常规氯化消毒工艺中典型消毒副产物生成的数学模型

2 实验方法
2. 1 均匀实验设计 在充分调研水源地水质及供水企业典型消毒工艺操作参数的基础上，结合均匀实验表 U6* （ 64 ） ，进
行均匀试验工况设计，见表 1．
表 1 均匀试验工况设计表
试验组号 1 2 3 4 5 6
UV254 / m － 1 1（ 1. 8） 2（ 2. 8） 3（ 3. 8） 4（ 4. 8） 5（ 5. 8） 6（ 6. 8）
表 3 消毒副产物生成的线性模型参数
因变量
k0
k1
k2
k3
k4
Ｒ2
THMs
47. 189
0
－ 3. 545
3. 861
－ 5. 307
0. 911
HAAs
13. 980
0
－ 1. 179
1. 217
－ 1. 325
0. 982
由表 3 可知，THMs 和 HAAs 为因变量时线性模型的相关度分别为 0. 911 和 0. 982，表明线性模型能
k1 0. 293 1. 053
k2 － 0. 087 0. 001
k3 0. 416 0. 377
k4 － 1. 106 0. 077
Ｒ2 0. 924 0. 883
由表 4 可知，THMs 和 HAAs 生成的非线性模型的相关度分别为 0. 924 和 0. 883，总体上低于线性
模型． 将表 4 中相关参数代入式（ 4） 可得消毒副产物生成的非线性模型为：
3 结果与讨论
按照表 1 所设计的均匀试验工况开展实
表 2 均匀试验工况条件下消毒副产物的生成量
试验组号 1 2 3 4 5 6
THMs / （ μg·L － 1 ） 8. 71 19. 62 9. 66 30. 62 24. 48 51. 52
HAAs / （ μg·L － 1 ） 3. 54 9. 68 5. 42 11. 53 9. 65 14. 41
饮用水中消毒副产物的快速监控提供参考和借鉴．
1 实验设计
在常规氯化消毒工艺中，影响 THMs 和 HAAs 生成的因素主要有源水水质（ 水温、TOC、UV254 、NH3 N、藻类等） 和工艺参数（ 氯的投加量、反应时间、pH 值、共存金属离子等） ［3-5］，由于水温在特定的供水期 间变化不大，而藻类和共存离子在经混凝、沉淀和过滤（ 及活性炭吸附） 工艺处理后残余浓度极低［2，6-8］， 同时考虑到水厂对水样测试的简便化、快速化要求，以 UV254 表征源水有机物浓度． 因此在本研究中，仅考 虑水样 UV254 值、氨氮含量、加氯量和 pH 值四个关键因素，源水经充分氯化反应后，监测 THMs 和 HAAs 的 变化情况． 为保证各因素各水平分布均匀且能减少试验次数，本研究选用均匀设计法开展实验．
注： 表格中括号前面数值表示该因素对应的水平，括号内表示其具体数值．
2. 2 消毒副产物检测方法
THMs 采 用 顶 空 气 相 色 谱 法 （ APHA 5710 B） ［11］测定，HAAs 采用本研究组建立的 液-液萃取、衍生化气相色谱法［12］测定． 色谱 仪为惠普公司 HP-6890 型．
（ 1）
经 SPSS18. 0 线性拟合后，置信度在 95% 以上时模型中各参数值见表 3断是否对因变量有影响且影响是否足够大，之后才进行参数的确定． 这
第3 期
黄 辉等： 常规氯化消毒工艺中典型消毒副产物生成的数学模型
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样影响小的变量就被剔除了，表现为模型中变量的系数为 0（ 如表 3 中的 k1 ） ． 这说明，UV254 值对消毒副 产物生成的影响很小，这可能是由于在均匀实验中，UV254 数值的变化幅度过小（ 原水 UV254 值较低） 所 致． 从其余参数来看，氨氮含量和 pH 值与消毒副产物呈负相关，且对 THMs 的影响高于对 HAAs 的影 响； 加氯量与消毒副产物呈正相关．
（ 5）
以 lgCDBP为因变量，以 lg［UV254 ］、lg［NH3 -N］、lg［Cl2 ］、lg［pH］为因变量，经 SPSS18. 0 拟合回归后，置信 度在 95% 以上时模型中各参数值见表 4．
表 4 消毒副产物生成的非线性模型参数
因变量 lgTHMs lgHAAs
lgk0 1. 735 0. 048
（ 3）
3. 2 非线性拟合结果
假设消毒副产物生成量与 UV254 、加氯量（ 以 Cl2 表示） 和 pH 值符合以下模型：
CDBP = k0 ×［UV254］k1 ×［NH3 -N］k2 ×［Cl2］k3 ×［pH］k4
（ 4）
两边取对数
lgCDBP = lgk0 + k1 × lg［UV254］+ k2 × lg［NH3 -N］+ k3 × lg［Cl2］+ k4 × lg［pH］
（ 8）
经 SPSS18. 0 线性拟合后，置信度在 95% 以上时模型中各参数值见表 5．
收稿日期： 2013-05-15 基金项目： 淮安市科技支撑计划项目（ HAS2010003） ； 2011 年江苏省大学生实践创新训练计划项目 作者简介： 黄辉（ 1983-） ，男，江西九江人，讲师，博士研究生，研究方向为水污染防治与资源化利用．
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淮阴师范学院学报（ 自然科学版）
第 12 卷
第 12 卷第 3 期 2013 年 9 月
淮阴师范学院学报（ 自然科学版）
JOUＲNAL OF HUAIYIN TEACHEＲS COLLEGE （ NATUＲAL SCIENCE EDITION）
Vol. 12 No. 3 Sep． 2013
常规氯化消毒工艺中 典型消毒副产物生成的数学模型
黄 辉1 ，周卫华2 ，程志鹏1 ，李 倩1 ，费相琴3 ，徐继明1
k10 ×［Cl2］·［pH］+ k11 ×［UV254］·［NH3 -N］·［Cl2］+ k12 ×［UV254］·［NH3 -N］·［pH］+
k13 ×［UV254］·［Cl2］·［pH］+ k14 ×［NH3 -N］·［Cl2］·［pH］+
k15 ×［UV254］·［NH3 -N］·［Cl2］·［pH］
（ 7）
3. 3 包含各因素交互作用的线性拟合结果
进一步考虑各因素间存在交互作用下的线性拟合结果，假设消毒副产物生成量符合以下模型：
CDBP = k0 + k1 ×［UV254］+ k2 ×［NH3 -N］+ k3 ×［Cl2］+ k4 ×［pH］+ k5 ×［UV254］·［NH3 -N］+ k6 ×［UV254］·［Cl2］+ k7 ×［UV254］·［pH］+ k8 ×［NH3 -N］·［Cl2］+ k9 ×［NH3 -N］·［pH］+
0 引言
当前我国大多数自来水厂仍采用以去除源水中悬浮物质和病源微生物为主要目的的混凝、沉淀、过 滤、液氯消毒四段式传统净水工艺． 液氯消毒是一种比较安全、简便而又廉价的消毒方法，它能有效杀灭 水中的微生物病原体，大大降低了人们因饮水而感染痢疾、霍乱等水传播疾病致死的几率，因而液氯消 毒一直是国内外城市给水处理中广泛采用的消毒手段，在过去很长一段时间内，它在保障人体健康方面 起了巨大作用［1，2］． 然而，出厂水在漫长的输送过程中，其中所含的有机污染物与管网中余氯产生取代 反应生成多种具有“三致”作用的消毒副产物，致使自来水的致突变性比源水更强［2，3］． 另一方面，随着 城镇化的快速推进，我国饮用水源水的污染态势依然严峻． 饮用水安全已成为当前政府、社会、公众日益 关注的焦点问题．
验，结 果 见 表 2． 根 据 所 得 试 验 数 据，采 用
SPSS18. 0 进行回归分析．
3. 1 线性拟合结果
假设消毒副产物生成量与 UV254 值、氨氮含量（ 以 NH3 -N 表示） 、加氯量（ 以 Cl2 表示） 和 pH 值符合 以下模型：
CDBP = k0 + k1 ×［UV254］+ k2 ×［NH3 -N］+ k3 ×［Cl2］+ k4 ×［pH］
CTHMs = 101. 735 ×［UV254］0. 293 ×［NH3 -N］－ 0. 087 ×［Cl2］0. 416 ×［pH］－ 1. 106
（ 6）
CHAAs = 100. 048 ×［UV254］1. 053 ×［NH3 -N］0. 001 ×［Cl2］0. 377 ×［pH］0. 077
近年来，作为饮用水安全评价的重要指标———“三致”消毒副产物受到人们广泛关注． ． 其中，三卤 甲烷（ THMs） 和卤乙酸（ HAAs） 是最典型也是研究最多的卤代有机消毒副产物［2-5］． 我国现施行的《生活 饮用水卫生标准》（ GB5749-2006） 中明确规定了 6 种上述消毒副产物的监测限值和要求———全部 4 种 THMs（ 即 CHCl3 、CHBrCl2 、CHBr2 Cl 和 CHBr3 ） 和 HAAs 中的二氯乙酸（ DCAA） 、三氯乙酸（ TCAA） ，其中 仅 CHCl3 是常规指标，其余均为非常规指标． 受现阶段我国大部分地区饮用水卤代有机消毒副产物检 测条件的制约，其实施的有效性有待进一步提高，饮用水安全的风险存在被低估的可能． 如何实现对饮 用水消毒副产物的有效监控，降低此类“隐形杀手”对人们健康的威胁，是当前及今后一段时期重要而 迫切的课题． 在此背景下，基于供水企业常规氯化消毒工艺过程，研究水源地源水生成上述两种典型消 毒副产物的数学模型，可为科学预测不同工况条件下消毒副产物的生成量，实现对饮用水中消毒副产物 的快速监控、评价和饮用水安全管理提供方法支撑和理论依据． 可为现有工艺提标改造或新工艺实施下
加氨氮量 / mg·L － 1 2（ 0. 10） 4（ 0. 26） 6（ 0. 42） 1（ 0. 02） 3（ 0. 18） 5（ 0. 34）