高級氧化技術在醫(yī)療廢水處理中的應用

王楊楊 席北斗 常 明 李紹峰 王 雷1，

（1．桂林理工大學，廣西 桂林 541004；2．中國環(huán)境科學研究院，北京 100012；3．深圳職業(yè)技術學院，廣東 深圳 518055；4． 深圳市龍澄高科技環(huán)保（集團）有限公司，廣東 深圳 518000）

0 概述

隨著人口數量的增加和醫(yī)療水平的提高，在醫(yī)療過程中產生了大量難降解的有機污染物，給自然水體造成了嚴重的污染，然而僅利用生物方法進行處理，無法將復雜的分子進行分解，因此不得不進行高新技術的探索。

高級氧化技術（Advanced Oxidation Process，簡稱AOPs），是一種利用強氧化性自由基（·OH）來對難降解的有機污染物進行氧化降解的新型水處理方式。羥基自由基具有較高的氧化電位（E0=2.80V），可以將復雜的高分子有污染物機物礦化成小分子物質，不會對周圍環(huán)境產生二次污染。高級氧化技術不僅具有很好的調控性，還可以作為其他處理方案的預處理，可以有效去除水中難降解污染物并降低處理成本。該文所研究處理醫(yī)療廢水的高級氧化技術分為8 類。1）光化學氧化。2）濕式氧化。3）O3氧化。4）Fenton 氧化。5）電化學氧化。6）超聲氧化。7）微波輔助氧化。8）超臨界水氧化。

1 基礎氧化法

1.1 光化學氧化法

光化學氧化法是在紫外光的照射下，將強氧化劑（例如O3或H2O2）進行活化產生具有強氧化性的羥基自由基（-OH），利用其超強的氧化能力將難降解的有機污染物進行分解[1]。光化學氧化法具有能耗低、反應溫和等優(yōu)點，但是部分反應的速率和降解能力不足。

光催化氧化技術是從光化學氧化技術發(fā)展而來，光催化氧化技術具有更強的氧化能力，對難降解的有機污染物降解能力更強。目前，光催化氧化法常用的催化劑有二氧化鈦、氧化鋅、硫化鋅、四氧化三鐵和硫化鎘等。其中，二氧化鈦自1976年首次應用與光催化反應以來，直到現在依然是人們研究的熱點和重點。相比于其他催化劑，二氧化鈦具有眾多的優(yōu)點，例如日光和紫外光等都可作為其光源，空氣也可以作為其催化促進物。研究人員利用二氧化鈦作為催化劑在紫外光的照射下處理有機廢水，經過處理后，大分子有機物基本被氧化降解，廢水色度基本去除，處理后溶液中有機污染物的毒性得到明顯降低[2]。

通過對二氧化鈦進行物理化學改性（金屬摻雜等），發(fā)現其光催化性能得到一定提高。研究人員對二氧化鈦進行Ag摻雜實驗，與改性前相比，發(fā)現其可以提高催化性能50%左右。目前光催化氧化法未能廣泛應用于工業(yè)生產主要是因為3 個問題。1）光催化劑催化效率低。2）反應器的設計缺陷。3）光能利用率。如果這些問題得到解決，光催化氧化技術將在醫(yī)療廢水處理領域具有廣闊的應用前景。

1.2 濕式氧化法

濕式氧化法（WAO）是在高溫、高壓的條件下，將空氣中的氧氣作為氧化劑，將水體中的有機物進行分解。濕式氧化法主要分為受氧的傳質控制階段和受反映動力學的控制階段。濕式氧化法的機理為：自由基的生成、自由基分子的相互作用以及自由基的穩(wěn)定化。濕式氧化法已經廣泛應用于高濃度有機污染物的廢水和活性污泥的處理，不僅可以減少廢水中有機污染物的含量，也為后續(xù)污泥的處理進行減量化。

催化濕式氧化法是從濕式氧化法的基礎上發(fā)展而來的，主要是催化劑的添加可以降低降低反應的活化能，進而提高自由基的生成和反應速率，加速有機污染物的分解[3]。研究人員利用過渡金屬作為催化劑，對廢水中的苯酚類有機污染物進行催化氧化，在60 min 的反應時間內，污染物的去除率接近100%[4]。

1.3 O3氧化法

O3氧化法是目前常用的一種醫(yī)療廢水預處理方法，不僅可以利用O3本身較強的氧化還原電位（E0=2.07V），直接攻擊氧化有機污染物，還可以進行鏈式反應，生成具有強氧化性的羥基自由基參與降解有機污染物。但是，O3氧化技術具有一定的局限性，例如造價和處理成本較高、選擇性強、具有不穩(wěn)定性等缺點，因此需要與其他方法進行聯(lián)用以解決其缺點。近年來，隨著O3氧化法的不斷發(fā)展，出現了紫外/臭氧，雙氧水/臭氧等組合方式，不僅可以解決單獨利用O3氧化法成本高的缺點，還可以對難降解的有機污染物進行有效降解。

O3氧化法在堿性和催化劑的條件下可以去除廢水色度85%以上，其次對COD 也有很好的去除效果[5]。同時，研究人員利用臭氧/雙氧水和臭氧/錳聯(lián)用工藝對硝基苯進行氧化降解，發(fā)現與單獨使用臭氧氧化工藝相比，去除效率提高50%以上。在臭氧/雙氧水體系中，添加雙氧水可以增加溶液中羥基自由基的濃度，可以有效地對溶液中的有機物進行氧化。紫外/臭氧技術和紫外/臭氧技術/雙氧水技術已經廣泛應用于高濃度廢水處理，對某些有機污染物具有良好的處理效果。目前，存在2 點問題亟待解決。1）臭氧在水中的溶解度低。2）臭氧的造價高。隨著這些問題的逐步解決，臭氧氧化技術在醫(yī)療廢水處理領域已經擁有廣泛的應用前景和經濟價值。

2 高級氧化技術

2.1 Fenton氧化法

Fenton 氧化法是在強酸性條件下，利用H2O2與Fe2+進行反應，產生羥基自由基對有機污染物進行氧化[6]。由于H2O2的經濟性較低，一般要配合其他方法進行聯(lián)用[7]，不僅可以有效降低H2O2的使用，還可以提高醫(yī)療廢水中COD的去除效率。Fenton 氧化技術具有成本低、操作簡單以及降解效率高等特點，但也有眾多的不足。

近年來，通過將紫外光、其他過渡金屬等技術方法引入到Fenton 體系中，不僅可以提高有機污染物的降解率和去除速率，還可以提高Fenton 試劑的利用率，降低廢水的處理成本。研究人員通過分析發(fā)現，鈷離子和銅離子對雙氧水的催化能力遠遠大于二價鐵離子。另外，研究表明通過加入紫外光，大大加快了Fenton 和有機物的反應速率，有機物的降解更為徹底。

由于Fenton 氧化反應在反應過程中會生成大量的鐵離子，對周圍水環(huán)境造成二次污染。因此，引起了人們的廣泛關注，利用生物炭、活性炭以及膨潤土等作為鐵的載體，不僅僅可以減少溶液中鐵離子的釋放，也可以吸附廢水中的有機污染物，加速Fenton 反應的速率。

2.2 電化學氧化法

電化學氧化法是一種新型氧化技術，在電催化或者電場作用下，產生具有強氧化性的自由基將廢水中的有機污染物進行氧化分解，其可以分為陽極氧化工藝、陰極還原工藝和陰陽兩極協(xié)同工藝。陽極氧化工藝主要依靠在陽極表面上，水分子放電產生的羥基自由基的氧化作用，羥基自由基將陽極上吸附的有機污染物進行氧化分解。陰極還原工藝指的是在適當的陰極電位下，選擇合適的陰極材料，利用陰極還原反應使O2還原為具有氧化活性的H2O2，以此來氧化分解有機污染物。陰陽兩極協(xié)同工藝是在前2 種工藝的基礎上對化學反應器的合理設計，以達到陰陽兩極的協(xié)同作用。研究人員通過對化學反應器的合理設計，利用陰陽兩極的協(xié)同工藝處理苯酚有機污染物，苯酚的氧化分解速率可以提高10%以上。

電化學法未能廣泛推廣應用，主要是受到電極材料的限制。良好的電極材料可以提高有機物的降解速率，降低反應過程中的電能消耗。隨著科技的發(fā)展，各種催化性能和穩(wěn)定性更強的新型陽極材料被研發(fā)出來。其中，鈦基噴涂催化劑涂層電極的出現，克服了傳統(tǒng)電極存在的缺點，被廣泛應用。研究人員利用光電協(xié)同處理有機污染物廢水，與單獨處理有機污染物相比，協(xié)同處理的效率提高100%[8]。

2.3 超聲氧化法

超聲氧化法是一種新興的水處理技術，主要是利用16 kHz～1 MHz 頻率的超聲波對廢水進行處理，其會引起許多物理化學變化，例如產生雙氧水和羥基自由基。利用超聲空化技術可以將廢水中的有機污染物進行氧化，分解成小分子，是一種高效清潔無污染的水處理方法。由于超聲氧化技術起步較晚，目前仍停留在實驗室階段，在工業(yè)化進程中仍然有2 個問題需要解決。1）超聲反應器的設計。2）加快自由基的產生速率。

2.4 微波輔助氧化法

微波輔助氧化法是利用微波電磁場對水體中的極性分子產生高速的螺旋碰撞而產生的熱效應，同時液體中的許多磁性物質可作為催化劑參與誘導化學反應[9]。微波輔助氧化法利用活性炭等催化劑可以有效地 去除廢水中的COD，去除率接近100%[10]。微波輔助氧化法的缺點是運行成本高，不利于推廣。

2.5 超臨界水氧化法

超臨界水氧化法是利用溫度為374℃、壓力為22.1 MPa的超臨界水作為介質來氧化分解有機物[11]。在這一反應體系中氣液界面消失成為均相體系，有機物的氧化速度極快。利用超臨界水氧化技術，將H2O2作為氧化劑，對廢水中多氯聯(lián)苯化合物的去除率可達100%[12]。但是超臨界水氧化技術對設備的要求較為嚴格，同樣存在運行費用較高的缺點，實際運行過程中存在的技術問題較多，不利于其推廣。

3 結語

相較于國外，國內高級氧化技術起步較晚，基礎較弱，但是經過近10年的高速發(fā)展，高級氧化技術進步迅速，在我國的眾多水處理方面扮演著重要的角色。相較于傳統(tǒng)的水處理工藝，高級氧化技術作為一種新型的水處理技術，擁有眾多不可比擬的優(yōu)勢，例如在可適性、高效性和無污染等方面與傳統(tǒng)處理工藝相比有明顯的優(yōu)勢，擁有廣泛的應用前景。在國外，尤其是發(fā)達國家，高級氧化處理醫(yī)療廢水早已經得到廣泛應用。但是，由于其處理成本較高，在我國醫(yī)療廢水處理的全過程進行推廣還存在一定的困難。光化學氧化、濕式氧化、O3氧化、Fenton 氧化、電化學氧化、超聲氧化、微波輔助氧化以及超臨界水氧化等高級氧化技術均被應用于醫(yī)療廢水的處理之中，但是由于技術的缺陷無法實現工業(yè)化。另外，單一的處理技術對醫(yī)療廢水處理具有一定的局限性，因此高級氧化技術和其他水處理技術聯(lián)用是我國現階段最合適的醫(yī)療廢水的處理方式。