高級氧化技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用進(jìn)展分析

羅力莎

(吉林化工學(xué)院，吉林 吉林 132022)

0 引言

隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)步入高速發(fā)展階段，工業(yè)生產(chǎn)中每天都會產(chǎn)生大量的污水，且污水排放量逐漸增加，污水當(dāng)中含有許多化學(xué)物質(zhì)，如果直接排放，必然會對生態(tài)環(huán)境以及水體造成嚴(yán)重的破壞和污染，這些污水中含有大量的毒素，在水處理過程中，采用簡單的生物降解處理方法是不夠的，且無法達(dá)到相關(guān)規(guī)定的處理要求。因此，必須綜合考慮其他類型的處理方法，如高級氧化技術(shù)、沉淀、氣浮等。高級氧化技術(shù)(簡稱AOPs)主要是通過化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的羥基自由基(·OH)和一系列鏈反應(yīng)，對有機污染物進(jìn)行分解，得到最終產(chǎn)物CO2、H2O以及無機鹽等，可有效處理污水當(dāng)中的難降解有機物。

1 高級氧化技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用

1.1 Fenton氧化法

Fenton氧化法主要指的是pH在2～5的酸性環(huán)境下，通過Fe2+與H2O2發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，從而生成·OH(氧化電位為2.8 V)，對有機物進(jìn)行氧化降解。其在發(fā)生反應(yīng)過程中，會受到溶液溫度、pH值、H2O2濃度、停留時間等因素的影響。Fenton試劑具有強氧化性，可適應(yīng)大多數(shù)的污水處理需求，不僅可以作為預(yù)處理和深度處理，同時也能夠完成獨立污水處理的需求。Fenton氧化法具有成本低、工藝操作簡單、反應(yīng)速度快，氧化效率高等優(yōu)點。由于Fenton氧化法對pH值的要求較高，如果偏離適宜的pH值范圍，則無法保障實際處理效果。其次，F(xiàn)enton氧化法在污水處理過程中使用過量的 Fe2+將產(chǎn)生二次污染。通常情況下只適合用于處理少量、濃度較低的污水，且無法對有機物進(jìn)行徹底礦化處理，所以通常將其作為預(yù)處理，或者可以針對實際情況，與其他處理方法聯(lián)合使用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展與更新，已經(jīng)有學(xué)者將紫外光、可見光引入到Fenton體系當(dāng)中，被稱為類Fenton反應(yīng)，這樣可有效降低處理方法的成本，從而大幅度提升反應(yīng)效率和處理效果[1]。

1.2 光催化氧化法

光催化氧化法主要是在光照的條件下，半導(dǎo)體光催化劑如ZnO、TiO2、ZnS等在光的激發(fā)作用下使得光生電子與空穴分離，產(chǎn)生的光生空穴可作為氧化劑與H2O反應(yīng)生成氧化性更強的?OH，從而實現(xiàn)對污染物的氧化去除。光催化劑表面的空穴以及電子，其具有很強的氧化性及還原性，促使有機物逐漸礦化，在整個過程中，主要是光化學(xué)反應(yīng)與催化反應(yīng)之間的有效結(jié)合。

光催化氧化技術(shù)在實際操作過程中，具有氧化效率高、能耗低、且操作簡單等優(yōu)點，能夠有效去除污水當(dāng)中的各種有機污染物。作為新型的污水處理技術(shù)之一，光催化氧化法仍在實踐發(fā)展階段，有待進(jìn)一步改進(jìn)與深入研究，發(fā)展空間巨大。但是光催化劑的光生電子-空穴容易復(fù)合，降低了光催化劑的催化活性，另外，粉末狀的催化劑不易回收，并且需要在一定的紫外光或者可見光條件下才能完成，增加了工藝成本，因此限制了其對實際污水處理的大規(guī)模應(yīng)用。相關(guān)研究學(xué)者也在不斷深入探究，比如怎樣利用太陽能提升光催化氧化實際效率，光催化反應(yīng)器怎樣更好地適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)，相關(guān)問題如果能夠得到有效解決，光催化氧化技術(shù)的應(yīng)用范圍也將進(jìn)一步擴大，并且具有廣闊的發(fā)展前景[2]。

1.3 臭氧催化氧化法

臭氧具有較強的氧化性能，氧化電位為2.07 V，可以直接氧化有機物。另外，O3可以在水中分解生成無選擇性的具有強氧化性的·OH，能快速去除水中幾乎所有的有機污染物。但是單獨臭氧氧化法工藝成本高，并且在氧化反應(yīng)中具有一定的選擇性，在氧化降解過程中可能產(chǎn)生有毒的中間產(chǎn)物，氧化效果較差。臭氧催化氧化法是在臭氧氧化體系中加入一定量的催化劑，促進(jìn)臭氧在其表面分解產(chǎn)生氧化活性更強的·OH，可有效提高有機污染物的降解效果。臭氧催化氧化法在實際應(yīng)用過程中也比較方便，和有機物之間發(fā)生反應(yīng)的速度快，并且不會產(chǎn)生二次污染，多出來的臭氧也會自行分解，最終形成O2。為了進(jìn)一步提升臭氧氧化實際效率，加強組合技術(shù)相關(guān)研究是目前的重點。臭氧聯(lián)合氧化法主要包含H2O2/臭氧、UV/臭氧等，在臭氧反應(yīng)器當(dāng)中適當(dāng)增加紫外線光照射以及H2O2。臭氧聯(lián)合氧化法能夠促使水中的臭氧產(chǎn)生大量的·OH，提高氧化降解效率，保障在渾濁度非常高的水環(huán)境中依然能夠正常穩(wěn)定運行。臭氧分子在水中的溶解度較低，臭氧利用率低，因此，怎樣讓其更好地溶于水中，進(jìn)一步研究臭氧發(fā)生裝置，使其具備高效低能耗的功能優(yōu)勢是當(dāng)前的研究發(fā)展重點。

1.4 電化學(xué)氧化法

電化學(xué)氧化法也是一種常見的污水處理方法，其主要是在電場環(huán)境作用下，污染物會在電極表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，或者是電極表面所產(chǎn)生的強氧化性物質(zhì)，促使污染物發(fā)生一系列的氧化還原，根據(jù)有機物降解方式的不同，主要包括直接電化學(xué)氧化法以及間接電化學(xué)氧化法，前者是有機污染物由溶液向周邊擴散，后者是電化學(xué)所產(chǎn)生的強氧化性產(chǎn)物，并將其作為還原劑或者氧化劑，促使污染物被分解，逐漸轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)。電化學(xué)氧化法在實際應(yīng)用過程中。具備較強的適應(yīng)性、操作便捷，且氧化能力強等諸多優(yōu)勢，屬于一種環(huán)境溫和型技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于烴、醛、醇等污染物處理中。但在實際操作中，因為受到電極穩(wěn)定性、運行成本以及處理效率等因素的限制和影響，電化學(xué)氧化法并未被大范圍地應(yīng)用到工業(yè)污水處理中。當(dāng)前，高效電化學(xué)反應(yīng)器是主要的發(fā)展方向和趨勢。

1.5 超聲波氧化法

超聲波氧化法主要采用的是16 kHz～1 MHz波段范圍內(nèi)的超聲波。水溶液中的污染物在超聲波輻射的條件下，會出現(xiàn)高壓超聲空化、局部高溫、水蒸氣出現(xiàn)分裂等現(xiàn)象，繼而產(chǎn)生高濃度的H2O2以及·OH等氧化物質(zhì)，最終能夠快速降解水中的污染物。超聲波氧化法主要包括自由基氧化反應(yīng)以及高溫高壓熱解反應(yīng)等類型，再結(jié)合焚燒、自由基氧化等相關(guān)水處理技術(shù)，具有操作簡單方便、氧化效率高、無污染或少污染的特點，適用范圍非常廣，具有廣闊的發(fā)展前景[3]。超聲波氧化法是一種新興的綠色水處理技術(shù)，可以單獨使用，也可以與UV、H2O2、O3、電化學(xué)氧化等技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，可以顯示出更大的優(yōu)越性。

1.6 超臨界水氧化法

超臨界水氧化法是在溫度高于374℃、壓力大于22.1 MPa的條件下制得超臨界水，將其作為介質(zhì)來氧化分解有機物。超臨界水具有液態(tài)水和氣態(tài)水的雙重性質(zhì)，氣液相界面消失，成為一個均相體系，氧化反應(yīng)速度快。超臨界水同時也具備很好的擴散、傳遞性能，介電常數(shù)非常低，超臨界水氧化法是新型的污水處理技術(shù)，和濕式氧化法比較類似，但也存在一定的不同之處，在超臨界壓力以及溫度環(huán)境下，對有機物進(jìn)行降解，反應(yīng)速度非常快，且反應(yīng)器體積比較小，促使有效分離無機鹽，這樣能夠省去分離處理環(huán)節(jié)，還能夠產(chǎn)出工業(yè)用鹽，而濕式氧化技術(shù)是不具備的。雖然超臨界氧化技術(shù)的應(yīng)用前景十分廣闊，但對于高溫、高壓等基礎(chǔ)反應(yīng)條件及環(huán)境要求比較嚴(yán)格，在氧化環(huán)境下，金屬設(shè)備也比較容易被腐蝕。所以，在實際應(yīng)用過程中，逐漸引入了催化劑，比較常見的催化劑有CuO、CeO2等。如今，超臨界水氧化更加注重節(jié)能設(shè)計和裝置材料方面的深入研究，從而進(jìn)一步推動其工業(yè)化的應(yīng)用與發(fā)展[4]。

2 結(jié)語

社會經(jīng)濟(jì)在快速發(fā)展的同時，環(huán)境污染問題越來越突出，高級氧化技術(shù)是一種新型的污水處理技術(shù)，其因具備高效且降解徹底等優(yōu)勢，得到迅速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于污水處理領(lǐng)域中，并且受到了行業(yè)人士的高度重視，具有廣闊的發(fā)展前景。

高級氧化技術(shù)目前仍處于發(fā)展階段，其中部分技術(shù)在實施過程中，因為成本較高，且無法大規(guī)模應(yīng)用與實踐，因此，當(dāng)前高級氧化技術(shù)大多都是和傳統(tǒng)生物處理技術(shù)聯(lián)合使用，從而提升其自身實際處理效率，節(jié)省成本。只有不斷深入研究，加大研發(fā)力度，才能夠進(jìn)一步完善高級氧化技術(shù)，為我國社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。