水资源短缺已经成为制约全球社会经济发展的重要因素之一,是未来50年人类社会发展亟需解决的重大问题。城市污水再生利用不仅可以改善水环境污染现状,还可以有效缓解水资源短缺问题,是提高水资源综合利用率的有效途径。但是,再生水利用过程中健康和生态风险的分析和控制是污水再生回用领域面临的重要问题。本文研究了膜生物反应器(MBR)在城市污水处理与回用中的污染物去除效能,分析了MBR出水氯消毒过程中消毒副产物(DBPs)的生成情况,系统研究了消毒条件、MBR出水溶解性有机物(DOM)特性对氯消毒DBPs生成的影响,并通过实验手段,将不同生长时期微生物分泌的代谢产物进行分离,分析了其DBPs生成情况,研究了MBR系统内微生物代谢活动特征对出水消毒DBPs生成的影响；利用差异光谱技术定量分析了消毒导致的DOM光谱特性变化与DBPs生成的相关性,探讨MBR出水消毒DBPs的生成机制；同时,本研究还分析了粉末状活性炭(PAC)对MBR出水氯消毒DBPs生成的控制作用。主要研究结果如下：1.MBR对城市污水中的悬浮物和可降解有机物有较高的去除能力,去除效率分别达100%和98%。MBR出水可满足我国城市非饮用水水质标准和其他多种再生水水质要求。城市污水经MBR处理后,大分子量、疏水酸性有机物相对含量增加,分子量大于100 kDa的DOM比例由20%提高至50%左右,疏水酸性有机物(HoA)的比例由25%左右升至40%以上；与城市污水原水相比,MBR出水氯消毒三卤甲烷生成势(THMFP)明显升高。MBR出水中高浓度的Br-导致氯消毒后溴代三卤甲烷(Br-THMs)产量增加。提高加氯量和消毒时间导致THMs生成量增加,而且提高了氯代三卤甲烷(Cl-THMs)的相对含量,降低了Br-THMs的含量。2.MBR出水DOM以大分子量有机物为主,分子量大于30 kDa的DOM占50%以上,分子量小于1 kDa的有机物不足10%,而且大分子量有机物的SUVA值高于小分子量有机物；MBR出水中52%的DOM为亲水性有机物(HiS),疏水性有机物中以疏水酸性有机物(HoA)为主,HoA约占总DOM的38%,且疏水性有机物的SUVA值远远高于亲水性组分,其中HoA组分的SUVA值最高,约为2.75 L/mg·m。MBR出水氯消毒后,三氯甲烷(THMs)生成活性随着分子量增加而升高,且大分子量有机物组分对MBR出水氯消毒THMFP的贡献高于小分子量组分,其中分子量大于30 kDa的DOM对THMFP的贡献超过50%。小分子量有机物有较高的溴结合因子,容易与水体中的Br结合形成Br-THMs。疏水性有机物的THMs生成活性远远高于亲水性有机物。其中HoA组分具有最高的THMs生成活性,而且对MBR出水氯消毒THMFP贡献率高达71%。此外,HiS组分的溴结合因子远远高于疏水性有机物,有较高的Br-THMs生成能力。MBR出水的荧光性有机物中,芳香蛋白和类腐殖酸有较高的THMs生成活性,类溶解性微生物代谢产物和类富里酸有较高的Br结合能力。而且,类腐殖酸的荧光峰强度与THMs生成活性呈线性正相关,类溶解性微生物代谢产物与THMs生成活性呈线性负相关。3.处于内源呼吸期的微生物其溶解性微生物代谢产物(SMP)的分泌量增加。与增长期的微生物分泌的溶解性微生物代谢产物(与基质利用相关的产物,UAP)相比,处于内源呼吸期的微生物分泌的溶解性微生物代谢产物(与生物量相关的产物,BAP)具有较低的SUVA值。UAP和BAP均以大分子量有机物为主,但是UAP的平均分子量小于BAP,且含有一部分分子量小于500 Da的小分子量有机物。UAP中蛋白质与多糖的含量比值高于BAP,且UAP中最主要的发荧光有机物为类蛋白质、多肽和氨基酸物质,而BAP中主要的发荧光有机物为腐殖质,包括腐殖酸和富里酸。UAP中含有芳香族蛋白质/多肽/氨基酸,以及芳香族仲胺类物质,而BAP含有较多碳水化合物和脂肪族伯胺类化合物。氯消毒后,BAP产生的DBPs,总量远远高于UAP。并且,BAP具有很高的卤代DBPs生成活性,其中三氯乙腈(TCAN)的生成活性极高,是UAP中TCAN生成活性的276倍左右。而UAP具有较高的二甲基亚硝胺(NDMA)生成活性,约为BAP的3倍。4.MBR出水氯消毒后,卤代DBPs的生成量极高；采用一氯胺替代氯消毒,可有效降低卤代DBPs生成量,但是却极大地提高了NDMA的生成量。MBR出水氯和一氯胺消毒后,生成的卤代DBPs以THMs为主；延长消毒时间,会增加DBPs的生成量。差异对数转换吸收光谱理论可用于定量分析MBR出水中卤代DBPs的生成,而且对氯和氯胺消毒过程均适用。四种三卤甲烷生成量(THM4)与波长350 nm下差异对数转换光谱(-DKnA350)和在吸收波长300-340 nm范围内的差分吸收光谱(-DSloop300-340)之间均存在很强的指数正相关性,相关性指数R2>0.99；四种卤乙腈生成量(HAN4)与一DLnA350和-DSloop300-340之间均呈线性正相关。MBR出水中有两类DOM都与氯和氯胺有较高的反应活性,说明MBR出水中有两类不同性质的消毒副产物前体物。氯和氯胺消毒均会引起MBR出水DOM荧光淬灭,差异荧光区域积分以及差异三维荧光峰值可用于定量分析卤代DBPs的生成。THM4与总差异荧光区域积分值(-Φn)、区域Ⅱ差异荧光区域积分值(--Φ-Ⅱ,n)、区域Ⅲ差异荧光区域积分值(-ΦⅢ,n)之间均呈指数正相关,相关性指数R2＞0.99；HAN4与上述3个差异荧光区域积分参数之间均呈线性正相关。区域Ⅰ差异荧光区域积分值与卤代DBPs生成量之间无明确定量关系,但是区域Ⅰ的差异三维荧光峰值-DI(λ280λ310)与THM4呈指数正相关,相关性指数R2>0.99,与HAN4呈线性正相关。芳香族蛋白质和腐殖质类物质是MBR出水中两类主要的卤代DBPs前体物。MBR出水氯和氯胺消毒过程中,在DOM卤化反应的初始阶段,并没有DBPs生成,且卤乙腈(HANs)在THMs之前生成。MBR出水氯和氯胺消毒过程中,吸收光谱和三维荧光光谱(EEM)的光谱学参数变化与NDMA生成量之间无明确相关性。5.向MBR反应器内投加PAC明显提高了MBR工艺出水水质,增强了MBR对城市污水中DOM的去除效能,降低了MBR出水中DBPs前体物的含量。投加PAC明显改善了MBR反应器内污泥的聚集特性,有效地降低了MBR工艺的膜污染。投加PAC提高了MBR出水DOM中大分子量组分和疏水性组分的百分比;PAC/MBR出水DOM中约有50%为HoA,而MBR出水DOM中HoA仅为42%。PAC/MBR出水DOM中分子量小于1 kDa的组分占12%,而MBR出水中为16%。PAC/MBR出水中芳香蛋白组分百分比高于MBR出水,而类溶解性微生物代谢产物和类富里酸物质百分比低于MBR出水。投加PAC对MBR出水氯消毒后THMFP没有明显影响,但明显降低了氯消毒过程中Br-THMs产量,有利于降低MBR出水氯消毒产生的毒性；此外,投加PAC提高了MBR出水DOM氯消毒后THMs生成活性。MBR出水中52%的THMs前体物为快反应物质。而投加PAC后,MBR出水中快反应物质含量明显降低,82%的THMs前体物为慢反应物质,这使得PAC/MBR出水氯消毒THMs生成速率较慢。消毒时间再24 h内,PAC/MBR出水中THMs生成量远小于MBR出水。
