VUV/UV/Cl₂脱氮技术探索

图文摘要

图1：VUV/UV/Cl₂体系中DON转化为N₂的路径示意图，包含•OH、Cl•、ClO•、NH₂•等活性物种及氯胺中间体

成果简介

溶解性有机氮（DON）是总氮（TN）的重要组成部分，难以被传统工艺降解，易引发水体富营养化及生成含氮消毒副产物。本研究提出VUV/UV/Cl₂体系，系统评估其对多种DON化合物的脱氮效果。结果表明，该工艺可在20分钟内实现腺嘌呤、阿特拉津和甲硝唑的TN去除率分别达50.4%、60.3%和30.4%。淬灭实验表明，活性氯物种（RCS）是TN去除的主要贡献者，活性氮物种（RNS）次之。最佳Cl₂:N摩尔比为2:1，pH 4–10范围内效果良好，而极端pH（2或12）及低溶解氧（DO）条件显著抑制去除效率。HCO₃⁻表现出最强抑制效应，Br⁻和Cl⁻影响相对较小。含氮产物分析表明，DON先被降解为NH₄⁺及中间态DON，进一步通过氯胺路径转化为N₂等气态产物。该研究为VUV/UV/Cl₂技术在水处理中脱氮应用提供了理论依据。

引言

DON广泛存在于天然水体及市政废水中，包括尿素、氨基酸、嘌呤及药物残留等。传统污水处理工艺对DON的去除效率有限（通常<20%），且易生成毒性更强的含氮副产物。高级氧化工艺虽能有效降解DON母体，但多数研究聚焦于母体去除而非脱氮。近年来，VUV/UV/Cl₂体系因其强氧化能力受到关注，尤其在将NH₄⁺转化为N₂方面表现出色。本研究旨在系统评估该体系对多种DON的脱氮性能，揭示活性物种贡献，分析影响因素，并提出氮转化路径。

工艺性能对比

图2展示了不同工艺对腺嘌呤、甲硝唑、阿特拉津及NH₄⁺的TN去除效果。单独氯、UV、VUV/UV及VUV/UV/H₂O₂均无法有效去除DON中的TN，而VUV/UV/Cl₂在20分钟内实现了显著的TN去除，其中阿特拉津去除率最高（60.3%）。值得注意的是，仅含杂环结构的DON（如腺嘌呤、阿特拉津）表现出明显TN去除，提示结构特征对脱氮效果具有重要影响。

图2：八种DON化合物在VUV/UV/Cl₂体系中的母体去除率、矿化率与TN去除率对比柱状图

活性物种贡献分析

通过淬灭实验（使用t-BuOH）区分不同活性物种对TN去除的贡献。结果显示，对腺嘌呤和甲硝唑，RCS是主要贡献者（分别占73.3%和79.6%），RNS次之（25.7%和12.7%）。对于阿特拉津，直接光解贡献最大（52.3%），RCS贡献41.3%。结果表明，VUV/UV/Cl₂体系中RCS和RNS协同作用，是实现DON脱氮的关键。

图3：三种DON在不同处理条件下的TN去除速率常数及活性物种贡献比例饼图

影响因素分析

·       Cl₂剂量：TN去除率随Cl₂:N摩尔比升高先增后降，最佳比为2:1。过量Cl₂会淬灭•OH和Cl•，抑制脱氮。

·       pH：pH 4–10范围内TN去除良好，pH 2或12时显著下降。极端pH下自由基稳定性降低，ClO⁻淬灭能力增强。

·       阴离子：HCO₃⁻抑制最强（200 mg/L下TN去除降低4.9–16.7%），因其淬灭•OH和Cl•生成低活性CO₃•⁻。Br⁻和Cl⁻影响较小，Cl⁻在高浓度下甚至略有促进作用。

·       DO：低DO（<2 mg/L）抑制TN去除（降幅4.3–14.8%），说明充足氧气有利于DON开环和脱氨反应。

·       VUV光照：VUV可增强TN去除（提升1.9–13.3%），主要通过水光解产生•OH及增强氯光解。

图4：Cl₂:N比、pH、HCO₃⁻浓度及DO对三种DON的TN去除率影响折线图

含氮产物转化路径

图5展示了反应过程中DON、二次DON及无机氮（NH₄⁺、NO₃⁻）的时间演变。DON母体快速降解，二次DON逐渐积累并占主导。NH₄⁺在反应后期（约10分钟）出现，此时自由氯已耗尽。NO₃⁻从反应初期即存在并始终占优。无氯条件下，VUV/UV体系主要产生NH₄⁺，说明氯的存在促使NH₄⁺进一步转化为气态氮。基于产物分析，提出以下氮转化路径：DON → 二次DON + NH₄⁺ → 氯胺 → NH₂• → N₂ / N₂O。

图5：腺嘌呤体系中DON、二次DON、NH₄⁺、NO₃⁻及氯胺浓度随时间变化堆叠面积图

图6：VUV/UV/Cl₂体系中氮转化路径示意图，标注关键反应步骤及活性物种）

小结

本研究验证了VUV/UV/Cl₂体系对DON中总氮的高效去除能力，揭示了RCS和RNS的关键作用，明确了Cl₂剂量、pH、DO及阴离子的影响规律，并提出了分步氮转化路径。该技术为处理含氮有机废水提供了新思路，尤其适用于杂环类DON的深度脱氮。未来研究应进一步识别和定量短寿命RNS，并探索实际水体中的应用性能。

该文于2026年发表在Chemical Engineering Journal，论文题目为“Denitrogenation of aqueous organic nitrogen by vacuum ultraviolet in tandem with chlorine”。对此文感兴趣的朋友可于网址https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.177711 下载原文，更多技术细节可联系哈尔滨工业大学（深圳）陈白杨老师（chen.baiyang@hit.edu.cn）。欢迎各位同仁探讨与交流。

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