水污染控制化學(xué)中高級(jí)氧化技術(shù)的研究及其發(fā)展

張麗萍

（秦皇島排水有限責(zé)任公司第二污水處理廠，河北秦皇島 066000）

水污染控制是我國(guó)實(shí)施環(huán)境保護(hù)計(jì)劃的重點(diǎn)內(nèi)容之一，同時(shí)也是難點(diǎn)。由于水源具有流動(dòng)性的特點(diǎn)，僅采取靜態(tài)控制的方法無(wú)法達(dá)到預(yù)期的控制效果，而高級(jí)氧化技術(shù)的引入，可以有效提高水污染控制效果，所以應(yīng)當(dāng)逐步推廣，最終實(shí)現(xiàn)普及應(yīng)用。不同于傳統(tǒng)的治理技術(shù)，高級(jí)氧化技術(shù)是基于氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)污染控制目標(biāo)的，整個(gè)治理過(guò)程不會(huì)對(duì)水源造成過(guò)大的污染，而且該治理技術(shù)最大優(yōu)勢(shì)在于可以滿足水污染流動(dòng)性的特征。置入水源的氧化劑會(huì)隨著水的流動(dòng)而擴(kuò)散，直至氧化還原反應(yīng)將氧化劑消耗完畢。高級(jí)氧化技術(shù)可以直接將水源中的污染物質(zhì)礦化，并將其降解為二氧化碳、水等無(wú)機(jī)物，從而實(shí)現(xiàn)降低污染物毒性的目標(biāo)。就目前國(guó)內(nèi)外治污現(xiàn)狀來(lái)看，主流的高級(jí)氧化技術(shù)有化學(xué)氧化、濕式氧化、光催化氧化以及超臨界氧化等。根據(jù)不同的污染類型，各種氧化技術(shù)的污染控制效果也存在一定不同。

1 高級(jí)氧化技術(shù)

高級(jí)氧化技術(shù)又稱做深度氧化技術(shù)，以產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化能力的羥基自由基(·OH)為特點(diǎn)，在高溫高壓、電、聲、光輻照、催化劑等反應(yīng)條件下，使大分子難降解有機(jī)物氧化成低毒或無(wú)毒的小分子物質(zhì)。根據(jù)產(chǎn)生自由基的方式和反應(yīng)條件的不同，可將其分為光化學(xué)氧化、催化濕式氧化、聲化學(xué)氧化、臭氧氧化、電化學(xué)氧化、Fenton氧化等[1]。

1.1 臭氧氧化

作為目前主流的高級(jí)氧化技術(shù)，臭氧氧化技術(shù)的水污染控制效果較好，主要應(yīng)用于飲用水處理領(lǐng)域，臭氧本身作為一種強(qiáng)氧化劑，在和水反應(yīng)的過(guò)程中可以生成大量的羥基自由基，從而達(dá)到消毒的目標(biāo)。在經(jīng)過(guò)技術(shù)研究和方案改革后，現(xiàn)階段主要使用過(guò)氧化氫聯(lián)合臭氧治污[2]。其中，過(guò)氧化氫作為催化劑使用，主要目的是提高氧化還原反應(yīng)的速率。

1.2 光催化氧化

1976年，光催化氧化正式被提出并應(yīng)用于水污染控制領(lǐng)域，該氧化技術(shù)主要利用具有光敏特性（表現(xiàn)為對(duì)紫外線敏感）的催化劑實(shí)現(xiàn)氧化還原反應(yīng)，從而達(dá)到控制污染物質(zhì)的目標(biāo)[3]。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果顯示，現(xiàn)階段主要使用二氧化鈦?zhàn)鳛榇呋瘎?，該試劑的活性?qiáng)，當(dāng)外部光源照射到二氧化鈦的表面之后，其分子表面就會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，而空穴具有極強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)活性，在吸附到水分子或者氫氧離子之后就會(huì)產(chǎn)生羥基自由基，將水源中的污染物質(zhì)進(jìn)行礦化，促使其轉(zhuǎn)化成為二氧化碳或水等無(wú)機(jī)物質(zhì)。就光催化氧化技術(shù)來(lái)說(shuō)，由于反應(yīng)條件的限制，以及氧化反應(yīng)過(guò)程中具體氧化速率難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，目前只應(yīng)用于較難降解污染物質(zhì)的處理上，對(duì)其他類別污染物質(zhì)的降解效果并不理想[4]。

1.3 濕式氧化

濕式氧化可以處理的廢水類別較為寬泛，可以實(shí)現(xiàn)良好的水污染控制效果，是目前主流的高級(jí)氧化技術(shù)之一。濕式氧化主要利用高溫高壓環(huán)境，借助氧氣或者空氣實(shí)現(xiàn)氧化反應(yīng)，并將水源中污染物質(zhì)進(jìn)行降解的一種技術(shù)手段。只要滿足反應(yīng)溫度和壓強(qiáng)的要求，就可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物質(zhì)的處理，且不會(huì)對(duì)水源造成任何污染[5]。但是根據(jù)相關(guān)調(diào)研報(bào)告顯示，濕式氧化需要達(dá)到預(yù)期的環(huán)境條件才能實(shí)現(xiàn)氧化還原反應(yīng)，而為了達(dá)到環(huán)境的需求，需要配置高端的設(shè)備，其成本過(guò)高，造成無(wú)法實(shí)現(xiàn)大范圍普及應(yīng)用[6]。

基于成本問(wèn)題，也考慮到濕式氧化確實(shí)具有顯著的治污效果，催化濕式氧化技術(shù)成為了代替濕式氧化技術(shù)的手段，該技術(shù)在濕式氧化技術(shù)的基礎(chǔ)上加入了催化劑，促使整個(gè)氧化還原反應(yīng)能夠在更短的時(shí)間內(nèi)完成，從而降低了反應(yīng)期間對(duì)設(shè)備造成的腐蝕和損害。和傳統(tǒng)濕式氧化技術(shù)相比，增加催化劑可以在保證污染處理效果的同時(shí)有效降低成本。

1.4 超臨界水氧化

超臨界水氧化利用了水在不同溫度、不同壓強(qiáng)狀態(tài)下的特性。當(dāng)水處于臨界點(diǎn)，即374 ℃，22.1 MPa時(shí)，會(huì)具有良好的傳熱和傳質(zhì)特性，可以作為一種良性反應(yīng)介質(zhì)使用，該技術(shù)主要應(yīng)用于對(duì)有機(jī)廢水的處理上。超臨界水氧化是廢物在超臨界水中發(fā)生氧化反應(yīng)從而將其去除，由于是在高溫高壓下進(jìn)行的反應(yīng)，整體反應(yīng)速率極快，有機(jī)物可以完全被轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水、無(wú)機(jī)鹽等小分子化合物，不形成二次污染，且經(jīng)超臨界氧化后的廢水可完全回收利用[7]。

目前，國(guó)際上一些國(guó)家已經(jīng)完成了超臨界水氧化的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并正式將該技術(shù)手段應(yīng)用于小型廢水處理站。和濕式氧化類似，超臨界水氧化同樣需要考慮到設(shè)備的腐蝕以及反應(yīng)器堵塞和維保成本過(guò)高等問(wèn)題。對(duì)超臨界水氧化技術(shù)而言，需要進(jìn)一步研究反應(yīng)特性，不斷優(yōu)化技術(shù)方案，確保水源中污染物質(zhì)被完全清除的同時(shí)，并控制整個(gè)處理成本在一個(gè)合理的范圍。

2 高級(jí)氧化技術(shù)發(fā)展前景

2.1 多種技術(shù)手段聯(lián)合使用

作為高級(jí)氧化技術(shù)手段而言，借助單一技術(shù)手段開(kāi)展水污染治理工作的效果可以達(dá)到預(yù)期，但是隨著有關(guān)高級(jí)氧化技術(shù)的研究工作不斷深入，也為了進(jìn)一步提高水污染治理的效果，開(kāi)始需要將兩種及以上高級(jí)氧化技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合使用[8]。

為了達(dá)到更好的水污染治理效果，在制定治理方案的時(shí)候還是要深入研究不同種高級(jí)氧化技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。其中，治污方案的制定，以及高級(jí)氧化技術(shù)的選擇，均需要按照水污染的程度來(lái)決定。對(duì)污染面積較大，但是污染程度較輕的水源而言，可以采用濕式氧化技術(shù)為主，并結(jié)合臭氧氧化技術(shù)進(jìn)行治理；對(duì)于含有較多污染成分的水源來(lái)說(shuō)，則要圍繞超臨界水氧化技術(shù)設(shè)計(jì)治理方案，輔助氧化技術(shù)可以采用臭氧氧化技術(shù)或者光催化氧化技術(shù)。

2.2 反應(yīng)條件逐漸簡(jiǎn)化

作為治理水污染的可靠技術(shù)手段，高級(jí)氧化技術(shù)具有顯著的治理效果，而該技術(shù)未來(lái)發(fā)展的一個(gè)主要趨勢(shì)就是氧化反應(yīng)的條件會(huì)逐漸簡(jiǎn)化，尤其是對(duì)于需要催化劑才能實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的高級(jí)氧化技術(shù)[9]。

諸如超臨界水氧化技術(shù)，以及光催化氧化技術(shù)等，此類高級(jí)氧化技術(shù)的反應(yīng)條件較為復(fù)雜，但是在反應(yīng)條件滿足的前提下，水污染處理效果能夠達(dá)到預(yù)期。而在反應(yīng)過(guò)程中，除需要催化劑支持以外，對(duì)溫度、濕度也同樣有著較高的要求，所以高級(jí)氧化技術(shù)未來(lái)發(fā)展的前景之一就是反應(yīng)條件的簡(jiǎn)化，通過(guò)不斷的研究和實(shí)驗(yàn)，研制出催化速率更高的催化劑。而溫度、濕度等條件，則主要通過(guò)對(duì)反應(yīng)流程進(jìn)行簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)。在現(xiàn)有氧化還原反應(yīng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)反應(yīng)流程進(jìn)行簡(jiǎn)化，確保降低溫度和濕度對(duì)氧化還原反應(yīng)速度的影響[10]。需要注意的是，為保障水污染治療效果達(dá)到預(yù)期，在簡(jiǎn)化反應(yīng)流程，或者優(yōu)選催化劑的時(shí)候，要采取動(dòng)態(tài)把控措施，實(shí)時(shí)觀察氧化反應(yīng)的變化。

3 結(jié)語(yǔ)

高級(jí)氧化技術(shù)的應(yīng)用，能夠有效改善水源污染，而且對(duì)水源本身不會(huì)造成污染，但是在具體應(yīng)用過(guò)程中，還需要從兩個(gè)方面入手來(lái)提高水污染控制效果。一方面需要從技術(shù)手段的選擇上入手，工作人員需要全面分析水源中污染物質(zhì)成分以及各類污染物質(zhì)的占比，根據(jù)分析報(bào)告設(shè)計(jì)水污染控制方案，選定污染控制效果最好的高級(jí)氧化技術(shù)；另外一個(gè)方面，部分氧化還原反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的腐蝕性氣體，由于設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)成本較高，所以要深入研究各類反應(yīng)介質(zhì)的特性，通過(guò)增加催化劑或者調(diào)節(jié)反應(yīng)環(huán)境的方式來(lái)提升反應(yīng)速率，確保設(shè)備不會(huì)受到過(guò)于嚴(yán)重的腐蝕。