臭氧催化氧化技术在废水处理中的应用

作者:袁辉志;李波;刘婷婷;潘咸峰;黄斌; 刊名:齐鲁石油化工 上传者:蔡俊锋

【摘要】综述臭氧催化氧化的原理,并对臭氧催化氧化技术中的固相催化臭氧氧化、UV/臭氧催化氧化技术应用于废水处理的原理和研究进展进行了介绍,分析了臭氧催化氧化技术的不足之处及未来发展方向。

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近年来,为控制水污染,保障人体健康,维护生态平衡,我国污水排放标准更加全面和严格,各行业也对污染物排放指标进行了限定,如石油化工工业污染物排放标准(GB 31571—2015)中,除COD、总氮、氨氮和总磷的基本指标外,还增加了总有机碳的考核指标,这就需要污水厂增加深度处理工艺以确保出水各项指标满足排放标准。在废水深度处理领域,难降解有机物的有效去除是环保工作者面对的一大难题。废水经二级生化处理后,出水有机物浓度已较低,但剩余的有机物均为难生物降解有机物,采用常规的生化工艺难以去除,尤其是石油化工企业,其生产过程往往涉及数千种原料、产品及中间产品,导致废水中的污染物种类繁多,处理难度更大。 臭氧(O3)长期以来就被认为是一种有效的氧化剂和消毒剂,臭氧氧化技术具有氧化能力强、脱色效果好、无二次污染、占地面积小、工程化应用广的优点,在废水深度处理领域得到广泛应用。但是单纯使用臭氧氧化法处理废水存在臭氧利用率低、氧化能力不足及臭氧含量低等缺点。为此,近年来发展了多种提高臭氧氧化效率的组合技术,其中固相催化臭氧氧化、紫外(UV)/臭氧催化氧化等技术可以提高氧化速率,有效降解单独臭氧难以氧化降解的有机物,增加污水处理深度。 1 反应机理 水中臭氧的变化很复杂,迄今为止,人们一般认为,投加到水中的臭氧往往有3种去向:单纯物理上的逸出,臭氧与水中溶质的直接氧化反应和臭氧的分解反应(包括各类自由基反应),如图1所示。在臭氧氧化过程中,臭氧直接与水中某些杂质的氧化反应速度是相当快的。在臭氧的脱色和除嗅过程中,起主要作用的往往是臭氧的直接氧化反应,这主要是因为在水体中产生色度和嗅味的往往是一些含硫和偶氮类化合物,而臭氧对它们的反应选择活性较高。 图1 臭氧在水中可能所起的反应 M—溶质;Sj—自由基猝灭剂;?—自由基猝灭产物 臭氧在水中的分解反应较为复杂,它的分解机理则会随着水体性质的不同而不同。Weiss J等[1]研究发现,水中臭氧的分解速度随着体系pH值的增大而加快。Gorbenko-Germanov D S等[2]发现臭氧在碱性溶液中会产生O-3。而且,水中臭氧在分解时则会产生·OH和HO2·等自由基。·OH的氧化能力(2.80 V)仅次于氟(2.87 V),常见的氧化剂标准氧化电位见表1,能够无选择地直接与废水中的有机物反应,将其降解为CO2、H2O。 Staehelin J等[4]在前人的研究工作基础之上,专门对臭氧在不同水体中的分解行为作了较为详细的研究,并提出了相应的分解机理。臭氧在水中的分解反应属于产生自由基的链反应过程。其链引发的反应物主要有2类:一是水中OH-与臭氧反应生成·O-2和HO2·;二是水中杂质引发臭氧分解产生另外一些自由基(O-3, HO3·, ·OH)。链反应的传递反应主要是通过杂质与·OH反应生成·O-2,因为臭氧与·O-2反应的速率要比·OH大得多,这样就进一步促进了臭氧的分解。因此,虽然·O-2和HO2·氧化反应的能力较弱,但它们能促使臭氧分解生成·OH,从而在整个氧化过程起到了极其重要的作用。当然,由于水中也会有一些杂质与·OH反应不会生成·O-2,这样就会导致链终止反应,常见的有HCO-3、 CO和叔丁醇等。因此人们在臭氧氧化降解有机物时,为了研究臭氧氧化过程的降解机理,往往选择上述几种物质来考察·OH在整个过程中的作用。 因此,臭氧氧化降解有机物的机理有2种:①直接氧化,即臭氧直接同有机物反应;②间接氧化,即臭氧分解产生·OH与有机物反应。臭氧在水溶液中可与OH-反应生成·OH,通过·OH与有机物进行氧化反应。

参考文献

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