高級氧化技術在微污染水源水處理中的應用

戰友 羅海斌 李立欣等

摘要[目的] 為了提高高級氧化技術對微污染水源水的處理效果。[方法] 采用臭氧、紫外和臭氧/紫外3種高級氧化技術，處理微污染水源水。[結果] 每種處理方法都對江水中氨氮和高錳酸鹽指數有一定的去除效果，其中臭氧紫外混合投加使用效果最好。在臭氧投加量為3.9 mg/L、紫外燈開啟35盞（光照強度為124 μW/cm2）、pH為7.6 的條件下，水中氨氮和高錳酸鹽指數的去除率分別為6296%和62.85%。[結論]UV/O3技術的氧化能力和污染物去除率均好于單獨UV或O3高級氧化技術。

關鍵詞微污染水源水；高級氧化技術；應用

中圖分類號S273；X522文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）31-004-03

Application of Advanced Oxidation Technology in Micropolluted Source Water Treatment

ZHAN You1， LUO Haibin2， LI Lixin1* et al

（1. Environmental and Chemistry Engineering College， Heilongjiang University of Science and Technology， Harbin， Heilongjiang 150022； 2. Harbin Institute of Petroleum， Harbin， Heilongjiang 150027）

Abstract [Objective] The research aimed to improve the efficiency of advanced oxidation technology in micropolluted source water treatment. [Method] Separately using ozone， ultraviolet（UV） and ozone/UV， micropolluted source water was treated. [Result] Each approach had some removal effect on the ammonia nitrogen index and permanganate index of water， and the effect of ozone/UV technology was the best. In the conditions of ozone 3.9 mg/L， 35 lamps turned on（124 μW/cm2）and pH 7.6， removal rate of ammonia nitrogen and permanganate index was 6296% and 62.85%.

[Conclusion]The oxidation ability of and the removal rate of pollutants of UV/O3 technology are better than those of UV or O3 advanced oxidation technology.

Key words Micropolluted source water； Advanced oxidation technology； Application

高級氧化技術的定義在1987年被首先提出，即以反應中產生的羥基自由基（·OH）為主要氧化劑，氧化分解和礦化水中的有機污染物的氧化方法[1]。高級氧化也被稱為深度氧化。與傳統的氧化技術相比，高級氧化技術具有以下特點[2]：①在反應過程中可以產生大量自由基，且具有強氧化性；②反應速度快；③適用范圍廣，具有較高氧化電位的自由基幾乎可將所有有機物氧化直至完全分解；④反應條件溫和；⑤誘發鏈反應；⑥與其他水處理技術聯用；⑦易操作和管理。

國內主要高級氧化技術為臭氧氧化、紫外消毒、臭氧紫外相結合技術。筆者通過這3種處理方法對松花江哈爾濱段江水中的CODMn和NH3N處理效果的對比，選擇最優方案，為后期以松花江水為哈爾濱市飲用水源地的應用研究提供依據。

1材料與方法

1.1試驗水質試驗用水取自黑龍江科技大學主校區旁的松花江水源水，原水水質見表1。

1.2工藝流程

松花江水通過江水泵以流量3 t/h打入混凝水箱和二級過濾罐，濾后水以1.5 t/h的流量進入3組并聯的高級氧化反應器，最后將處理水用消毒后的取樣瓶取樣，帶回實驗室分析。具體工藝流程見圖1。

1.3分析方法氨氮的測定采用《水質 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》（HJ 535-2009）[3]。

高錳酸鹽指數的測定采用《水質 高錳酸鹽指數的測定》（GB11892-89）[4]。

2結果與分析

2.1臭氧投加量對江水中氨氮和高錳酸鹽指數去除率的影響

在溫度16 ℃、pH 7.6、水力停留時間20 min的條件下，以對松花江水中CODMn和NH3N的去除效果為依據，通過觀察不同O3投加量對水質處理效果，最終確定系統的O3投加濃度。具體O3投加量為3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1和4.2 mg/L，投加不同濃度的臭氧，測定氨氮和高錳酸鹽指數。

從圖2可以看出，當單獨使用臭氧對松花江水處理時，隨著臭氧投加量的升高，去除率隨之提高。這是因為O3溶于水直接氧化有機物，得到最終降解產物——CO2、水及其他礦物質[5-6]。但是，當臭氧投加量超過3.9 mg/L時，去除率提高緩慢。原因是臭氧氧化有機微污染物時，只對含有氨基活化芳香族體系或雙鍵化合物有明顯的效果[7]。所以，當臭氧投加量達到一定時，去除率提升緩慢。采用臭氧投加濃度為3.9 mg/L，此時氨氮、高錳酸鹽指數去除率最大，分別達到40.11%和45.00%。

2.2紫外燈光照強度對江水中氨氮和高錳酸鹽指數去除率的影響

在溫度16 ℃、pH 7.6、水力停留時間20 min的條件下，以對松花江水中CODMn和NH3N的去除效果為主要依據，通過觀察不同的紫外光照強度對水質處理效果，最終確定系統的光照強度。采用的紫外燈光照強度為124 μW/cm2，波長為253.7 nm，初始功率與額定功率之差為9%。最終確定試驗階段設計的紫外光照強度分別為1 736 μW/cm2（14盞）、2 604 μW/cm2（21盞）、2 976 μW/cm2（24盞）、4 340 μW/cm2（35盞）、4 712 μW/cm2（38盞）。

從圖3可以看出，隨著紫外燈開啟數量的逐漸增多，氨氮和高錳酸鹽指數的去除率隨之增加。這是因為有機污染物受到UV輻射后，接受光子的能量而處于激發態，并通過均裂、異裂以及光化電離等方式分解。此外，水中其他共存物質也可能吸收紫外光，生成一些活性物質，如·OH、超氧自由基以及單線態氧（1O2）等。這些活性物質也可與有機污染物反應，造成有機污染物的間接光降解[8]。但是，到35盞燈以后，繼續加大紫外光照強度，氨氮和高錳酸鹽指數的去除率上升十分緩慢。原因是有機污染物受到UV輻射是有一定限度的，超越期限不會增加其接受光子的能量。采用開啟35盞（4 340 μW/cm2）紫外燈，此時氨氮去除率為4305%，高錳酸鹽指數的去除率為46.07%。

2.3臭氧與紫外混合對江水中氨氮和高錳酸鹽指數去除率的影響

在溫度16 ℃、pH 7.6、水力停留時間20 min的條件下，投加不同濃度的臭氧，與開啟不同強度的紫外燈相結合，測定氨氮和高錳酸鹽指數。

從圖4可以看出，在開啟14盞紫外燈的情況下，隨著臭氧投加量的逐漸增多，氨氮和高錳酸鹽指數的去除率隨之增加，當臭氧投加濃度為4.0 mg/L時，對氨氮和高錳酸鹽指數的去除率達到最大值，繼續加大臭氧的投加量，對氨氮和高錳酸鹽指數的去除率提升較緩慢。采用開啟14盞紫外燈，同時投加4.0 mg/L臭氧，此時氨氮的去除率為50.94%，高錳酸鹽指數的去除率為53.06%。

從圖5可以看出，在開啟21盞紫外燈的情況下，隨著臭氧投加量的逐漸增多，氨氮和高錳酸鹽指數的去除率隨之增加，當臭氧投加濃度為4.1 mg/L時，對氨氮和高錳酸鹽指數的去除率達到最大值，繼續加大臭氧的投加量，對氨氮和高錳酸鹽指數的去除率不再升高。采用開啟21盞紫外燈，同時投加4.1 mg/L臭氧，此時氨氮的去除率為52.94%，高錳酸鹽指數的去除率為55.96%。

從圖6可以看出，在開啟24盞紫外燈的情況下，隨著臭氧投加量的逐漸增多，氨氮和高錳酸鹽指數的去除率隨之增加，當臭氧投加濃度為4.1 mg/L時，對氨氮和高錳酸鹽指數的去除率達到最大值，繼續加大臭氧的投加量，對氨氮和高錳酸鹽指數的去除率不再升高。當投加4.1 mg/L臭氧時，氨氮、高錳酸鹽指數去除率均達到最大，氨氮的去除率為54.01%，高錳酸鹽指數的去除率為58.04%。

從圖7可以看出，在開啟35盞紫外燈的情況下，隨著臭氧投加量的逐漸增多，氨氮和高錳酸鹽指數的去除率隨之增加，當臭氧投加濃度為3.9 mg/L時，對氨氮和高錳酸鹽指數的去除率達到最大值，繼續加大臭氧的投加量，對氨氮和高錳酸鹽指數的去除率不再提高。當投加3.9 mg/L臭氧，此時氨氮、高錳酸鹽指數去除率最大，分別達到60.03%和6304%。

從圖8可以看出，在開啟38盞紫外燈的情況下，隨著臭氧投加量的逐漸增多，氨氮和高錳酸鹽指數的去除率隨之增加，當臭氧投加濃度為3.9 mg/L時，對氨氮和高錳酸鹽指數的去除率達到最大，繼續加大臭氧的投加量，對氨氮和高錳酸鹽指數的去除率不再提高。采用開啟38盞紫外燈同時投加3.9 mg/L臭氧，此時氨氮的去除率為60.13%，高錳酸鹽指數的去除率為63.21%。

從圖4～8可以看出，當臭氧與紫外混合使用處理松花江水時，在紫外光照強度一定的條件下，隨著臭氧的投加量增加，去除率隨之提高。臭氧在紫外光的照射下，分解產生活潑的次生氧化劑來氧化有機物[9]。它不是利用O3與有機物直接反應，而是以自由基型的反應為主，即液相O3在紫外光輻射作用下發生分解產生·OH，由·OH與水中的溶解性有機物進行反應[10]。

目前，對于在光催化作用下O3產生自由基的機理存在2種解釋[11]，即

O3+ hv→·O+O2

·O +H2O→2·OH

和 O3+H2O + hv→H2O2+ O2

H2O2+ hv→2·OH

無論哪一種都產生·OH，·OH還可誘發一系列的鏈反應，產生其他基態物質和自由基，強化氧化作用，使污染物的降解變得快速且充分[12]。但是，當臭氧投加量到達某一數值后，繼續投加臭氧，污染物去除率提高緩慢。這是因為O3/UV技術受臭氧濃度的影響，臭氧濃度過高不利于其在紫外照射下分解產生活潑的次生氧化劑來氧化有機物。所以，采用臭氧濃度3.9 mg/L，同時開啟35盞（4 340 μW/cm2）紫外燈，此時氨氮和高錳酸鹽指數的去除率分別為60.03%和63.04%。

3結論

（1）單獨使用臭氧氧化技術，隨著臭氧投加量的升高，去除率也隨之提高，但當臭氧投加量超過3.9 mg/L時，去除率提高緩慢。采用臭氧投加濃度為3.9 mg/L，此時氨氮的去除率為40.11%，高錳酸鹽指數的去除率為45%。

（2）單獨使用紫外消毒技術，隨著紫外燈開啟數量的逐漸增多，氨氮和高錳酸鹽指數的去除率也增加，但是到35盞燈（4 340 μW/cm2）以后，繼續加大紫外光照強度，氨氮和高錳酸鹽指數的去除率提高緩慢。采用開啟35盞（4 340 μW/cm2）紫外燈，此時氨氮去除率為43.05%，高錳酸鹽指數的去除率為46.07%。

（3）當臭氧與紫外聯用處理松花江水時，在紫外光照強度一定的條件下，隨著臭氧投加量的增加，去除率也提高。但是，當臭氧投加量到達某一數值后，繼續投加臭氧，污染物去除率提高緩慢。采用臭氧濃度3.9 mg/L， 35盞（4 340 μW/cm2）紫外燈時，該處理組在所有處理技術試驗組中，氨氮和高錳酸鹽指數的去除率達到最大，分別為60.03%和6304%。

（4）3種高級氧化技術都對松花江水有一定的處理效果。對比3種高級氧化的處理效果，得出UV/O3技術的氧化能力和去除率超過單獨使用UV或O3工藝，處理后水中氨氮和高錳酸鹽指數指標滿足《生活飲用水標準》（GB5749-2012）限值要求。

安徽農業科學2015年

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