強化常規給水處理工藝研究述要

時間：2006-11-02 來源： 作者：

【臭氧氧化和高級氧化技術】

   臭氧氧化及臭氧活性炭聯用技術在殺藻、除臭、除色、控制氯化消毒副產物等方面有一定的優勢。水中大量存在的天然有機物(NOM)是氯化消毒副產物的主要來源，臭氧氧化導致低NOM分子量部分的增加和高分子量部分的減少，這些新生成的低分子量化合物能較好地吸附在活性炭上，但是臭氧氧化增加了有機化合物的極性而導致在活性炭上的吸附性能降低。另一方面，由于臭氧氧化提高了可生物降解性，在最后消毒步驟之前采用O3/GAC聯用方法能夠很有效地降低水中溶解性有機碳(DOC)的含量。

   但是臭氧對于難降解物質(ROS refractory organic substance)的去除率低，對有機物的氧化很難達到完全礦化的程度，生成的小分子物質在后續工藝中易形成一些副產物；同時含溴水臭氧氧化后溴酸鹽的生成及臭氧利用率不高等問題也比較突出。

   隨著水體有機污染的日益嚴重和水質標準的不斷提高，高級氧化技術(Advanced Oxidation  Process， AOPs)研究進展迅速并在水處理中得到應用。高級氧化技術是指利用反應中產生的強氧化性的羥基自由基(OH)作為主要氧化劑氧化分解和礦化水中有機物的氧化方法。       

   高級氧化技術通常包括以下工藝：O3/H2O2，O3/UV，O3/催化劑(O3/CAT)，H2O2/Fe3+，H2O2/Fe2+，H2O2/Fe2+(Fe3+)/UV，H2O2/UV，UV/TiO2。與其它氧化方法相比，高級氧化技術有如下特點：產生大量非常活潑的羥基自由基(OH·)，并誘發鏈反應；OH·無選擇性地與水中有機污染物反應，將其礦化；OH·具有很高的反應活性，它可與大多數有機物無選擇性地反應（k=106～109/M·s）；反應條件要求不高，一般在常溫常壓下即可進行；高級氧化既可作為單獨的處理單元，又可與其它工藝聯用；可根據水質特點選擇某種適宜的高級氧化方式。對于飲用水處理而言，高級氧化技術通常用于去除臭氧難于氧化的有機物，如農藥、洗滌劑、芳香性物質（苯、甲苯、乙苯、二甲苯）和鹵代烴類（三氯甲烷、三氯乙烯、四氯乙烯）等，它可以去除有機物的濃度大至幾百ppm，小至幾個ppt。由于它具有以上特點，故被人們稱為"21世紀的水處理工藝"。

    在各種高級氧化技術中，臭氧催化氧化技術日益受到人們的關注。按催化劑的相態分，臭氧催化氧化可分為均相催化氧化和多相催化氧化兩類。臭氧催化氧化的發展始于均相氧化，即向水溶液中加入金屬離子以強化臭氧的氧化反應；隨后出現了以金屬氧化物或附著于載體上的金屬/金屬氧化物為催化劑的多相催化氧化。由于加入的催化劑或氧化劑不易回收，運行維護費用較高，均相催化劑不便于實際應用；而多相催化氧化的固體催化劑易于與水分離，便于以現行臭氧氧化工藝為基礎改造，是臭氧催化氧化的發展方向。

    在實驗中，臭氧催化氧化對各類有機物有很好的去除效果。Al-Hayek等人證明，與臭氧單獨氧化相比，在催化劑Fe（Ⅲ）/Al2O3存在時，使得苯酚的臭氧化中TOC的去除增加，及促進甲酸和馬來酸的臭氧化。Bhat和Gurol研究了針鐵礦存在時氯苯的臭氧化，發現臭氧催化氧化比單獨臭氧化更有效。Naydenov和Mehandjiev、Thompson等人觀察到MnO2存在時，苯和1，4-二氧雜環乙烷的水溶液臭氧化時被礦化。我們的研究工作證明，與單獨臭氧化相比，臭氧化阿特拉津時少量Mn（Ⅱ）的存在生成了MnO2導致阿特拉津降解量的增加。Andreozzi等人報道酸性pH時，MnO2促進的草酸臭氧化有很大提高。Pines等人指出，金屬-TiO2/O3的混合對于親水化合物的氧化很有效，而對疏水化合物的效率很低。

    對于臭氧催化氧化的機理，有如下三種假設。臭氧化學吸附在催化劑表面，生成活性物質后與溶液中的有機物反應；有機物分子化學吸附在催化劑表面，進一步與氣相或液相臭氧反應；臭氧和有機物分子同時產生化學吸附，隨后二者發生反應。

    雖然臭氧催化氧化在實驗室中取得了較好的效果，但是實際應用并不多見。我們在前期的工作中已有2000t/d和5000t/d的高級氧化工程應用于生產中，實踐證明，經過臭氧催化氧化工藝，水的COD降低、Ames試驗顯示致突變活性下降。

    從在水處理工藝中的應用角度來看，臭氧催化氧化有以下優點：①能夠顯著地降低水中農藥、內分泌干擾物質、致突變物質的濃度，除嗅除味；②充分地利用剩余臭氧，強化分解水中有機物，降低尾氣中臭氧含量；③提高臭氧轉移效率；④降低臭氧投量；⑤既適合現有水廠改造（改造接觸池）、也適合新水廠建設（建催化氧化池）。

    但是仍有一些問題值得注意：①若水中含有大量自由基捕獲劑CO32-、HCO3-、H2PO4-、HPO42-等）將降低羥基自由基的作用；②羥基自由基會與水中天然有機物反應，從而減少其對其它難氧化物質的去除；③催化劑的選擇與污染物的性質密切相關，需通過實驗選取最適合的催化劑。

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