高级氧化技术在水处理应用中的研究

:环境科学科技风2017年3月上DOI：10.19392/j.cnki.1671-7341.201705111高级氧化技术在水处理应用中的研究靖阳同济大学上海200092同济大学上海200092摘要：高级氧化技术在处理难降解有机物方面具有高效性、普适性及彻底性等特点，成为难降解废水处理领域的研究热点。本文介绍了芬顿氧化法、光催化氧化、臭氧催化氧化、超声氧化、超临界水氧化等几类认为具有使用价值的高级氧化技术的原理、特性及各自优缺点，并分析了各类高级氧化技术存在的问题及未来的发展趋势。关键词：芬顿;光催化；臭氧催化;超声；超临界筒级氧化技术(AdvancedOxidationTechnology,AOT)是利用化学反应过程中产生的强氧化基团—羟基自由基（•0H)及一系列链式反应将有机物氧化分解成小分子直至降解为C〇2，H20及无机盐的技术t1]。羟基自由基具有极强的氧化能力，可以有效去除水中的难降解有机物以及稳定性较强的有机物。此外，高级氧化技术还可以将大分子有机物分解为小分子生物可利用有机物，有效改善污水的可生化性。高级氧化技术主要包括芬顿氧化(Fenton)、光催化氧化、臭氧催化氧化、电化学氧化、超声氧化、超临界水氧化等。1芬顿氧化法芬顿氧化体系是在酸性条件下(PH=2~5)，利用亚铁离子(Fe2+)与过氧化氢(H202)反应过程中所产生的羟基自由基GOH)来氧化分解污水中的有机物。这一体系是由法国科学家Fenton于1894年发现的，加拿大学者Eisenhaner于1964年首次将该体系应用于水处理当中。芬顿试剂氧化过程引发的链式反应如下所示[2]:反应链的引发：Fe2++H202^Fe3++•OH+0H-Fe3++H202^Fe2++H02-+H+H02-+H2〇2^HO-+o2+h2o反应链的发展：rh+ho-^r-+h2oR.+Fe3+^R++Fe2+反应链的终止：H0-+H0-—H202H0-+R-^ROH此外，Fenton试剂中产生的Fe3+还可以通过调节污水的pH，进而生成Fe(0H)3胶体，从而起到凝聚、吸附作用，使水中的悬浮固体凝聚沉淀，进一步去除去水中有机物[3]。影响芬顿体系处理污水中有机物的主要参数包括溶液的pH、停留时间、反应实际浓度以及反应温度等。由于羟基自由基的氧化作用很强，没有选择性，所以芬顿反应可以氧化分解污水中的多种有机物质，适用范围广泛。反应体系条件温和，反应设备简单，不需要在高温高压的条件下进行。但是由于反应在酸性条件下进行所以反应容器需要具备防腐蚀的性能，并且在反应之后需要加碱调节溶液的酸碱度。此外，反应会产生大量的污泥，所以芬顿体系最好在小流量难处理的废水中使用。废水中的悬浮物浓度(SS)会影响芬顿试剂的处理效率，进行芬顿处理之前应进行混凝沉淀处理，以去除悬浮性颗粒，提高芬顿处理的效率，节约药剂。2光催化氧化光催化氧化是利用半导体材料作为常用的催化剂，常用的催化剂主要有Ti02、Zn0、CdS、ZnS、W03和Sn02等。这些催化剂都具有能带结构，并且其导电带与共价带间的能阶很低，当用能量大于或等于禁带的光照射导体表面时，价带中的电子被激发到导带，价带产生空穴会激发产生自由电子和空穴，空穴与水、电子与溶解氧反应，分别产生H0•和02_。由于H0•和02_都具有强氧化性，所以能够氧化有机物。以二氧化钛(Ti02)为例，反应机理如下[4]:Ti〇2+hv—^Ti〇2(h++e_)Ti02(h+)+H20ad^Ti02+•OHad+H+式中h+表本粒子表面空穴，e-表本粒子表面电子。光催化氧化技术可以有效的将废水中的有机物降解为H20、C02、so42-、po43_、no3-、卤素离子等无机小分子。该技术可以用于处理印染废水、焦化废水、垃圾渗滤液以及净化饮用水。利用光催化氧化技术处理饮用水可以避免传统消毒剂产生的消毒副产物，并且具有较强的杀菌能力。在实际使用过程中，催化剂的投加量是影响处理效果的重要因素，过量会引起光散射，降低紫外光的辐射效率[5]。此外，还应控制合适的温度，pH等因素。光催化氧化技术未来的发展方向主要有以下几个方面：1)完善催化剂的改性技术，制备出更高效率的催化剂；2)选择合适的载体，提高催化剂回收率；3)以太阳光代替紫外光，降低处理成本；4)改善反应器，提高传质效率；5)与其他处理方法联合使用，可以提升处理效果。3臭氧催化氧化臭氧本身是一种强氧化剂，具有氧化有机污染物的能力，但在低投加量和短时间内难以完全氧化分解有机物。利用金属氧化物负载于活性炭表面制备的催化剂，能促进臭氧向羟基自由基的分解，有利于难降解物质的降解、矿化和提高臭氧利用效率[6]。由于均相催化剂难以回收，在实际工程中常用非均相催化剂，一般以活性氧化铝作为载体，以钛、铁、铜、锌、镍、锰的过渡金属的氧化物作为