現(xiàn)有凈水工藝應(yīng)用分析及研究進(jìn)展

周曼莉

（佛山市新泰隆環(huán)保設(shè)備制造有限公司，廣州 佛山 528300）

現(xiàn)階段，我國(guó)諸多水體不同程度地遭受生活污水與工業(yè)廢水的污染。在污水處理中，大部分原水中難降解有機(jī)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(zhì)易惡化，加藥消毒副產(chǎn)物（如三鹵甲烷等）含量上升，出水水質(zhì)下降。針對(duì)以上問題，為實(shí)現(xiàn)給水深度有效處理，F(xiàn)endon試劑氧化、臭氧氧化、光催化氧化、超聲和電化學(xué)催化氧化等高級(jí)氧化技術(shù)及其聯(lián)用技術(shù)、膜處理技術(shù)等成為主要研究方向[1-2]。因此，筆者對(duì)現(xiàn)有凈水處理工藝的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析。

1 常規(guī)凈水處理工藝

常規(guī)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(yīng)速率較低。受污染原水經(jīng)常規(guī)的混凝、沉淀和過(guò)濾后，僅可去除水中20%～30%的有機(jī)物，溶解性有機(jī)物的存在，不利于破壞膠體的穩(wěn)定性，進(jìn)而使得常規(guī)工藝對(duì)原水濁度去除率僅為50%～60%。另外，常規(guī)工藝對(duì)特殊有機(jī)物、高濁度水等水質(zhì)的處理效果不理想，后期可能會(huì)引起細(xì)菌滋生的問題。針對(duì)以上問題，可在常規(guī)水處理工藝之前添加預(yù)氧化工藝（臭氧預(yù)氧化、加氯預(yù)氧化等），在常規(guī)工藝之后采取活性炭吸附、膜處理或高級(jí)氧化等工藝處理。

2 活性炭吸附技術(shù)

活性炭吸附技術(shù)一般作為常規(guī)凈水處理工藝之后的深度處理手段，其具有較強(qiáng)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(jī)溶劑，易再生，環(huán)境友好，可有效去除水中有機(jī)物、氣味、色度等，在給水處理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

盡管凈水活性炭有較強(qiáng)的吸附能力，但是吸附過(guò)濾后的出水仍需通過(guò)滲透膜過(guò)濾技術(shù)才能達(dá)到飲水標(biāo)準(zhǔn)。另外，凈水活性炭的吸附能力有限，在一定的時(shí)間后，吸附就會(huì)飽和，需定期更換，成本較高。

3 膜處理技術(shù)

膜技術(shù)是利用天然高分子薄膜作為介質(zhì)，利用其特性作為推動(dòng)力，進(jìn)而更好地分離和過(guò)濾溶液，從而達(dá)到水凈化的作用。該技術(shù)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(yīng)性強(qiáng)、處理范圍廣、對(duì)藻類細(xì)胞和濁度的去除率高等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于飲用水處理。但是，膜過(guò)濾屬于物理截留，對(duì)有機(jī)物的處理能力差，處理過(guò)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(shù)的普適性。

4 高級(jí)氧化技術(shù)

高級(jí)氧化技術(shù)是指在輻射、電、超聲、催化劑等條件下，生成具有強(qiáng)氧化活性的·OH 自由基，并經(jīng)過(guò)一系列的加成、電子轉(zhuǎn)移、斷鍵等反應(yīng)，將有機(jī)物降為小分子無(wú)害化產(chǎn)物（H2O、CO2、無(wú)機(jī)鹽）的一種新技術(shù)。目前研究比較多的高級(jí)氧化技術(shù)主要是Fendon 試劑、紫外光催化氧化、臭氧氧化、超聲氧化及聯(lián)用技術(shù)。

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(yīng)靠氧化劑的分解和活性羥基自由基破壞有機(jī)污染物。該反應(yīng)在常溫、常壓下進(jìn)行，易于操作，反應(yīng)速率快。過(guò)氧化氫的分解需要H+，即在酸性環(huán)境下才可達(dá)到羥基自由基最大化。有研究表明，該反應(yīng)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(yīng)產(chǎn)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(chǎn)物完全無(wú)害。需投加H2O2和二價(jià)鐵鹽，F(xiàn)e2+易流失且造成二次污染，運(yùn)行成本較高。另外，F(xiàn)enton 工藝較其他高級(jí)氧化技術(shù)，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。

4.2 光催化氧化法

光催化氧化法是指向反應(yīng)體系中引入光敏催化劑和光輻射，產(chǎn)生非選擇性強(qiáng)氧化劑·OH 自由基，通過(guò)其氧化作用使有機(jī)物在常規(guī)條件下得到降解，常見的光敏催化劑有過(guò)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(yīng)等。

4.2.1 光-Fendon 技術(shù)

光-Fendon 技術(shù)是在傳統(tǒng)Fenton 反應(yīng)的基礎(chǔ)上，增加光輻射（180 ～400 nm），使得Fenton 反應(yīng)中Fe3+轉(zhuǎn)化為Fe2+，同時(shí)產(chǎn)生·OH 自由基。反應(yīng)式如下：

由式（1）分析可知，生成的Fe2+又可與H2O2進(jìn)一步反應(yīng)，進(jìn)入傳統(tǒng)芬頓反應(yīng)，生成·OH 和Fe3+，體系中Fe3+/Fe2+能夠維持較好的循環(huán)；光催化技術(shù)與芬頓技術(shù)聯(lián)用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)芬頓技術(shù)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(xù)投加H2O2，過(guò)程對(duì)光能的利用率相對(duì)較低，能耗和成本較高；處理出水需進(jìn)一步除色。

4.2.2 UV/H2O2氧化技術(shù)

（1）UV/H2O2技術(shù)原理及特點(diǎn)。UV/H2O2技術(shù)的反應(yīng)機(jī)理主要是：H2O2在紫外光照射下產(chǎn)生·OH自由基。該過(guò)程需持續(xù)投加H2O2，光利用率較低，運(yùn)行成本相對(duì)較高。原料易得，操作簡(jiǎn)便，環(huán)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(shù)的研究進(jìn)展。研究者采用UV/H2O2技術(shù)處理污染物，取得一定效果。劉海勇等利用該技術(shù)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(shù)降解苯酚，結(jié)果表明，隨著H2O2質(zhì)量濃度的增加，苯酚去除率增加，但當(dāng)其濃度高于10 mg/L 時(shí)，去除率下降[4]。H2O2過(guò)量，不僅消耗H2O2，而且造成H2O2無(wú)效分解。

4.2.3 UV/TiO2氧化技術(shù)

（1）UV/TiO2技術(shù)原理及特點(diǎn)。UV/TiO2技術(shù)是利用光激發(fā)光敏催化劑（TiO2）產(chǎn)生高度活性光生電子（e-cb）/空穴對(duì)（h+vb），吸附在TiO2表面的OH-或H2O 與h+vb 反應(yīng)，生成·OH 自由基。研究表明，TiO2作為催化劑，其反應(yīng)前后質(zhì)量及性質(zhì)不變，無(wú)需不斷添加，TiO2本身還具有無(wú)毒、氧化能力強(qiáng)、活性高、成本低及穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)；該反應(yīng)過(guò)程對(duì)H+無(wú)明顯需求，pH 范圍在7 ～8 即可，易于控制；反應(yīng)主要成分幾乎不存在流失問題，不會(huì)產(chǎn)生二次污染；光利用率較UV/H2O2提高，運(yùn)行成本降低。

（2）UV/TiO2技術(shù)的研究進(jìn)展。UV/TiO2催化體系對(duì)污染物有較高的降解能力。陳志錚等利用該技術(shù)處理印染廢水的生化出水，結(jié)果表明，TiO2投加量為800 mg/L、反應(yīng)8 h、pH 為6.5 ～8.0 時(shí)，難降解污染物（AMDI7.6）、TOC、COD 的去除率可達(dá)86%、20%、46%[5]。為提高光催化氧化劑對(duì)光能的利用率，提高·OH 的產(chǎn)量，人們通過(guò)向TiO2摻雜金屬或非金屬、與其他半導(dǎo)體材料復(fù)合等方法以拓寬其對(duì)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(shù)

（1）UV/H2O2+非均相催化劑技術(shù)原理及特點(diǎn)。UV/H2O2+非均相催化劑技術(shù)的反應(yīng)過(guò)程如下（非均相催化劑以TiO2為例）：

從上述反應(yīng)方程式可知：該技術(shù)體系同時(shí)具有UV/非均相催化劑與UV/H2O2的技術(shù)優(yōu)勢(shì)；在該體系中，H2O2可俘獲電子，減少電子-空穴復(fù)合概率，促進(jìn)光催化劑表面空穴氧化，利于產(chǎn)生更多的活性自由基，擴(kuò)大降解反應(yīng)區(qū)域，降解效果優(yōu)于UV/非均相催化劑體系。

（2）UV/H2O2+非均相催化劑技術(shù)研究進(jìn)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(fù)載在Na-Y 分子篩上的Fe-Cu-Mn-Y 復(fù)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(zhǔn)條件下，反應(yīng)時(shí)間為 20 min 時(shí)，4BS 的去除率高達(dá)93.7%，處理效果好[6]。與芬頓及光-芬頓技術(shù)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(qiáng)的活性（E=2.07 V）， 主要用于氧化處理一些難降解有機(jī)物、殺菌消毒以及水質(zhì)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(lái)，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(diǎn)。組合技術(shù)提高了其氧化能力，擴(kuò)大了可降解有機(jī)物區(qū)域。但是，O3反應(yīng)體系的產(chǎn)物——醛和羧酸，不能被O3進(jìn)一步氧化，加之其溶解度較低，處理成本較高，阻礙了其進(jìn)一步的推廣與應(yīng)用。

超聲氧化技術(shù)是指利用一定頻率（＞16 kHz）的超聲波輻射溶液以產(chǎn)生起決定作用的超聲空化，空化作用使溶液在高溫高壓區(qū)產(chǎn)生H2O2和·OH 等活性物質(zhì)，通過(guò)自由基氧化、高溫?zé)峤獾冉到鈴U水中的污染物。超聲氧化技術(shù)作為一種綠色水處理技術(shù)，具有無(wú)污染、應(yīng)用靈活的特點(diǎn)，但因成本較高限制了其工業(yè)化 應(yīng)用。

5 UV/H2O2+非均相催化劑技術(shù)優(yōu)勢(shì)

對(duì)比了現(xiàn)有的凈水處理技術(shù)，高級(jí)氧化技術(shù)作為一種環(huán)境友好型技術(shù)，在難降解有機(jī)物的處理效果、反應(yīng)速率、應(yīng)用靈活性、可操作性及處理成本等方面有較大優(yōu)勢(shì)。其中，UV/非均相催化劑氧化技術(shù)，彌補(bǔ)了其他氧化技術(shù)的不足。其無(wú)需連續(xù)添加催化劑，成本低；反應(yīng)所需pH 范圍在7 ～8 即可，易于控制；反應(yīng)主要成分幾乎不存在流失問題，不會(huì)產(chǎn)生二次污染；催化劑可選用無(wú)毒、氧化能力強(qiáng)、活性高、成本低及穩(wěn)定性的產(chǎn)品，如TiO2、介孔SnO2/TiO2、ZnIn2S4等。

在UV/非均相催化劑氧化技術(shù)和UV/H2O2氧化技術(shù)的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步提高處理效率和燈管壽命，降低能耗和運(yùn)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(shù)的優(yōu)點(diǎn)，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(fù)合概率，利于產(chǎn)生更多的活性自由基，降解有機(jī)污染物種類增多，處理效果和效率可大幅度提升。