高级氧化技术在水处理中的研究

高级氧化技术在水处理中的研究

姚江峰

南京工大环境科技有限公司   南京   210003

摘要：近几年来由于医药、石油、印刷、化工等行业废水排放量越来越大，工业污水以多环芳香烃、卤代烃、有机农药等为主，后续难降解，浓度高、毒性强、 pH值波动大。这些物质长期存在于自然界，必然会对环境产生危害，甚至会影响到整个生态系统，将有毒物质传播到人类的生存环境中，从而带来更大的生存风险。

关键词：高级氧化技术；水处理；技术应用

传统社会的粗放发展模式造成了大量的工业废水，加上由于不合理的生活模式和不完善的农业用水，造成了严重的有机物废水污染问题。目前，水资源短缺和水质恶化问题，已逐步成为制约我国水资源开发及社会发展的重要瓶颈。但将高级氧化技术运用在水处理工作中，可通过对污水进行矿化或氧化处理，提高其可生化性能。

一、高级氧化技术类型分析

对于工业污水，常规处理方法是利用“生化法”来进行生物降解，但生物化学方法难以处理具有生物活性差、分子质量差的物质，因此其处理效率不高。而高级氧化技术（AOPs）工艺具有操作简单、反应条件温和、效率较高的特点，可在水处理中获得突出处理优势，可以将绝大部分有机物质完全转化或降解，因此得到了我国水处理工作的高度重视。

(一)光催化氧化

日本的科学家于一九七二年，在紫外线照射下研究出TiO2，发现TiO2能使水分解为氢与氧，由此开启了光催化大门。光催化就是将光能转换成化能，再对污染物质进行分解。其基本理论是：在光子辐照下，如果能达到或等于其禁带宽度能量的光子照射时，则会使价带处的电子发生跃变，从而形成电子和空穴。通过将电子传递到物质表层，使其与水里的氧发生化学反应，形成一种具有超氧性的游离基。在水溶液中，空穴与氢氧基团作用，生成超氧自由基，如图1。同时，也可以通过电子和空穴来形成羟基自由基。但同时也存在一定问题，如：电子-空穴容易结合，但难以再利用和回收。近年来，许多学者都在努力扩大催化剂吸收光的能力，抑制电子-空穴对的合成，从而改善光催化特性。采用金属掺杂、非金属掺杂、构造异质结和控制形貌等，是改善光催化特性的重要途径。目前，已有学者研制一种新型的BiFeO3/CuBi2O4/BaTiO3的新型光催化材料，其光吸收的范围可以扩大到 UV和 NIR，充分发挥了太阳光谱的作用，增强了电子-空穴对的分离性能，且十分稳定，可以重复使用5次。由于大部分催化剂为粉末状，同时粒径都较窄，因此必须进行回收和再利用。在利用磁力材料的情况下，可通过采用磁介质进行再生，但是若没有磁力作为催化剂，将会导致其光催化特性下降。目前已有的一些实验，已成功合成了具有极佳磁致再生和光催化特性的催化剂，如CoFe2O4/BiOI等催化剂，该方法不仅可以有效地解决再生问题，而且还可以扩大其对可见光的吸收效率。

图1 光催化氧化过程

(二)臭氧氧化

臭氧不稳定，部分溶解于水，不够稳定。目前，臭氧氧化法在污水治理中得到了广泛运用，如杀菌、分解有害有机物等。臭氧的氧化性仅次于氟以及·OH，具有快速、不产生二次污染的特点。但是，由于其化学性质较活泼、不稳定，容易在大气和水体中发生降解，从而给臭氧的贮存、搬运带来较大难度，通常采用就地处理方法。臭氧氧化也存在着能源消耗大、成本高、臭氧利用率低、氧化能力低、有机物矿化能力低等问题。针对以上问题，研究学者对催化臭氧氧化、O3/UV、O3/H2O2等方法进行了研究。其中，对臭氧催化氧化法进行了大量探索。在臭氧催化氧化法中，催化剂能加速O3的分解，生成具有一定活性的游离基，从而提高对有机物的降解能力和矿化能力。可通过采用体积浸渍法，以 MgO/AC为原料，进行苯酚在水溶液中的催化氧化反应。MgO能为产生更多的羟基自由基提供活性，从而促进有机物的分解。

二、高级氧化技术在高难处理废水中的应用分析

（一）在造纸废水处理中的应用

高级氧化技术用于造纸工业污水的治理中，主要包括以下几种处理方式：

1.湿法氧化法。湿法氧化法是一种高效的有机污水治理技术，其主要工作原理是利用高温、高压的方式，在其中通入空气，将废水中的有机物进行氧化处理。根据不同的工艺条件，可以将其分成两种：湿式空气氧化和湿式空气催化氧化。湿式氧化技术是一种以以大气中的氧气作为氧化剂的方法，其在150~300℃、10~20 MPa的环境下，以氧化剂的形式加入到污水中，氧化剂将有机物氧化分解为水和CO2。一般将其分为诱导、增殖、退化和终止四个阶段。在诱导期，有机物和氧气分子在诱导期产生游离基，游离基与氧作用，持续生成自由基。而在增殖过程中，则会生成羟基自由基，退化阶段生成烃基自由基和醚基自由基。烃基自由基和羟基自由基具有很高的氧化能力，能有效地氧化纸浆废水中的有机物。

2.超临界水氧化法。在超临界阶段，通过利用分子氧作为氧化剂，将水中的有机物氧化，被称作超临界水。这种新工艺，充分发挥了被称作超临界水的高效率溶解机理，使其在特定的压强区域中，氧和有机完全结合，从而加速了氧化速度。实验结果显示，当环境达到400℃、25 MPa时，空气、水和体系中的有机质可以发生充分相互溶解，而由有机物的自发性氧化所生成的热，可以使体系的温度提高到600℃，并在一分钟内将其氧化，90%以上的污染

物可以被分解为水和CO2，具有高效、节能、适用性强等优点。

(二)用于治理医疗污水

1.用于处理医药行业的废水。对医药工业生产污水特性进行研究，结果表明，一般制药废水具有较低的可生化性，高 cod，高色度，用生化方法很难对其进行有效生物降解。常规实验结果显示，反应系统的升温有利于降低cod的去除，而在高氧分压条件下，cod的脱除效果更好。在医药污水中加入一些催化剂，反应速度得到了全面加快。

2.在医疗废水处理中的应用。根据生物化学和高级氧化技术特性，可设计以下工艺路线：第一步是将消毒废水及周转箱废水集中在一个污水处理槽内，采用混凝沉降的方法除去不能溶解的污染物，再利用燃烧方法，将沉淀的污染物送往填埋区进行掩埋燃烧，再将上清液送入先进催化氧化装置，最后实现中水再利用目标。在高级催化氧化装置上，利用CLO2与催化剂的协同催化，将水中可溶性毒物分解为无机离子、水、二氧化碳，再利用二氧化氯进行杀菌处理，以满足中水循环利用的需要。

(三)用于生产糖精钠的工业废水

1.糖精钠废水水质特征分析。根据对糖精钠废水理化性质进行研究，结果表明，该工艺生产的糖精钠废水为碱性物质， pH值为11，色度为512，总无机盐含量、氨氮和氯离子、有机质含量等指标均超过城市污水处理厂标准。

2.臭氧浓度对糖精钠废水处理效果的影响。随着臭氧用量的增加，cod和 toc的脱除率逐步提高，当臭氧用量为140mg/L时，cod和 toc的脱除率分别为83%和76%。通过分析臭氧含量可以看出，臭氧会引发一种间接氧化反应，随着臭氧的增加，气体和液体之间的湍动变得更加剧烈，更多臭氧会在污水中溶解，从而加速自由基的生成。此后，臭氧溶解度越低，个别臭氧还没有发生反应便外泄，降低了使用效率。

结束语：

综上所述，结合我国近些年对地表水和地下水的取样数据可以得出，我国水质问题较为严重，增加了水质治理的复杂性，又增加了废水的治理费用。针对目前存在的高浓度有机物污染问题，国内外学者纷纷开发了各种技术，其中，高级氧化技术因其技术、经济优势，已逐步发展成一种被广泛采用的高浓度有机物污染治理技术，需要相关从业者掌握该技术的使用手段。

参考文献：

[1]靖阳. 高级氧化技术在水处理应用中的研究[J]. 科技风,2017(5):120-121.

[2]张欢,刘永代. 高级氧化深度处理技术在水处理中的应用研究[J]. 资源节约与环保,2020(5):102-103.

[3]陈伟楠,杨清,刘天顺,等. 某污水处理厂提标改造中高级氧化工艺选型分析[J]. 环境保护科学,2018,44(2):46-50.

[4]李健.高级氧化技术在水处理中的研究进展[J]. 环境与发展.2019(02)

[5]鲍红贞.浅谈高级氧化技术在水处理中的应用[J]. 科技风.2018(16)