超聲活化過硫酸鹽降解廢水中有機(jī)污染物的研究進(jìn)展

張楠，陳蕾

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 南京 210037)

1 超聲活化過硫酸鹽降解有機(jī)污染物的機(jī)理

1.1 超聲作用機(jī)理

1.2 超聲波-過硫酸鹽(US-PS)系統(tǒng)的機(jī)理

2 對有機(jī)污染物的去除效果

2.1 “US-PS”組合對污染物的去除效果

超聲空化已單獨(dú)應(yīng)用于消除水溶液中選定的有機(jī)污染物[15]。超聲引起的空化、高溫和高壓有可能通過O—O鍵的斷裂來活化過硫酸鹽[9]。

一般而言，“US-PS”組合的去除率明顯高于超聲波或過硫酸鹽單獨(dú)處理。此外，與單獨(dú)使用超聲波和過硫酸鹽相比，該組合體系顯著加快了有機(jī)化合物的反應(yīng)過程。值得一提的是，我們單獨(dú)對大多數(shù)有機(jī)物比單一的過硫酸鹽氧化更有效。與單一過硫酸鹽和超聲波單獨(dú)使用時相比，在使用US-PS組合去除1,1,1-三氯乙烷時的效果更好，去除率更高[11]；在單獨(dú)采用超聲或單獨(dú)過硫酸鹽處理廢水，且過硫酸鹽濃度為0.5～3 mmol/L和超聲聲強(qiáng)為0.22～0.54 W/cm2的條件下，在60 min時，甲基橙的最大降解率分別為52.22%和16.7%，而采用US-PS工藝處理60 min時，甲基橙的最大降解率則達(dá)到了87.38%，比單獨(dú)采用US和PS技術(shù)分別提高了70.68%和35.16%[16]；單用使用過硫酸鹽降解5 mg/L雙氯芬酸的實驗表明，過硫酸鹽對雙氯芬酸是一種不良氧化劑，因為雙氯芬酸的去除率從未超過2%[9]，而當(dāng)使用單次超聲波時，由于不同反應(yīng)均會生成反應(yīng)自由基，因此雙氯芬酸的去除率達(dá)到了58%[9]，這一結(jié)果可歸因于聲化學(xué)空化效應(yīng)的熱分解和·OH氧化的結(jié)合[11]；通過超聲活化過硫酸鹽體系表現(xiàn)出的顯著的協(xié)同效應(yīng)，使得全氟辛烷硫酸鹽(PFOS)的降解速率比單獨(dú)超聲和單獨(dú)過硫酸鹽體系降解速率之和提高了4.77倍[17]。

不同有機(jī)物通過超聲、過硫酸鹽以及US-PS聯(lián)合進(jìn)行處理的條件參數(shù)以及去除效果見表1。

表1 US和PS對有機(jī)污染物去除的協(xié)同效應(yīng)Table 1 Synergistic effect of US and PS on removal of organic pollutants

2.2 超聲活化法與其他活化方式的對比

表2介紹了不同活化過硫酸鹽的方法對水中甲基橙的去除效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，紫外線活化和超聲活化的去除率最高，去除效果較好，但UV活化的過硫酸鹽在污染物處理中持久性較差，并且該方法工程實施比較困難，因此其不適用于直接處理被有機(jī)物污染的土壤和地下水[21]。而超聲活化過硫酸鹽對有機(jī)污染物處理的持久性較好，并且對環(huán)境也比較友好，因此其在未來水處理的研究及應(yīng)用上具有廣闊的前景。

表2 過硫酸鹽的不同活化方式對甲基橙的去除效果Table 2 Removal of methyl orange by different activation methods of persulfate

3 超聲活化過硫酸鹽在水處理中的應(yīng)用

3.1 垃圾滲濾液的處理

付冬彬等采用超聲聯(lián)合熱活化PS的技術(shù)處理垃圾滲濾液，滲濾液取自西南某垃圾填埋場。付冬彬等同時還通過對處理前后垃圾滲濾液的色度、COD、以及UV254進(jìn)行測定，以此來分析可能會影響該體系處理垃圾滲濾液效果的影響因素。除此之外，利用上述指標(biāo)，還對超聲聯(lián)合熱活化PS技術(shù)對垃圾滲濾液的處理效果進(jìn)行了分析。

結(jié)果表明，與單獨(dú)利用US或者PS對滲濾液進(jìn)行處理相比，US-熱-PS的聯(lián)合處理工藝對垃圾滲濾液的色度、COD、NH3-N以及UV254的去除效果要更好。 由于高溫有利于激活PS，因此隨著溫度的升高，滲濾液中各種污染物的去除效率能夠提高。 PS用量的增加也可以提高滲濾液的處理效果，因為其可以使得整個反應(yīng)體系中硫酸根自由基的含量得到增加。此外，反應(yīng)過程中pH值增加時，該體系對滲濾液的COD、UV254以及顏色的去除會明顯下降，因為溶液中的OH-會與硫酸根自由基反應(yīng)，從而減少了滲濾液中硫酸根自由基的含量。但是由于水中游離的氨在堿性條件下更容易溢出，因此，隨著pH的升高，NH3-N的去除效率會得到提高[24]。

3.2 去除水中典型嗅味

孫昕等在超聲頻率為40 kHz的實驗條件下，研究了超聲活化過硫酸鹽的高級氧化技術(shù)對典型致嗅物質(zhì)2-MIB和GSM的氧化效果，并分析了可能影響實驗效果的因素。

實驗結(jié)果顯示，單獨(dú)采用過硫酸鹽或者超聲技術(shù)處理水中典型嗅味的效果較差，基本上不能去除水中的典型致嗅物質(zhì)。但是US/PS聯(lián)合處理技術(shù)針對典型嗅味則可以在短時間內(nèi)達(dá)到比較理想的去除效果。該技術(shù)對致嗅物質(zhì)的去除主要是通過硫酸根自由基和羥基自由基的共同作用實現(xiàn)的，且在酸性和中性條件下，硫酸根自由基是降解典型嗅味的主力軍。在處理低濃度(100 ng/L)典型致嗅物質(zhì)時，利用US/PS 聯(lián)用工藝能夠達(dá)到更高的去除率，且隨著超聲波聲強(qiáng)以及過硫酸鹽投加量的增加，體系反應(yīng)速率也會隨之增加。除此之外，原水中的腐殖酸會對典型致嗅物質(zhì)降解起到一定的抑制作用，但其影響效果較小[25]。

3.3 染料廢水的處理

尹翠琴等利用沸石載鈷活化劑催化過硫酸鹽對橙黃П染料廢水進(jìn)行了處理，除此之外，還利用超聲波對廢水進(jìn)行了處理，研究了該種工藝對橙黃П染料廢水的降解效果。

通過實驗最終發(fā)現(xiàn)：向初始濃度為100 mg/L的染料橙黃П廢水中加入2 g鈷負(fù)載量為5%沸石載鈷活化劑對廢水進(jìn)行活處理，在處理60 min時達(dá)到最佳的效果，此時對橙黃П染料的去除率可以達(dá)到96%。此外，若在利用沸石載鈷活化劑催化過硫酸鹽的過程中加入超聲波，在反應(yīng)進(jìn)行10 min時便可達(dá)到93%的去除率，因此超聲條件對該反應(yīng)起到了強(qiáng)化的作用。未來在處理染料廢水時可以考慮采用該工藝[26]。

3.4 含二甲基甲苯廢水的處理

Chen等結(jié)合過硫酸鹽陰離子和超聲輻射進(jìn)行了廢水中二硝基甲苯(DNTs)的氧化降解，觀察到了協(xié)同作用。進(jìn)行了分批實驗以闡明各種操作參數(shù)對超聲活化過硫酸鹽氧化的影響，包括超聲功率強(qiáng)度，過硫酸鹽陰離子濃度，反應(yīng)溫度和廢水的酸度。

結(jié)果顯示，利用超聲活化過硫酸鹽氧化技術(shù)處理廢水，其中的二硝基甲苯(DNTs)主要是被硫酸根所破壞，通過添加硫酸鈉可以顯著提高其含量。在超聲功率強(qiáng)度126 W/cm2，45 ℃和過硫酸根陰離子濃度的質(zhì)量百分比為 2%的條件下可以達(dá)到最佳的處理效果，幾乎可以完全消除硝基甲苯。超聲輻射活化的過硫酸鹽技術(shù)是一種潛在的處理廢水中硝基甲苯的方法[27]。

4 結(jié)論與展望

本文綜述了近年來有機(jī)物的聲活化過硫酸鹽氧化的研究進(jìn)展，與單獨(dú)使用超聲波或者過硫酸鹽處理有機(jī)污染物相比，超聲波和過硫酸鹽聯(lián)合使用時的去除率更高，反應(yīng)時間更短?？偟膩碚f，超聲波活化過硫酸鹽氧化法是一種很有前途的難降解有機(jī)廢水處理技術(shù)，但其目前的研究還不夠深入，未來應(yīng)在以下方面加強(qiáng)研究：

(1)目前國內(nèi)外對超聲波活化PS氧化的降解機(jī)理研究還很有限，US-PS體系的降解機(jī)理十分復(fù)雜，再加上有機(jī)物本身的復(fù)雜性，因此單用自由基不能解釋該體系的降解機(jī)理，因此還需要更深入的研究來更好地理解其降解機(jī)理。

(2)未來應(yīng)利用生物毒性、BOD5等生物有效性指標(biāo)，針對中間產(chǎn)物的生物有效性進(jìn)行進(jìn)一步生物處理的綜合評價。

(3)目前國內(nèi)對超聲活化過硫酸鹽的研究以及應(yīng)用還較少，未來應(yīng)加強(qiáng)對其的研究以及應(yīng)用，將實驗研究運(yùn)用到實際工程中。