給水管網(wǎng)中新型污染物PPCPs的分布特征與遷移轉(zhuǎn)化研究

國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)表明，新型污染物PPCPs（Pharmaceuticals and Personal Care Products）已經(jīng)出現(xiàn)在城市給水管網(wǎng)中。盡管濃度痕量，但管網(wǎng)直接面對(duì)用戶，水中PPCPs的分布與遷移轉(zhuǎn)化對(duì)飲用水安全影響應(yīng)該受到關(guān)注。 根據(jù)天津市水源污染狀況調(diào)研及對(duì)供水系統(tǒng)不同位置的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，在確定目標(biāo)管網(wǎng)、典型PPCPs以及搭建實(shí)驗(yàn)管網(wǎng)的基礎(chǔ)上，首先建立和完善了典型PPCPs的痕量檢測(cè)方法，并在不同季節(jié)、不同位置檢測(cè)二種管網(wǎng)中的典型PPCPs污染物的濃度；其次依據(jù)在實(shí)驗(yàn)與實(shí)際管網(wǎng)的大量檢測(cè)數(shù)據(jù)，分析和確定了PPCPs在管網(wǎng)系統(tǒng)中的分布特征；進(jìn)而設(shè)計(jì)和進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，研究顆粒物、余氯、細(xì)菌與典型PPCPs的相互作用，確定了反應(yīng)關(guān)系；然后通過解析典型PPCPs在給水管網(wǎng)中的遷移轉(zhuǎn)化行為，確定了其遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律；最后依據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理構(gòu)建了典型PPCPs的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，據(jù)此進(jìn)行了二種管網(wǎng)中典型PPCPs濃度分布的模擬，經(jīng)與實(shí)際檢測(cè)值對(duì)比，擬合程度較為理想。 2100433B

新型污染物PPCPs（Pharmaceuticals and Personal Care Products）對(duì)飲用水安全影響問題日益受到關(guān)注。針對(duì)現(xiàn)有凈水工藝對(duì)PPCPs去除有限的現(xiàn)狀，本課題對(duì)給水管網(wǎng)系統(tǒng)中的PPCPs在復(fù)雜管網(wǎng)條件下的分布與遷移轉(zhuǎn)化進(jìn)行研究。通過建立和完善典型PPCPs的痕量檢測(cè)方法，在不同季節(jié)、不同位置檢測(cè)分析目標(biāo)管網(wǎng)中的典型PPCPs，掌握其在給水管網(wǎng)系統(tǒng)中的分布特征；研究管網(wǎng)中顆粒物、余氯、細(xì)菌與典型PPCPs的相互作用與反應(yīng)關(guān)系；深入分析其在給水管網(wǎng)中的遷移轉(zhuǎn)化行為，確定遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，構(gòu)建典型PPCPs的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型；最終融合管網(wǎng)水力方程，建立給水管網(wǎng)中典型PPCPs濃度分布機(jī)理模型。本課題的研究可為飲用水系統(tǒng)中PPCPs的控制提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。

無機(jī)污染物通過沉淀-溶解、氧化-還原、配合作用、膠體形成、吸附-解吸等一系列物理化學(xué)作用進(jìn)行遷移轉(zhuǎn)化，參與和干擾各種環(huán)境化學(xué)過程和物質(zhì)循環(huán)過程，最終以一種或多種形態(tài)長(zhǎng)期存留于環(huán)境，形成永久性的潛在危害。下面以重金屬為例來對(duì)無機(jī)污染物在水體中的遷移轉(zhuǎn)化加以說明。

重金屬在水體中遷移轉(zhuǎn)化的過程是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)及生物工程。所以，在研究其在河流中遷移化的規(guī)律時(shí)，必須正確綜合考慮各過程及其影響因素。重金屬遷移指的是重金屬在自然環(huán)境中空間位置的移動(dòng)和存在形態(tài)的轉(zhuǎn)化，以及由此引起的富集與分散問題。

重金屬在水環(huán)境中的遷移，按照物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的形式，可分為機(jī)械遷移、物理化學(xué)遷移和生物遷移三種基本類型。

機(jī)械遷移是指重金屬離子以溶解態(tài)或顆粒態(tài)的形式被水流機(jī)械搬運(yùn)。遷移過程服從水力學(xué)原理。

物理化學(xué)遷移是指重金屬以簡(jiǎn)單離子、絡(luò)離子或可溶性分子，在環(huán)境中通過一系列物理化學(xué)作用（水解、氧化、還原、沉淀、溶解、絡(luò)合、吸附作用等）所實(shí)現(xiàn)的遷移與轉(zhuǎn)化過程。這是重金屬在水環(huán)境中的最重要遷移轉(zhuǎn)化形式。這種遷移轉(zhuǎn)化的結(jié)果決定了重金屬在水環(huán)境中的存在形式、富集狀況和潛在生態(tài)危害程度。

生物遷移是指重金屬通過生物體的新陳代謝、生長(zhǎng)、死亡等過程所進(jìn)行的遷移。這種遷移過程比較復(fù)雜，它既是物理化學(xué)問題，也服從生物學(xué)規(guī)律。重金屬能通過生物體遷移，并使重金屬在某些有機(jī)體中富集起來，經(jīng)食物鏈的放大作用，構(gòu)成對(duì)人體危害。

吸附劑的再生是吸附領(lǐng)域的瓶頸問題，如何在吸附劑上實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物高效吸附和完全降解是研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本研究擬研發(fā)可重復(fù)使用的納米碳基復(fù)合吸附材料，能夠高效吸附水中微量的典型藥物和個(gè)人護(hù)理品（PPCPs），并在再生或吸附過程中氧化降解吸附的PPCPs，同時(shí)實(shí)現(xiàn)吸附劑的再生和污染物的降解。 主要內(nèi)容包括研制可再生的具有介孔結(jié)構(gòu)的顆粒碳納米管和負(fù)載金屬催化劑的復(fù)合石墨烯或碳納米管吸附材料；研究該材料吸附典型PPCPs的特性和機(jī)制；利用納米碳材料的高穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，研究通過低溫加熱、化學(xué)試劑氧化和電化學(xué)氧化等再生方式，完全氧化降解吸附在材料上的PPCPs，實(shí)現(xiàn)納米吸附劑的再生和重復(fù)使用；構(gòu)建基于負(fù)載催化劑的納米碳基復(fù)合材料的吸附電化學(xué)降解裝置，闡明PPCPs快速吸附同時(shí)被電化學(xué)氧化降解的特性和機(jī)制。本研究能拓展納米碳材料在環(huán)境吸附領(lǐng)域的應(yīng)用，為給水和污水處理中去除微量新興污染物提供理論和技術(shù)支持。

吸附劑的再生是吸附領(lǐng)域的瓶頸問題，如何在吸附劑上實(shí)現(xiàn)有機(jī)污染物高效吸附和完全降解是研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本項(xiàng)目研發(fā)可重復(fù)使用的納米碳基復(fù)合吸附材料，能夠高效吸附水中微量的典型藥物和個(gè)人護(hù)理品(PPCPs)，并在再生或吸附過程中氧化降解吸附的PPCPs，同時(shí)實(shí)現(xiàn)吸附劑的再生和污染物的降解。 研制超細(xì)磁性生物碳、可再生顆粒碳納米管、碳納米管電極、多孔碳納米管或石墨烯和負(fù)載金屬催化劑的復(fù)合石墨烯吸附材料；利用球磨法、加熱-過濾法、嵌插剛性分子法、自組裝法，解決了納米材料難分離、易團(tuán)聚等缺點(diǎn)，在吸附材料內(nèi)部產(chǎn)生更多的微孔和介孔，比表面積比改性前增大，利于吸附去除污染物。 研究該材料吸附典型PPCPs的特性和機(jī)制；通過吸附動(dòng)力學(xué)、吸附等溫線、pH影響、外加電壓、共存離子影響等實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)制備的吸附材料對(duì)于馬卡西平、雙氯芬酸鈉、四環(huán)素、環(huán)丙沙星、磺胺甲惡唑、撲熱息痛等PPCPs的吸附能力比改性前均有不同程度的提高，負(fù)載金屬催化劑的復(fù)合石墨烯吸附材料的吸附能力更是優(yōu)于商業(yè)顆?；钚蕴?。 利用納米碳材料的高穩(wěn)定性和導(dǎo)電性，研究通過低溫加熱、類芬頓、電化學(xué)氧化和E-peroxone技術(shù)等再生方式，完全氧化降解吸附在材料上的PPCPs, 實(shí)現(xiàn)納米吸附劑的再生和重復(fù)使用，使這些吸附材料至少可以重復(fù)利用五次；構(gòu)建基于負(fù)載催化劑的納米碳基復(fù)合材料的吸附電化學(xué)降解裝置，闡明PPCPs快速吸附同時(shí)被電化學(xué)氧化降解的特性和機(jī)制。 本項(xiàng)目研究能拓展納米碳材料在環(huán)境吸附領(lǐng)域的應(yīng)用，為給水和污水處理中去除微量新興污染物提供理論和技術(shù)支持。本項(xiàng)目發(fā)表SCI論文6篇，國(guó)際會(huì)議論文4篇，申請(qǐng)專利1項(xiàng)。