,NDMA)是水處理領(lǐng)域新近發(fā)現(xiàn)的一種消毒副產(chǎn)物,主要產(chǎn)生于氯化消毒過程,氯胺消毒過程中則更為嚴(yán)重.目前在美國,加拿大以及歐洲等地水廠均有NDMA檢出的報(bào)道.毒理學(xué)研究表明,NDMA產(chǎn)生的慢性毒性作用可引起肝癌,肺癌及神經(jīng)系統(tǒng)的損傷】,其致癌風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于三氯甲烷等鹵代消毒副產(chǎn)物.基于NDMA對健康的危害性,研究飲用水處理過程中NDMA的去除對保護(hù)公眾健康和發(fā)展安全的飲用水工業(yè)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,本文就目前飲用水處理過程中NDMA的去除方法進(jìn)行綜述.2NDMA的去除方法2.1物理方法NDMA是種半揮發(fā)I生,易溶于水的有機(jī)化合物,20時(shí)的蒸氣壓

3、為360Pa21,且NDMA在水中的溶解度較高,NDMA的亨利常數(shù)較低(2.63X10atm/mo1),因此通過從天然水中揮發(fā)和空氣吹脫的方法,都不能有效去除中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)2011.1溶解狀態(tài)下的NDMA.2.2光降解NDMA對光具有很高的敏感性,在波長為225250nm時(shí)有較強(qiáng)的吸收帶,NDMA對紫外線的吸收導(dǎo)致竹一1T的轉(zhuǎn)變】,同時(shí)伴隨著NN鍵的斷裂,反應(yīng)之后的主要產(chǎn)物為二甲胺(DMA)和亞硝酸鹽,同時(shí)會生成少量的硝酸鹽和甲醛,也可能生成三甲胺.徐冰冰等采用紫外光降解水中痕量NDMA,研究了NDMA初始濃度,溶液pH,光照面積,紫外光輻射強(qiáng)度以及水質(zhì)對紫外光降解NDMA的影響.結(jié)果表明,紫外

4、光能夠有效降解水中的NDMA,光解反應(yīng)5min,NDMA去除率可達(dá)97.5%.初始濃度對NDMA的光降解去除率影響不大.隨著pH值升高,紫外光解NDMA的反應(yīng)速率呈現(xiàn)下降趨勢,低pH值條件下光量子產(chǎn)率較高,溶液pH為2.2時(shí)NDMA具有最大光降解速率.NDMA的去除率隨著有效光照面積的增大而增大,紫外光輻射強(qiáng)度的增加有利于NDMA的去除.水質(zhì)對紫外光降解NDMA具有一定的影響,在自來水和江水為背景的兩種對比體系中,光解NDMA的去除率分別為96.7%和94.8%.Sharpless等采用基于uv注量的速率常數(shù)直接比較了低壓(LP)和中壓(MP)汞燈降解NDMA時(shí)燈的工作情況,結(jié)果證明LP和MP

5、事實(shí)上具有相同的光子效率(速率產(chǎn)額不依賴于UVC(短波紫外線)區(qū)域的波長.但是采用uV工藝去除NDMA的費(fèi)用太高,去除90%的NDMA大約需要1000mJ/cm的uV劑量,是滅活病毒和細(xì)菌所需uV劑量的1嘴.NDMA在300350nm處有次級吸收帶,在該波長范圍內(nèi)產(chǎn)生n一1T的躍遷,因而它也可以在日光下發(fā)生光解反應(yīng).Plumlee等通過對NDMA,亞硝基二乙胺(NDEA),亞硝基二丙胺(NDPA),亞硝基二丁胺(NDBA)等7類亞硝胺類物質(zhì)的太陽光光解作用的研究發(fā)現(xiàn),NDMA的量子產(chǎn)量為0.41,其它6種亞硝胺類物質(zhì)的為0.430.61,隨著水中溶解性有機(jī)物(DOC)濃度的增加,NDMA的光解

6、效率會降低.樊麗琴等人研究了光照及溫度對NDMA和NDEA降解的影響.結(jié)果表明.NDMA和NDEA在光照作用下會迅速降解,初始和87.39%.JaesangLee等叫采用純TiO,和經(jīng)過表面修飾的Ti0,(即鉑沉積,二氧化硅負(fù)載,高氟化樹脂涂層和表面氟化作用)作為催化劑光催化降解水體中的NDMA.研究表明,TiO,經(jīng)表面修飾后,NDMA的光催化降解反應(yīng)速率得到了顯著提高.2.3臭氧氧化韓國學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測出了NDMA同臭氧和H,O,反應(yīng)的速率常數(shù)分別為0.052-t-0.0016Ms和(4.50.21)X10Ms.單獨(dú)采用臭氧氧化的試驗(yàn)結(jié)果表明,在pH=7時(shí),NDMA的氧化率為13%,而當(dāng)pH

7、值增至8時(shí),該數(shù)值上升到55%.加入過氧化氫并TlpH值分別為7和8時(shí),NDMA的氧化率約為85%.目前采用臭氧去除NDMA的主要問題是效率太低,160/xmol/L(7.7mg/L)的臭氧對NDMA的氧化率<25%,而在O3/H,O,高級氧化工藝中,160-320mol/L的臭氧(【O3h/H2O2】0=2)對NDMA的氧化率可達(dá)50%75%.2.4高級氧化技術(shù)高級氧化技術(shù)(AOPs)是一種高效降解有機(jī)物的方法,近年來國外許多研究人員將AOPs應(yīng)用于DBPs的去除,包括紫外線,臭氧,雙氧水,Fenton試劑和超聲等多R研g(shù)seIa究tchlP進(jìn)rogrle展ssI27J種工藝的聯(lián)用.D

8、MA或含DMA官能團(tuán)物質(zhì)被認(rèn)為是最有效的NDMA前體物,因此在NDMA的同時(shí)還需要控制DMA的生成】.徐冰冰等t4UV/OUV/H,0,兩種高級氧化工藝降解水中NDMA和控制DMA生成的能力進(jìn)行了比較研究.結(jié)果表明,uV,O,能夠有效降解NDMA,但不能有效控制NDMA降解產(chǎn)物DMA的生成;UV/O高級氧化技術(shù)不僅能夠有效地去除NDMA,同時(shí)對DMA的生成量也有很好的控制作用.Hiramoto等人使用由Fe和H,O,組成Fenton試劑降解磷酸鹽緩沖液中的NDMA.磷酸鹽緩沖液(pH=7.4)中的NDMA在不同濃度范圍內(nèi)與FeSO/H,O,進(jìn)行混合,每50和100mmol/L的Fenton試劑

9、分別能降解20%和35%的NDMA(10mmol/L).Fenton試劑對NDMA具有較好的去除效果,但是在對NDMA的降解過程中,最終會產(chǎn)生NO,它會對DNA和蛋白質(zhì)分子造成非酶性破壞,同時(shí)Fenton試劑氧化降解NDMA起主要作用的仍然是羥基自由基,只有在強(qiáng)酸性環(huán)境中Fenton試劑才能獲得大量的羥基自由基,因此在實(shí)際水處理工藝中難以推廣應(yīng)用.2.5生物降解研究表明,在自然環(huán)境中生物降解NDMA具有定的潛力.QuanlinZhou等n印通過對地下水系統(tǒng)中的NDMA進(jìn)行常年監(jiān)測,結(jié)論為地下水系統(tǒng)中存在顯著的NDMA生物降解過程.在過去7年的監(jiān)測時(shí)間里,由地表水系統(tǒng)進(jìn)入到地下水系統(tǒng)的NDMA約

10、90%被生物降解去除.據(jù)報(bào)道,草坪土壤中NDMA的生物降解半衰期為46dI,土壤淤泥中NDMA的生物降解半衰期為1139dIl,半衰期較長的原因是沒有分離出有效的菌屬.Jonathan0Sharp等人研究采用可同化產(chǎn)生加單氧酶的好氧菌株處理15種污水中的NDMA,在30d內(nèi)其去除率達(dá)到了50%以上【】.在好氧和厭氧條件下培養(yǎng)的天然微生物土壤菌群降解NDMA的半衰期為1255d【2,并且在好氧環(huán)境下NDMA的生物降解速率明顯快于厭氧條件.研究者在對美國北邊界污染系統(tǒng)的水樣進(jìn)行研究時(shí)也發(fā)現(xiàn),當(dāng)?shù)氐囊环N共生菌無論在有氧或是厭氧條件下都能對NDMA起到一定的降解作用.JinwookChung等研究了氫

11、基質(zhì)生物膜反應(yīng)器(MBfR)對NDMA的去除效果,發(fā)現(xiàn)在特定條件下MBfR對NDMA的去除率可高達(dá)96%;并通過動力學(xué)研究發(fā)現(xiàn),H1的活性是影響NDMA去除效果的最主要因素.2.6吸附法由于極性官能團(tuán)的存在,NDMA具有親水性,辛/Tgft配系數(shù)(1ogKow)為一0.57【2,所以它不容易吸附于土壤,CHlNENVlRONMENTALPROTECTl0NINDUSTRY2011.1I活性炭或其他疏水類材料,而親水性材料如硅土,丙烯酸,沸石,Ambersorb572樹脂等對其有一定的吸附效果.Komminenis等考察了F400(煤質(zhì)活性炭),CSC(果殼質(zhì)活性炭),Ambersorb572和

12、563(碳質(zhì)活性炭),XAD一7(大孑L樹脂)和一系列經(jīng)過或沒經(jīng)過銅,鐵和鎳預(yù)處理改性的沸石等各種吸附劑對NDMA的去除效果.研究通過在地下水中加人100Ixg/L的NDMA來進(jìn)行.結(jié)果表明沸石和XAD一7的去除效果不好(<20%).其余幾種具有較好去除率的吸附劑按去除率由高到低排列如下:A572>CSC>A563>F400.但總體而言,活性炭對NDMA的吸附能力較低.代曉東等選用木質(zhì)素和椰殼兩種商用活性炭作為吸附劑去除水中的NDMA,探索其吸附原理,并研究了在惰性條件下高溫改性過程中溫度對活性炭孑L結(jié)構(gòu),表面性能以及NDMA吸附性能的影響.結(jié)果表明,活性炭對NDMA吸

13、附性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于分子篩,微孔有利于NDMA的吸附.其吸附性能不但與孑L結(jié)構(gòu)相關(guān),還受表面化學(xué)性質(zhì)的制約.未改性處理時(shí),由于水分子的競爭吸附,大多吸附位被水分子占據(jù),同時(shí)NDMA以亞硝胺極性端被吸附,吸附量較小.改性處理后由于極性官能團(tuán)的減少,活性炭疏水性增強(qiáng),水分子吸附減少,NDMA多以甲基非極性端被吸附于微孔內(nèi),吸附量成倍增加.此外,表面的醛或者酮結(jié)構(gòu)也有利于NDMA吸附量的提高.2_7反滲透膜法一般而言,反滲透膜能較好地去除水中的仲胺和叔胺,是由于仲胺和叔胺往往在pH為中性時(shí)帶有正電荷.但由于NDMA的分子量相對較小,且在一般實(shí)際水體環(huán)境中不帶電,因此反滲透法對NDMA的去除率不高.美國加利

14、福尼亞州南部一家污水處理廠采用美國海德能公司的EPSA2膜處理水中的NDMA,發(fā)現(xiàn)去除率在24%56%之間】.斯坦福大學(xué)學(xué)者研究了幾種反滲透膜對包括NDMA在內(nèi)的7種烷基亞硝胺的去除效果【2,在去離子水中的試驗(yàn)表明,分子量越大,攔截效果越好,反滲透膜對NDMA的去除率可達(dá)56%-70%.在膜表面涂上嵌段聚醚酰胺樹脂(PEBAX)后,ESPA3膜對NDMA的去除率下降了11%,但是使用LFC3和BW30兩種膜對NDMA進(jìn)行處理,其去除率分別增加了6%和15%.2.8金屬催化FrierdichAjpo采用高比表面積多孑LNi材料催化去除NDMA的研究表明,NDMA可被快速催化還原為DMA和N,.研

15、究發(fā)現(xiàn),雙金屬FeNi可催化降解水體中的中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)2011.1NDMA.應(yīng)用雙金屬FeNi催化體系時(shí),Fe可將水還原成單原子氫(H,一種強(qiáng)還原劑),Ni為NDMA的活化提供催化表面,單原子氫與受激發(fā)的NDMA(NDMA)反應(yīng),生成DMA和NH.MatthewGDavie等研究了以In作為助催化劑,PdIn催化去除飲用水和地下水中的NDMA.以氧化鋁作為載體,雙金屬PdIn結(jié)合了In活化NDMA的能力和Pd活化氫的性質(zhì).研究表明,Pd可有效活化氫成為H,同時(shí)吸附于Pd或In表面,In.aJ將NDMA活化成為NDMA,并被H還原,隨著NN鍵的還原性斷裂,形成了DMA和NH.金屬催化處理方法在工業(yè)

16、應(yīng)用中一個主要的限制是成本問題,如作為催化反應(yīng)活性組分的Pd是一種貴金屬,價(jià)格昂貴.確定非貴金屬替代物的性質(zhì)并考察其可行性,可以大大促進(jìn)金屬催化處理法在工業(yè)中的應(yīng)用.3結(jié)語本文綜述了去除NDMA的各種T藝方法,紫外光解,高級氧化,活性炭吸附以及反滲透等一r藝技術(shù)均表現(xiàn)出了對NDMA具有一定的去除能力,但這些方法普遍存在效能低,成本高,降解機(jī)理不明確等諸多問題.因此探索更為經(jīng)濟(jì)高效的NDMA去除方法或組合工藝是該領(lǐng)域急需解決的問題.同時(shí),還應(yīng)從NDMA產(chǎn)生的源頭加以控制,通過對NDMA前體物的削減,改進(jìn)消毒工藝與消毒劑的使用等手段盡量減少NDMA的產(chǎn)生,達(dá)到NDMA健康風(fēng)險(xiǎn)最小化的目的.參考文獻(xiàn)

17、:1】SoutiotisVLHennemanJR.ReedCD,etaIDNAadductsandliverDNAreplicationinratsduringchronicexposuretoN-nitrosodimethylamine(NDMA)andtheirrelationshipstothedosedependenceofNDMAheDatOcarcInOgenesisJlMutationResearchFundamentalandMolecularMechanismsofMutagenesis.2002,500(1/2):75872】KleinRGCalculationsmeasu

18、rementsonthevolatilityofNnitrosaminesandtheiraqueoussolutionsUlToxicology.1982,23(2-3):1351473】StefanMI.BoltonJRUVDirectPhotolysisofNNitrosodimethylamine(NDMA):KineticandProductStudyJlHelveticaChimicaActa.2002,85(5):141614264】SwaimPaulRoyceAlan,Smlthm,etalEffectivenessofUVadvancedoxidationfordestruc

19、tionofmicropollutantsfJOzoneScience&Engineering2008,30(1):34425】徐冰冰,陳忠林,齊飛,等紫外光降解水中痕量NDMA的效能研究J1_環(huán)境科學(xué),2008,29(7)1908191361SharplessCMLindenKGExperimentalandmodelcomparisonsoflowandmediumpressureHglampsforthedirectandH202assistedUVphot0degradatIonofNnitrosodimethylamineinsimulateddrinkingwaterJEn

20、vironmentalScience&Technology,200337(9)19331940.7】MitchWA.SharpJO,TrussellRRetalNnitrosodimethylamine(NDMA)asadrinkingwatercontaminant:areviewJEnvironmentalScience&Technology,2003,20(5):38940481MeganHPumlee,MartinReinhardPhotochemicalAttenuationofNNitrosodlmethylamine(NDMA)andotherNitrosamin

21、esinSurface61769l樊麗琴,楊賢慶,陳勝軍,等光照及溫度對N一二甲基亞硝胺和N一二乙基亞硝胺降解的影響研究【J】南方水產(chǎn),2009,5(3):535810IJaesangLeeWonyongChoi,JeyongYoonPhotocatalyticDegradationofNNitrosodimethylamine:Mechanism,ProductDistributionandTiC,SurfaceModification【J】EnvironmentalScience&Technology,2005,39(17):6800-680711lChanghaLee,Jeyon

22、gYoonUrsYonGuntenOxidativedegradationofNnitrosodimethylaminebyconventionalozonationandtheadvancedoxidationprocessOzone/hydrogenperoxide【JlWaterResearch.2007,41(3):58159012lAndrzejewskIPKasPrzYkHordernB.NawrockIJNNitrosodimethylamine(NDMA)formationduringozonationofdimethylaminecontainingwaterfJJWater

23、Research2008,42(45)863-87013JMasamiOYa,KoilKosaka,MarlAsaml,etalFormatlonofNnitrosodimethylamine(NDMA)byozonationofdyesandrelatedcompounds【JIChemosphere,2008.73:1724173014l徐冰冰,陳忠林,齊飛,等UWO對亞硝基二甲胺降解產(chǎn)物的控制研究【J】環(huán)境科學(xué),2008,29(12):3421342715lHiramotoKRyunoY,KikugawaKDecompositionofNnitrosamines,andconcomita

24、ntreleaseofnitricoxidebyEentonreagentunderphysiologicalconditions【J】MutationResearch,2002520:10311116】QuanlinZhou,SallyMcCraven,JulioGarcia,etalFieldevidenceofbiodegradationofN-Nitrosodimethylamine(NDMA)ingroundwaterwithincidentalandactiverecycledwaterrecharge【J】WaterResearch.2009,43:793-80517JYangW

25、CGanJ,LiuWP,etalDegradationofNnitrosodimethylamine(NDMA)inlandscapesoils【J】JournalofEnvironmentalQuality2005,34(1):336341181MallikMAB,TesfaiKTransformationofnitrosaminesinsoilandinvitro研I究I進(jìn)l展耋羹爨霪黲蕤囂蓍蓍臻器霪囂29bysoilmicroorganismsJBulletinofEnvironmentalContaminationand121【191JonathanOSharp,ThomasKWood

26、,LisaAIvarezCohenAerobicBiodegradationofNNitrosodimethylamine(NDMA)byAxenicBacterialStrainsfJBiotechnologyandBioengineering,2005,89(5)608618201FrierdichAJShapleyJR.StrathmannTJRapidreductionofNnitrosaminedisinfectionbyproductsinwaterwithhydrogenandporousnickelcatalysts【J】EnvironmentalScience&Tec

27、hnology,2008,42(1):262-269.21】DouglasGunnison.MarkEZappiCynthiaTeeter,etalAttenuationmechanismsofNnitrosodimethylamineatanoperatinginterceptandtreatgroundwaterremediationsystem【JlJournalofHazardousMaterials,2000.73(2):179-19722lJinwookChung,ChangHoonAhn,ZhuoChen,etalRlttmannBioreductionofNnitrosodim

28、ethylamine(NDMA)usingahydrogenbasedmembranebiofilmreactorfJjChemosphere,2008,70:51652023lKommineniS,ElaWP,ArnoldRGeta1.NDMAtreatmentbysequentialGACadsorptionandFentondrivendestructionJ】EnvironmentalEngineeringScience2003.20(4):361373241代曉東,鮑旭晨,朱勇軍,等改性活性炭去除水中的二甲基亞硝胺J】炭素技術(shù),2010,29(2):111525jPlummeeMH,

29、MontserratLM.Nnitrosodimethy/amine(NDMA)removalbyreverseosmosisandUVtreatmentandanalysisviaLCMS/MSJ】WaterResearch,2008,42(12):34735526jEvaSteinleDarling,MarcoZeddaMeganHetalEvaluatingtheimpactsofmembranetypecoating.foulingchemicalpropertiesandwaterchemJstryonreverseosmosisrejectionofsevennitrosoalkl

30、yamines,includingNDMA【J】WaterResearch,2007,41(17):3959396727】GuiL,GillhamRW,OdziemkowskiMSReductionofNNitrosodimethylaminewithGranularIronandNickelEnhancedIron1PathwaysandKineticsJJEnvironmentalScience&Technology34(16):3489-349428】OdziemkowskiMS,GuiL,GillhamRWReductionofNNitrosodimethylaminewithGranularIronandNickelEnhancedIron2MechanisticStudiesJEnvironmentalScience&a