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泳池尿素的紫外光解效率评价和影响因素研究

已有 840 次阅读 2019-6-11 23:02 |系统分类:论文交流

尿素是游泳池水中常见的有机污染物,能在氯系消毒剂的作用下生成易挥发且有强烈刺激性气味的物质(即三氯胺),因此中国对其在泳池水中的浓度制定了严格的标准(≤ 3.5 mg/L)。近年来关于泳池水中尿素超标的新闻层出不穷,因此有必要对尿素予以控制。据作者所知,全世界泳池水质标准中仅有中国和加拿大对尿素浓度进行了限定。

 

泳池水中的尿素主要来源于游泳者的尿液和汗液,同时护肤品也是尿素的来源之一。根据世界卫生组织的数据计算,游泳池中平均每个人可通过尿液和汗液分别排出282 187 mg的尿素。因此,即便游泳者在游泳前洗澡并完全杜绝排尿,游泳者的排汗仍会将部分尿素(40%)释放入水中。为应对不断上升的尿素污染,泳池经营者需要通过换水或采用净化技术来降低尿素浓度。

 

本文基于紫外(UV)光解技术的操作方便性和强大去除潜力,初步评价了7种紫外光技术对尿素的降解效果,同时评价了各降解过程中总溶解性固体(TDS)的增量(因TDS在泳池水中也是控制指标之一)。结果显示,UVUV/Na2SO3对尿素基本没有去除效果,UV/H2O2对尿素的去除能力也较低,而真空紫外(VUV)在不引入大量TDS的情况下可降解71.7%的尿素(图1左),具有较好前景。相较于单独VUVVUV/H2O2对尿素的降解能力反而较低。虽然UV/K2S2O8VUV/K2S2O8对尿素的降解效果更好,但它们可显著增加水中TDS浓度(图1右),使得TDS更易超标(美国:TDS增量< 1500 mg/L,中国:TDS增量< 1000 mg/L)。因此,本文认为VUV是最好的处理方式。从反应机理上推测,尿素降解的主要驱动力是185 nm的直接光解、羟基自由基和硫酸根自由基的间接氧化作用。

 

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1 评价7种紫外光技术对尿素的降解效果和TDS增量

 

随后本文研究了尿素在UV/VUV光解中的常见影响因素。结果表明:氰尿酸(一种常用泳池消毒剂的产物),腐殖酸,硝酸根离子和碳酸氢根离子均可通过竞争185 nm紫外光和抑制羟基自由基作用等方式降低尿素的降解;而氯离子和硫酸根离子可通过产生氯自由基和硫酸根自由基等方式促进尿素的降解。另,不高于3 mg-Cl2/L的余氯或一定范围的pH变化(6.8-8.0)基本上不影响尿素的降解。实际自来水和游泳池水中, VUV仅仅去除了40.0%22.2%的尿素,两者均低于在超纯水环境下的去除率,说明对于该方法的实际应用还有较大挑战。

 

从产物方面看,氮元素基本守恒,主要的含氮产物为硝酸根离子和铵根离子。而碳元素持续下降:总有机碳浓度下降速率略低于尿素的降解速率,说明尿素的降解主要是矿化过程,只有少量的尿素转化为未知的有机化合物。

 

再综合能量效率(EEO)考虑,VUV对真实泳池水中尿素去除其实不算特别理想。但该技术可以说是一种较安全有效的泳池尿素控制手段,因为其不投加任何化学试剂,也不产生有毒的中间产物。此外,本文综合评价了尿素去除及TDS上升的利弊,而不唯去除效果论,或也是本文的特点之一。此外,作者了解到氯代异氰尿酸是目前很多民营泳池的消毒剂。好处是方便、便宜,但预想或许也会有不利之处。因其投加量特别大(国家规定是不超过100mg/L),尤其在光照条件下,很可能会产生其它类型副产物。这点或许值得未来同仁们继续关注和深入思考。

 

该研究成果于2019年6月发表在《Water Research》第161期,89-*73页,论文题目为“Removal of Urea from Swimming Pool Water by UV/VUV: The Roles of Additives, Mechanisms, Influencing Factors, and Reaction Products。对此文有兴趣的朋友们可下载该文:https://authors.elsevier.com/c/1ZBJz9pi-M4m8(即日起45天内免费)或https://doi.org/10.1016/j.watres.2019.04.062也可联系哈尔滨工业大学(深圳)陈白杨老师了解详情(poplar_chen@hotmail.com)或进行探讨和交流。

 

作者:龙亮臣。更多相关内容请看科学网博客:我所理解的“游泳池水质标准




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