基于水處理的高級(jí)氧化技術(shù)綜述

摘要：水是人類(lèi)賴(lài)以生存的重要資源，但我國(guó)是嚴(yán)重缺水國(guó)家之一，水資源一直比較緊張。節(jié)約用水是我國(guó)倡導(dǎo)的理念，也是我國(guó)努力實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，而水處理能節(jié)省水資源，因此必須使用專(zhuān)門(mén)技術(shù)手段開(kāi)展水處理。本文綜述常見(jiàn)的高級(jí)氧化技術(shù)，然后提出建議，以合理應(yīng)用高級(jí)氧化技術(shù)，提高水處理效果。

關(guān)鍵詞：高級(jí)氧化技術(shù)；水處理；水資源

中圖分類(lèi)號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500（2023）03-0-03

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2023.03.029

Abstract： Water is an important resource for human survival， but China is one of the countries with serious water shortage， and water resources have been relatively scarce. Water conservation is a concept advocated by China and a goal that China strives to achieve， water treatment can save water resources， so it is necessary to use specialized technical means to carry out water treatment. This paper reviews common advanced oxidation processes， and then puts forward suggestions for rational application of advanced oxidation processes to improve water treatment efficiency.

Keywords： advanced oxidation processes; water treatment; water resources

當(dāng)前，我國(guó)積極推進(jìn)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)，高級(jí)氧化技術(shù)備受水處理行業(yè)的關(guān)注。該技術(shù)能減少水污染，提高水資源循環(huán)利用率，降低水資源消耗，達(dá)成節(jié)約用水目的。為了推廣高級(jí)氧化技術(shù)，將其更好地應(yīng)用在水處理中，有必要展開(kāi)深入研究。

1 高級(jí)氧化技術(shù)概述

高級(jí)氧化技術(shù)能產(chǎn)生具備強(qiáng)氧化能力的羥基自由基，在特定反應(yīng)條件下將大分子難降解有機(jī)物氧化成低毒或無(wú)毒的小分子物質(zhì)，凈化水質(zhì)。凈化后的水可以直接使用，甚至直接飲用。該技術(shù)能通過(guò)氧化反應(yīng)大幅提升污染物的可生化性，同時(shí)有效處理水體內(nèi)的環(huán)境激素或其他微量有害化學(xué)物質(zhì)，因此極具應(yīng)用價(jià)值。高級(jí)氧化技術(shù)的羥基自由基沒(méi)有選擇性，能氧化絕大部分有機(jī)物，同時(shí)羥基自由基與有機(jī)物的反應(yīng)強(qiáng)烈，因此該技術(shù)分解有機(jī)物的能力很強(qiáng)，這也使得該技術(shù)在處理高濃度有機(jī)廢水方面具有一定應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[1-3]。

相比其他難生物降解廢水處理技術(shù)，高級(jí)氧化技術(shù)處理效率更高，該技術(shù)只需要在特定環(huán)境下讓羥基自由基、有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)，而其他技術(shù)可能要經(jīng)過(guò)分離、循環(huán)等工藝流程，因此效率較低。同時(shí)，高級(jí)氧化技術(shù)無(wú)二次污染。許多水處理技術(shù)需要使用化學(xué)藥劑，會(huì)對(duì)水體造成二次污染，但高級(jí)氧化技術(shù)一般不存在這種現(xiàn)象，該技術(shù)使用的O3、H2O2等氧化劑能在水處理過(guò)程中自行降解，不會(huì)對(duì)水體造成污染[4-6]。

2 常見(jiàn)高級(jí)氧化技術(shù)分析

2.1 光化學(xué)氧化法

光化學(xué)氧化法利用光化學(xué)原理來(lái)產(chǎn)生羥基自由基，實(shí)現(xiàn)污染物降解，其氧化能力強(qiáng)，反應(yīng)條件溫和。目前，該方法在水處理中得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)羥基自由基產(chǎn)生方法的不同，光化學(xué)氧化法主要分為兩種。一是光激發(fā)氧化法，其主要利用O3、H2O2等氧化劑在光輻射條件下得到羥基自由基；二是光催化氧化法，需要在反應(yīng)溶液內(nèi)投放一定比例的半導(dǎo)體催化劑，再通過(guò)紫外線(xiàn)照射得到羥基自由基。

光激發(fā)氧化法的水處理效果非常突出，它能夠有效處理水體中難降解有機(jī)物，但會(huì)帶來(lái)一些消毒副產(chǎn)物，因此不建議直接將光激發(fā)氧化法處理后的水作為生活用水，但可以將其用于不涉及人體健康的場(chǎng)合。反觀(guān)光催化氧化法，其氧化能力強(qiáng)于光激發(fā)氧化法，原因在于其使用的催化劑為T(mén)iO2、WO3等，這些催化劑不僅具有極高的化學(xué)穩(wěn)定性與催化活性，還具有耐光腐蝕、成本低、無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)，因此實(shí)際應(yīng)用中光催化氧化法更為常見(jiàn)。光催化氧化法應(yīng)用非常廣泛，它能用于染料廢水處理，也能用于垃圾滲濾液處理。

2.2 濕式催化氧化法

濕式催化氧化法在高溫、高壓環(huán)境下結(jié)合催化劑進(jìn)行水處理，能氧化分解有機(jī)物、氨氮（NH3-N）等污染物，得到CO2、N2和H2O等無(wú)害物質(zhì)。該方法環(huán)境溫度一般保持在123～320 ℃，壓力一般保持在0.5～10.0 MPa，使用的催化劑為富氧氣體或氧氣。濕式催化氧化法適用于處理工業(yè)有機(jī)廢水，這種廢水普遍含有大量難降解有機(jī)物，該方法能降解其中有機(jī)物，取得理想水處理效果。該方法對(duì)NH3-N、化學(xué)需氧量（COD）的去除率可超過(guò)99%，處理后出水可直接排放，無(wú)須二次處理。

濕式催化氧化法的原理是讓污水流過(guò)反應(yīng)器，反應(yīng)器內(nèi)部裝有高效催化劑，污水與催化劑接觸，水中有機(jī)物通過(guò)氧化反應(yīng)降解為CO2、H2O等無(wú)害物質(zhì)。濕式催化氧化法中，催化劑對(duì)最終處理效果起決定作用，因此要慎重選擇。一般而言，該方法使用的催化劑可以分為均相催化劑、非均相催化劑兩種。前者成本高，工藝相對(duì)復(fù)雜，但處理范圍廣；后者成本低，工藝簡(jiǎn)單，容易與水分離，這代表人工能很好地控制催化劑組分流失帶來(lái)的二次污染[7-8]。濕式催化氧化法使用高壓泵將污水從儲(chǔ)存罐打入熱交換器，使得污水與熱交換器內(nèi)的高溫氧化液體進(jìn)行物理?yè)Q熱；監(jiān)測(cè)污水溫度，溫度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值后，將其導(dǎo)入反應(yīng)器，之前需要使用壓縮機(jī)在反應(yīng)器內(nèi)輸入氧氣；污水中有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后通過(guò)分離器將氣液混合物分離；分離后，液相經(jīng)熱交換器預(yù)熱進(jìn)料，回收熱能，氣相則先進(jìn)入再沸器，得到蒸汽，經(jīng)熱交換器預(yù)熱鍋爐進(jìn)水，后將其冷凝水由第二分離器分離，再使用循環(huán)泵打入反應(yīng)器，所得高壓尾氣可用于機(jī)械能、電能生產(chǎn)。濕式催化氧化法不僅可以處理污水，還能充分應(yīng)用各種副產(chǎn)品，因此該技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。

2.3 聲化學(xué)氧化法

聲化學(xué)氧化法主要利用超聲波來(lái)進(jìn)行水處理，相比其他高級(jí)氧化技術(shù)，其應(yīng)用范圍并不廣泛，但在特定條件下，該技術(shù)是不二之選。聲化學(xué)氧化法常見(jiàn)于垃圾滲濾液處理，該方法可以分為兩種。一是聲化氧化法，主要利用頻率15～1 000 kHz的超聲波進(jìn)行水處理，水面會(huì)產(chǎn)生瞬間的高溫、高壓，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生氧化劑，如羥基自由基，利用氧化劑即可有效去除難降解有機(jī)物；二是超聲波吹脫法，主要將空氣導(dǎo)入廢水中，待氧化反應(yīng)后，利用超聲波讓廢水內(nèi)溶解性氣體、易揮發(fā)溶質(zhì)由液相轉(zhuǎn)為氣相。該方法在國(guó)內(nèi)并不常見(jiàn)，主要用于處理垃圾滲濾液等含難降解有機(jī)物的廢水。

2.4 臭氧氧化法

臭氧氧化法的核心是臭氧，其本身是一種強(qiáng)氧化劑，能與有機(jī)物快速反應(yīng)，同時(shí)不會(huì)產(chǎn)生二次污染，可降解水中有機(jī)物，還可用于除臭、消毒。臭氧氧化法中，臭氧與有機(jī)物的反應(yīng)有直接反應(yīng)與間接反應(yīng)兩種。直接反應(yīng)就是直接通過(guò)臭氧氧化有機(jī)物實(shí)現(xiàn)污染物的降解，反應(yīng)具有選擇性，只作用于不飽和的有機(jī)污染物。間接反應(yīng)是指臭氧在水體中反應(yīng)生成羥基自由基，再通過(guò)羥基自由基進(jìn)行氧化反應(yīng)，反應(yīng)不具有選擇性，可降解所有有機(jī)污染物[9-10]。

臭氧氧化法在水處理中能很好地進(jìn)行脫色，但成本比較高，對(duì)有機(jī)物有選擇性，無(wú)法在低劑量、短時(shí)間內(nèi)完全礦化污染物，同時(shí)經(jīng)常會(huì)發(fā)生中間產(chǎn)物阻礙氧化反應(yīng)的現(xiàn)象。臭氧氧化法也存在缺陷，導(dǎo)致其難以用于垃圾滲濾液等水處理中。

2.5 電化學(xué)氧化法

電化學(xué)氧化法主要利用電極反應(yīng)氧化作用進(jìn)行水處理，能有效去除水中有機(jī)污染物。電化學(xué)氧化法與臭氧氧化法有很多相似之處，兩者氧化反應(yīng)均分為直接反應(yīng)、間接反應(yīng)兩種。直接反應(yīng)是通過(guò)水分子在陽(yáng)極表面的放電作用得到羥基自由基，羥基自由基親電后吸附在陽(yáng)極上，陽(yáng)極處的有機(jī)物就會(huì)被氧化。間接反應(yīng)是通過(guò)污水內(nèi)的碳鏈氧化作用去除污染物。與臭氧氧化法相比，電化學(xué)氧化法在垃圾滲濾液處理中的表現(xiàn)更為優(yōu)秀，COD、NH3-N處理效果突出。

電化學(xué)氧化法無(wú)二次污染，無(wú)須額外添加化學(xué)藥劑，環(huán)境友好，但能耗較大。電化學(xué)氧化法處理含氯廢水，水中會(huì)產(chǎn)生氯酸鹽甚至高氯酸鹽，若將其作為飲用水，存在一定安全隱患；電化學(xué)氧化法處理含溴廢水，會(huì)促進(jìn)水中溴酸鹽生成，而溴酸鹽是致癌物。

2.6 芬頓氧化法及類(lèi)芬頓氧化法

芬頓氧化法利用二價(jià)鐵離子和H2O2的鏈反應(yīng)催化得到羥基自由基，實(shí)現(xiàn)污染物的降解。芬頓氧化法能處理多種難降解有機(jī)物，應(yīng)用范圍非常廣泛，幾乎適用于處理所有類(lèi)型的廢水。需要注意的是，當(dāng)使用芬頓氧化法時(shí)，要合理控制H2O2及鐵鹽的投放量，否則難以取得理想處理效果。芬頓氧化法一般要求酸性條件，該條件不僅能通過(guò)H2O2及二價(jià)鐵離子生成羥基自由基，還能生成大量活性氧，保障水處理效果[11-12]。

類(lèi)芬頓氧化法是以芬頓氧化法原理為基礎(chǔ)，將紫外線(xiàn)（UV）、O3和光電效應(yīng)引入鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，然后通過(guò)H2O2產(chǎn)生羥基自由基處理有機(jī)物。值得一提的是，類(lèi)芬頓氧化法并不特指某一種技術(shù)，而是指芬頓氧化法以外所有以芬頓氧化法原理為基礎(chǔ)的水處理方法。類(lèi)芬頓氧化法目前尚處于研究階段，其形式眾多，但應(yīng)用價(jià)值已經(jīng)展現(xiàn)，當(dāng)前備受關(guān)注。

3 結(jié)語(yǔ)

高級(jí)氧化技術(shù)類(lèi)型多樣，每種技術(shù)都有自身特色，適用條件存在差異，因此水處理行業(yè)要合理選用高級(jí)氧化技術(shù)。要明確污水內(nèi)存在的有機(jī)污染物，做好技術(shù)選型。水體內(nèi)可能存在多種有機(jī)污染物，若無(wú)法通過(guò)單一高級(jí)氧化技術(shù)取得理想處理效果，就要考慮技術(shù)聯(lián)用。技術(shù)聯(lián)用需要保障聯(lián)用技術(shù)間不存在功能重疊，功能有所互補(bǔ)。高級(jí)氧化技術(shù)在水處理中具有良好的應(yīng)用價(jià)值，因此有必要了解該技術(shù)，并掌握應(yīng)用方法。合理應(yīng)用高級(jí)氧化技術(shù)，有效處理水中有機(jī)污染物，使得水體得到凈化，可以提高水資源循環(huán)利用率，節(jié)省水資源。

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