臭氧氧化技术在饮用水深度水处理中的应用
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摘要：概述了臭氧氧化工艺的原理，介绍了单独臭氧氧化、催化臭氧氧化工艺在水处理中的研究现状。分析并指出了臭氧氧化工艺研究的热点及今后的主要发展方向。
水是基础性自然资源，又是战略性经济资源，21世纪全球可持续发展所面临的“人口、资源、环境”三大问题，无一不与水的问题息息相关。近年来，随着工业发展和城市化进程的加快以及农用化学品种类和数量的增加，我国大部分城镇饮用水源水已受到不同程度的污染。据相关文献报道，我国七大重点流域地表水普遍受到污染，且以有机污染为主，其中I到III类水体占45.1%，IV类和V类水体占22.9%，劣V类水体占32.0%[1]。
常规的饮用水处理工艺对水体中有机污染物的去除效果通常比较差。为了解决饮用水体中有机污染物的问题，近年来，国内外许多研究者提出了多种强化去除水体中有机污染物的技术。化学氧化技术作为一种有效的废水处理手段，目前已发展成饮用水深度处理工艺过程中一个必不可少的单元过程。化学氧化技术去除水体中有机物的方法主要是利用强氧化剂分解水中的有机污染物，使之转变成诸如H2O, CO2和无机盐等无害的无机化合物，彻底实现水体中污染物的完全去除和矿化。具有除污染效果好，适应范围广，应用相对较多等特点。目前能够用于饮用水深度处理的氧化剂主要有氯、二氧化氯、高锰酸钾、过氧化氢和臭氧，而使用臭氧和以臭氧为基础的高级氧化工艺作为化学氧化的手段是水处理技术发展的必然趋势[2]。
单独臭氧氧化
臭氧具有极强的氧化能力和杀菌能力，对不饱和键和苯环上电子云密度大的位置具有较强的氧化能力。自1906年法国Nice第一座以臭氧氧化作为饮用水处理工艺的水厂投入运行以来，臭氧氧化技术在水处理中的应用已有100多年历史[3]。
臭氧一般通过两种途径与水体中的有机污染物发生反应。一是通过亲核或亲电作用，臭氧能够直接与有机物反应；二是臭氧在碱等一系列因素的作用下分解，产生强氧化性的羟基自由基，羟基自由基是目前已知的水中最强的氧化剂，其氧化电位达2.8V，羟基自由基没有选择性，对水中几乎所有的有机物都可发生瞬时的氧化作用。O3的直接反应具有较强的选择性，一般进攻具有双键的有机物；而O3分解产生羟基自由基同有机物进行的间接反应一般没有选择性。
催化臭氧氧化
采用O3直接氧化痕量有机物，其去除率和臭氧的利用率通常比较低[4]。单独依靠臭氧本身在水中分解产生的羟基自由基来氧化水中的有机物在理论上是可行的，但是使臭氧完成绝大部分的分解需要较长的时间，这就要求反应器的体积很大。因此，在工艺选择时可以考虑采用一些强化手段，提高臭氧氧化工艺中羟基自由基的生成量，从而提高水体中痕量有机污染物的去除效能。
沈吉敏等研究者[5]在单独臭氧氧化工艺中加入一定量的H2O2，实验结果表明，H2O2的加入能够显著提高O3氧化对饮用水水体中痕量对氯硝基苯的去除效能。Merlea等研究者[6]采用活性炭催化臭氧氧化技术去除水体中痕量的硝基氯苯，研究结果表明，活性炭能加速臭氧分解产生・OH从而提高水体中硝基氯苯类物质的去除效能。Contreras等研究者[7]分别运用O3/UV，UV+Fe（III）和O3/UV/Fe（III）三种工艺去除水体中痕量的硝基苯，实验结果发现与前两种工艺相比O3/UV/Fe（Ш）能很好的提高硝基苯的矿化度。张涛等研究者[8]采用FeOOH催化臭氧氧化技术去除水体中痕量的硝基苯，并对FeOOH催化臭氧氧化硝基苯的降解机理进行了研究。实验结果表明与单独臭氧氧化相比FeOOH催化臭氧氧化能明显的提高硝基苯的去除效能，并指出FeOOH的催化效能与FeOOH表面的羟基含量有关，FeOOH的表面羟基能够加速臭氧分解产生具有强氧化能力的羟基自由基，从而加速了水体中硝基苯的去除效率。叶苗苗等研究者[9]采用TiO2光催化臭氧氧化技术氧化水体中痕量对氯硝基苯，研究结果发现TiO2光催化臭氧氧化技术可以在60 min内有效矿化去除水体中的对氯硝基苯。
三、小结
综上所述，使用臭氧和以臭氧为基础的高级氧化技术作为一门新型有效地废水处理技术，具有氧化能力强、氧化过程无选择性、反应彻底等优点。尤其是近年来，随着臭氧氧化催化剂的研发，氧化动力学与反应机理的深入探讨、新型反应器与高效臭氧发生器的研制等热点问题研究的逐步深入，臭氧氧化技术已经在饮用水深度水处理领域显示了良好的应用前景。但是与传统的水处理技术相比，还存在反应条件要求高，氧化剂消耗量大，处理成本高等一系列问题，因此为了使臭氧氧化工艺在水处理工艺中广泛的推广使用还需要从以下几个方面做进一步深入研究：
1.实验方面，目前大多说的研究仅处于实验室研究阶段，主要是以小分子的有机酸为去除的目标污染物进行模拟废水试验研究，因此需对实际废水做进一步的研究，逐步实现臭氧氧化工艺的工业化。
2.催化机理方面，对于催化剂催化臭氧氧化去除水体中有机污染物的机理，不同的研究者对于不同的催化剂、不同的目标污染物和不同的水质背景往往有不同的推测结论，因此寻找催化剂的表面性质、催化剂的催化活性和目标物的化学性质之间规律性的认识，对于筛选高催化活性的金属氧化物催化剂具有重要的意义。
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