現有凈水工藝應用分析及研究進展

周曼莉

（佛山市新泰隆環保設備制造有限公司，廣州 佛山 528300）

現階段，我國諸多水體不同程度地遭受生活污水與工業廢水的污染。在污水處理中，大部分原水中難降解有機物、氨氮及藻類等含量增加，色度和濁度升高，濾池易堵塞，水質易惡化，加藥消毒副產物（如三鹵甲烷等）含量上升，出水水質下降。針對以上問題，為實現給水深度有效處理，Fendon試劑氧化、臭氧氧化、光催化氧化、超聲和電化學催化氧化等高級氧化技術及其聯用技術、膜處理技術等成為主要研究方向[1-2]。因此，筆者對現有凈水處理工藝的優缺點進行分析。

1 常規凈水處理工藝

常規處理工藝凈化處理效率受水溫、濁度、pH 和水力條件等影響，反應速率較低。受污染原水經常規的混凝、沉淀和過濾后，僅可去除水中20%～30%的有機物，溶解性有機物的存在，不利于破壞膠體的穩定性，進而使得常規工藝對原水濁度去除率僅為50%～60%。另外，常規工藝對特殊有機物、高濁度水等水質的處理效果不理想，后期可能會引起細菌滋生的問題。針對以上問題，可在常規水處理工藝之前添加預氧化工藝（臭氧預氧化、加氯預氧化等），在常規工藝之后采取活性炭吸附、膜處理或高級氧化等工藝處理。

2 活性炭吸附技術

活性炭吸附技術一般作為常規凈水處理工藝之后的深度處理手段，其具有較強的吸附性能和催化性能，原料充足且安全性高，耐酸堿、耐熱，不溶于水和有機溶劑，易再生，環境友好，可有效去除水中有機物、氣味、色度等，在給水處理領域應用廣泛。

盡管凈水活性炭有較強的吸附能力，但是吸附過濾后的出水仍需通過滲透膜過濾技術才能達到飲水標準。另外，凈水活性炭的吸附能力有限，在一定的時間后，吸附就會飽和，需定期更換，成本較高。

3 膜處理技術

膜技術是利用天然高分子薄膜作為介質，利用其特性作為推動力，進而更好地分離和過濾溶液，從而達到水凈化的作用。該技術主要包括微濾、超濾、納濾和反滲透等，具有高效率、低能耗、適應性強、處理范圍廣、對藻類細胞和濁度的去除率高等優點，尤其適用于飲用水處理。但是，膜過濾屬于物理截留，對有機物的處理能力差，處理過程中還存在膜污染、使用壽命短、成本高等問題，降低了該技術的普適性。

4 高級氧化技術

高級氧化技術是指在輻射、電、超聲、催化劑等條件下，生成具有強氧化活性的·OH 自由基，并經過一系列的加成、電子轉移、斷鍵等反應，將有機物降為小分子無害化產物（H2O、CO2、無機鹽）的一種新技術。目前研究比較多的高級氧化技術主要是Fendon 試劑、紫外光催化氧化、臭氧氧化、超聲氧化及聯用技術。

4.1 Fendon 試劑氧化法

Fenton 試劑是指H2O2和亞鐵離子的混合物，在常溫、常壓條件下，其反應靠氧化劑的分解和活性羥基自由基破壞有機污染物。該反應在常溫、常壓下進行，易于操作，反應速率快。過氧化氫的分解需要H+，即在酸性環境下才可達到羥基自由基最大化。有研究表明，該反應pH 范圍為2.5 ～5.5，最佳pH 值一般為3。鐵離子和氫離子反應產生鐵-羥基配合物，使得Fenton 試劑具有混凝能力，可將溶解的固體捕獲并沉淀。降解產物完全無害。需投加H2O2和二價鐵鹽，Fe2+易流失且造成二次污染，運行成本較高。另外，Fenton 工藝較其他高級氧化技術，反應時間長。

4.2 光催化氧化法

光催化氧化法是指向反應體系中引入光敏催化劑和光輻射，產生非選擇性強氧化劑·OH 自由基，通過其氧化作用使有機物在常規條件下得到降解，常見的光敏催化劑有過渡金屬TiO2、SnO2等。目前研究較多的光催化體系主要有：光-Fendon、UV/TiO2、UV/H2O2、UV/H2O2/TiO2和光電催化反應等。

4.2.1 光-Fendon 技術

光-Fendon 技術是在傳統Fenton 反應的基礎上，增加光輻射（180 ～400 nm），使得Fenton 反應中Fe3+轉化為Fe2+，同時產生·OH 自由基。反應式如下：

由式（1）分析可知，生成的Fe2+又可與H2O2進一步反應，進入傳統芬頓反應，生成·OH 和Fe3+，體系中Fe3+/Fe2+能夠維持較好的循環；光催化技術與芬頓技術聯用，彌補了傳統芬頓技術需大量添加亞鐵鹽的不足；Fe2+易流失且易造成二次污染問題仍然存在；需持續投加H2O2，過程對光能的利用率相對較低，能耗和成本較高；處理出水需進一步除色。

4.2.2 UV/H2O2氧化技術

（1）UV/H2O2技術原理及特點。UV/H2O2技術的反應機理主要是：H2O2在紫外光照射下產生·OH自由基。該過程需持續投加H2O2，光利用率較低，運行成本相對較高。原料易得，操作簡便，環境友好。pH 范圍為2.5 ～5.5，最佳pH 值一般為3.5 左右。

（2）UV/H2O2技術的研究進展。研究者采用UV/H2O2技術處理污染物，取得一定效果。劉海勇等利用該技術去除飲用水中的微囊藻毒素，處理效果不佳[3]。張軼等利用該技術降解苯酚，結果表明，隨著H2O2質量濃度的增加，苯酚去除率增加，但當其濃度高于10 mg/L 時，去除率下降[4]。H2O2過量，不僅消耗H2O2，而且造成H2O2無效分解。

4.2.3 UV/TiO2氧化技術

（1）UV/TiO2技術原理及特點。UV/TiO2技術是利用光激發光敏催化劑（TiO2）產生高度活性光生電子（e-cb）/空穴對（h+vb），吸附在TiO2表面的OH-或H2O 與h+vb 反應，生成·OH 自由基。研究表明，TiO2作為催化劑，其反應前后質量及性質不變，無需不斷添加，TiO2本身還具有無毒、氧化能力強、活性高、成本低及穩定性好等優點；該反應過程對H+無明顯需求，pH 范圍在7 ～8 即可，易于控制；反應主要成分幾乎不存在流失問題，不會產生二次污染；光利用率較UV/H2O2提高，運行成本降低。

（2）UV/TiO2技術的研究進展。UV/TiO2催化體系對污染物有較高的降解能力。陳志錚等利用該技術處理印染廢水的生化出水，結果表明，TiO2投加量為800 mg/L、反應8 h、pH 為6.5 ～8.0 時，難降解污染物（AMDI7.6）、TOC、COD 的去除率可達86%、20%、46%[5]。為提高光催化氧化劑對光能的利用率，提高·OH 的產量，人們通過向TiO2摻雜金屬或非金屬、與其他半導體材料復合等方法以拓寬其對光能利用范圍，改善催化活性，如介孔SnO2/TiO2、ZnIn2S4。

4.2.4 UV/H2O2+非均相催化劑技術

（1）UV/H2O2+非均相催化劑技術原理及特點。UV/H2O2+非均相催化劑技術的反應過程如下（非均相催化劑以TiO2為例）：

從上述反應方程式可知：該技術體系同時具有UV/非均相催化劑與UV/H2O2的技術優勢；在該體系中，H2O2可俘獲電子，減少電子-空穴復合概率，促進光催化劑表面空穴氧化，利于產生更多的活性自由基，擴大降解反應區域，降解效果優于UV/非均相催化劑體系。

（2）UV/H2O2+非均相催化劑技術研究進展。在UV/H2O2+非均相催化劑體系中，非均相催化劑的制備與選擇一直是主流研究方向。其中，鄭展望等制備了負載在Na-Y 分子篩上的Fe-Cu-Mn-Y 復合催化劑，并在非均相UV/H2O2+Fe-Cu-Mn-Y 催化體系中處理4BS 染料廢水，在基準條件下，反應時間為 20 min 時，4BS 的去除率高達93.7%，處理效果好[6]。與芬頓及光-芬頓技術相比，該體系在堿性條件下（pH=10.5）仍可高效去除CODCr。另外，TiO2、介孔SnO2/TiO2、ZnIn2S4等催化劑也可用于該體系，處理效果普遍較好。

4.3 臭氧氧化法與超聲氧化法

臭氧作為一種殺菌劑，具有較強的活性（E=2.07 V）， 主要用于氧化處理一些難降解有機物、殺菌消毒以及水質脫色處理。通常情況下，O3的分壓比較小，水中溶解量少，氧化水平有限。近年來，臭氧與其他工藝的組合，如H2O2+O3、UV+O3、超聲+O3、O3+活性炭吸附等成了人們研究的熱點。組合技術提高了其氧化能力，擴大了可降解有機物區域。但是，O3反應體系的產物——醛和羧酸，不能被O3進一步氧化，加之其溶解度較低，處理成本較高，阻礙了其進一步的推廣與應用。

超聲氧化技術是指利用一定頻率（＞16 kHz）的超聲波輻射溶液以產生起決定作用的超聲空化，空化作用使溶液在高溫高壓區產生H2O2和·OH 等活性物質，通過自由基氧化、高溫熱解等降解廢水中的污染物。超聲氧化技術作為一種綠色水處理技術，具有無污染、應用靈活的特點，但因成本較高限制了其工業化 應用。

5 UV/H2O2+非均相催化劑技術優勢

對比了現有的凈水處理技術，高級氧化技術作為一種環境友好型技術，在難降解有機物的處理效果、反應速率、應用靈活性、可操作性及處理成本等方面有較大優勢。其中，UV/非均相催化劑氧化技術，彌補了其他氧化技術的不足。其無需連續添加催化劑，成本低；反應所需pH 范圍在7 ～8 即可，易于控制；反應主要成分幾乎不存在流失問題，不會產生二次污染；催化劑可選用無毒、氧化能力強、活性高、成本低及穩定性的產品，如TiO2、介孔SnO2/TiO2、ZnIn2S4等。

在UV/非均相催化劑氧化技術和UV/H2O2氧化技術的基礎上，為進一步提高處理效率和燈管壽命，降低能耗和運行成本，提出“UV/H2O2+非均相催化劑”的催化體系。該體系具備以上兩種技術的優點，在UV/非均相催化劑體系中加入H2O2俘獲電子，減少電子-空穴復合概率，利于產生更多的活性自由基，降解有機污染物種類增多，處理效果和效率可大幅度提升。