高級氧化技術(shù)在飲用水處理中的應(yīng)用研究進展

摘要：高級氧化技術(shù)在飲用水處理領(lǐng)域取得了顯著進展，如臭氧氧化技術(shù)、紫外光催化氧化技術(shù)、電化學(xué)氧化技術(shù)等，能有效降解有機污染物，提高水質(zhì)安全性。同時，這些技術(shù)結(jié)合其他工藝，如活性炭、生物法等，可進一步提升處理效果。雖然面臨能耗高、操作復(fù)雜等挑戰(zhàn)，但隨著技術(shù)的不斷優(yōu)化和改進，高級氧化技術(shù)有望為水處理提供更有效、更經(jīng)濟的解決方案?；诖耍治龈呒壯趸夹g(shù)在飲用水處理中的應(yīng)用研究進展。

關(guān)鍵詞：飲用水；高級氧化技術(shù)；處理工藝

中圖分類號：TU991.2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）07-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.07.049

Research Progress on the Application of Advanced Oxidation Technology in Drinking Water Treatment

ZHANG Ruifang1， LIU Zhizhuang2， LIU Yutian2

（1. Zaozhuang Water Conservancy Survey and Design Institute， Zaozhuang 277800， China;

2. Jinan Municipal Engineering Design and Research Institute （Group） Co.， Ltd.， Jinan 250000， China）

Abstract： Advanced oxidation technologies have made significant progress in the field of drinking water treatment， such as ozone oxidation technology， ultraviolet photocatalytic oxidation technology， electrochemical oxidation technology， etc.， which can effectively degrade organic pollutants and improve water quality safety. Meanwhile， these technologies combined with other processes such as activated carbon and biological methods can further enhance the treatment efficiency. Although facing challenges such as high energy consumption and complex operation， with the continuous optimization and improvement of technology， advanced oxidation technology is expected to provide more effective and economical solutions for water treatment. Based on this， analyze the research progress on the application of advanced oxidation technology in drinking water treatment.

Keywords： drinking water; advanced oxidation technology; processing technology

隨著我國工業(yè)化進程的加快，飲用水中的化學(xué)物質(zhì)殘留問題日益嚴(yán)重，成為對飲用水安全和人類健康構(gòu)成潛在威脅的重要因素。除常見的致富營養(yǎng)化相關(guān)指數(shù)超標(biāo)外，部分水體還存在以有毒有機物為代表的新型污染。這些污染物主要源于人類活動和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，種類繁多且多屬于有機物。這些有機物不僅影響飲用水的色度和嗅味，還可能在加氯消毒過程中與氯或溴離子反應(yīng)，生成具有致癌風(fēng)險的氯代或溴代消毒副產(chǎn)物，對人體健康構(gòu)成潛在威脅。為了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，研究人員開始探索臭氧氧化技術(shù)、紫外光催化氧化技術(shù)、電化學(xué)氧化技術(shù)及超聲波技術(shù)在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用。這些技術(shù)能夠有效降解有害有機物，減少或消除飲用水處理過程中產(chǎn)生的有害副產(chǎn)物，確保飲用水安全。

1 臭氧氧化技術(shù)

臭氧氧化技術(shù)作為一種先進的飲用水處理技術(shù)，具有反應(yīng)速度快、無選擇性、能徹底礦化有機物的特點。其優(yōu)勢在于能生成大量羥基自由基，具有強化氧化能力，可提高有機物的降解效率。該技術(shù)結(jié)合了臭氧的氧化性和催化劑的吸附、催化功能，可分為均相催化氧化和非均相催化氧化兩類，能滿足不同的水處理需求。隨著水源污染日益嚴(yán)重和飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的提高，臭氧氧化技術(shù)在保障飲用水安全方面顯示出巨大潛力，但其發(fā)展也面臨著一些挑戰(zhàn)和問題，需要持續(xù)優(yōu)化。

馬建軍等[1]采用臭氧催化氧化工藝降低了剩余臭氧濃度，提高了水處理效率和難降解有機物的去除效果。劉昱[2]分析了催化臭氧氧化技術(shù)對于地下水中有機微污染物的去除效果。魯金鳳等[3]在淮南某水廠試驗中證實了臭氧催化氧化-紫外線/雙氧水氧化—生物活性炭的高級氧化組合和生物活性炭聯(lián)用工藝能有效去除水中的可溶性有機碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）和CODMn，并控制三鹵甲烷的生成，適用于飲用水深度處理。MARTINS等[4]提出采用Mn-Fe-O催化劑處理橄欖油廢水，能夠提高化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、總磷（Total Phosphorus，TP）、總有機碳（Total Organic Carbon，TOC）的去除率，降低生物毒性。HU等[5]使用介孔碳氣凝膠負載CuO催化臭氧，能夠快速去除紡織廢水色度，提高COD去除率，且不受pH影響。HE等[6]通過催化臭氧顯著提升了色度和COD去除效率。

2 紫外光催化氧化技術(shù)

紫外光催化氧化技術(shù)通過紫外光激發(fā)氧化劑產(chǎn)生高活性的自由基，如羥基自由基（·OH），實現(xiàn)對難降解有機污染物的有效氧化分解。該技術(shù)不僅能夠在常溫常壓下進行，還具有氧化能力強、反應(yīng)速率快、不產(chǎn)生二次污染等優(yōu)勢。隨著研究的深入，微波輔助紫外光催化氧化和超聲波-紫外光氧化等新技術(shù)也相繼出現(xiàn)，為分析水質(zhì)提供了更多的選擇。

JEONG等[7]發(fā)現(xiàn)利用紫外光降解揮發(fā)性有機化合物（Volatile Organic Compounds，VOCs）在極端條件下可能產(chǎn)生不良中間產(chǎn)物。MOUSSAVI等[8]通過實驗證實，紫外光預(yù)處理與生物過濾相結(jié)合能顯著提升甲苯和鄰二甲苯的去除效率，達到95%以上，遠超單一處理方法。MOHSENI等[9]發(fā)現(xiàn)紫外光解與生物過濾結(jié)合能有效去除鄰二甲苯。JIANMING等[10]的研究進一步表明，紫外光預(yù)處理不僅能清除污染物，還能夠促進微生物群落生長。目前，越來越多的學(xué)者正致力于紫外光降解法與生物滴濾技術(shù)的聯(lián)合研究，以提高VOCs處理的工程實用性。

3 電化學(xué)氧化技術(shù)

電化學(xué)氧化技術(shù)通過陽極表面的強氧化性物質(zhì)直接或間接氧化水中的有機物，在飲用水處理中具有顯著優(yōu)勢。與傳統(tǒng)方法相比，電化學(xué)氧化技術(shù)不僅處理效率高，而且能耗低。

ROCHA等[11]研究了紡織染料在Pt和摻硼金剛石（Boron Doped Diamond，BDD）陽極上的電化學(xué)氧化。當(dāng)存在鹵素鹽時，電極表面產(chǎn)生的強氧化劑使直接和間接電化學(xué)過程依賴于特定電催化材料。Pt陽極通過直接氧化和間接氧化高效去色，去色率達100%。INIESTA等[12]使用循環(huán)伏安法和計時電流法研究了BDD電極上苯酚的電氧化行為。在水穩(wěn)定電位區(qū)觀察到直接的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，但在約1.67 V時，電極表面形成聚合物膠膜，導(dǎo)致電極污染。GAO等[13]開發(fā)了新型陰極，提高了電-Fenton系統(tǒng)的效率。實驗結(jié)果顯示，該陰極對RhB降解效果顯著，1 h內(nèi)的脫色率達95%，TOC去除率達89.9%。湯清等[14]使用鋁電極電絮凝法處理染料廢水，取得良好的效果。陳欣等[15]研究了電絮凝法脫色聚酯醇解溶液，并探討了染料濃度、電解電壓、電解質(zhì)濃度及pH值對脫色率的影響。

電化學(xué)氧化也面臨電極污染的挑戰(zhàn)，需選擇合適的陽極材料，以提高穩(wěn)定性和抗污染能力。電化學(xué)氧化技術(shù)在飲用水處理中的成功應(yīng)用案例表明，其具備處理藻類、嗅味物質(zhì)和有毒有害物質(zhì)的能力，且可與其他技術(shù)結(jié)合，形成聯(lián)合處理系統(tǒng)，進一步提高處理效果。因此，電化學(xué)氧化技術(shù)在飲用水處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，為保障飲用水安全提供有力支持。

4 超聲波技術(shù)

超聲波技術(shù)作為高級氧化工藝的重要分支，近年來在水處理領(lǐng)域取得顯著的研究進展。該技術(shù)通過產(chǎn)生具有極強氧化性的羥基自由基將水中的污染物氧化為無毒無害物質(zhì)，甚至最終氧化為CO2和H2O。自1895年首次報道空化現(xiàn)象以來，超聲波技術(shù)不斷發(fā)展。1930年，超聲波技術(shù)被發(fā)現(xiàn)能降解生物和合成聚合物。1944年后，超聲波技術(shù)因其聲空化特性被廣泛應(yīng)用于增強化學(xué)反應(yīng)、油乳化及污染物降解等領(lǐng)域。

BASTO等[16]發(fā)現(xiàn)超聲波與漆酶結(jié)合可顯著增強靛藍胭脂紅的脫色性能，脫色率超過65%，遠高于單酶的20%。GOPINATH等[17]利用超聲波預(yù)處理提升了有毒偶氮染料剛果紅的生物降解效率，證實了超聲波預(yù)處理對生物降解的促進作用。OTURAN等[18]提出一種聲電-芬頓工藝，通過超聲波與電化學(xué)的耦合，顯著提高了4，6-二硝基鄰甲酚的降解效率。BABU等[19]通過超聲輔助光催化降解甲基橙，提高了降解效率，驗證了超聲波與光催化的協(xié)同效應(yīng)。RAHIMI等[20]的研究表明，超聲-紫外線-二氧化鈦系統(tǒng)在去除氨方面優(yōu)于其他工藝。

這些研究均凸顯了超聲波在高級氧化技術(shù)中的重要應(yīng)用及其與其他技術(shù)的協(xié)同效應(yīng)。隨著研究的深入，超聲波技術(shù)與臭氧氧化、紫外光輻照、過氧化氫氧化等高級氧化技術(shù)的耦合聯(lián)用，進一步提升了其在水處理中的效果。超聲波技術(shù)在水處理領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，能夠為解決水污染問題提供新手段。

5 結(jié)論

高級氧化技術(shù)能夠高效去除水中的污染物和微生物，減少二次污染，提升水質(zhì)，但面臨能耗高、操作復(fù)雜、設(shè)備昂貴等挑戰(zhàn)。在實際應(yīng)用過程中，為降低成本，需針對水質(zhì)需求選擇并優(yōu)化技術(shù)。隨著科技進步，將出現(xiàn)更多高效環(huán)保的高級氧化技術(shù)。

參考文獻

1 馬建軍，關(guān)春雨，馬 軍.臭氧催化氧化工藝提高臭氧利用效率的生產(chǎn)性試驗[J].城鎮(zhèn)供水，2011（3）：34-37.

2 劉 昱.蜂窩陶瓷—活性炭催化臭氧氧化工藝凈水效能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007：34.

3 魯金鳳，杜 智，張愛平，等.高級氧化組合工藝協(xié)同凈化微污染水的示范生產(chǎn)實驗[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2017（2）：20-25.

4 MARTINS R C，SILVA A M，CASTRO S S，et al.

Adopting strategies to improve the efficiency of ozonation in the real-scale treatment of olive oil mill wastewaters[J].Environmental Technology，2010（13）：1459-1469.

5 HU E，WU X，SHANG S，et al.Catalytic ozonation of simulated textile dyeing wastewater using mesoporous carbon aerogel supported copper oxide catalyst[J].Journal of Cleaner Production，2016，112：4710-4718.

6 HE S M，LI J，XU J，et al.Enhanced removal of COD and color in paper-making wastewater by ozonation catalyzed by Fe supported on activated carbon[J].Bioresources，2016（4）：8396-8408.

7 JEONG J，SEKIGUCHI K，LEE W，et al.

Photodegradation of gaseous volatile organic compounds（VOCs）using TiO2 photoirradiated by an ozone-producing UV lamp： decomposition characteristics， identification of by-products and water-soluble organic intermediates[J].Journal of Photochemistry and Photobiology A：Chemistry，2005（3）：279-287.

8 MOUSSAVI G，MOHSENI M.Using UV pretreatment to enhance biofiltration of mixtures of aromatic VOCs[J].Journal of Hazardous Materials，2007（2）：59-66.

9 MOHSENI M，ZHAO J L.Coupling ultraviolet photolysis and biofiltration for enhanced degradation of aromatic air pollutants[J].Journal of Chemical Technology amp; Biotechnology，2006（2）：

146-151.

10 JIANMING Y，WEI L，ZHUOWEI C，et al.

Dichloromethane removal and microbial variations in a combination of UV pretreatment and biotrickling filtration[J].Journal of Hazardous Materials，2014，268：14-22.

11 ROCHA J H B，GOMES M M S，SANTOS E V D，

et al.Electrochemical degradation of novacron yellow C-RG using boron-doped diamond and platinum anodes： direct and Indirect oxidation[J]. Electrochimica Acta，2014，140：419-426.

12 INIESTA J，MICHAUD P A，PANIZZA M，et al.

Electrochemical oxidation of phenol at boron-doped diamond electrode[J].Electrochimica Acta，2001（23）：3573-3578.

13 GAO Y，ZHU W，WANG C，et al.Enhancement of oxygen reduction on a newly fabricated cathode and its application in the electro-Fenton process[J].Electrochimica Acta，2020，330：135206.

14 湯 青，周 喬，付 博，等.電絮凝過程去除水中染料鉻黑T的研究[J].江蘇科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016（6）：622-626.

15 陳 欣，張家琳，王紀(jì)冬，等.電絮凝法處理滌綸醇解廢液的脫色試驗研究[J].紡織學(xué)報，2019（10）：98-104.

16 BASTO C，SILVA C J，GüBITZ G，et al.Stability and decolourization ability of Trametes villosa laccase in liquid ultrasonic fields[J].Ultrasonics Sonochemistry，2007（3）：355-362.

17 GOPINATH K P，SAHIB H A M，MUTHUKUMAR K，

et al.Improved biodegradation of congored by using bacillus sp[J].Bioresource Technology， 2009（2）：670-675.

18 OTURAN M A，SIRéS I，OTURAN N，et al.

Sonoelectro-fenton process： a novel hybrid technique for the destruction of organic pollutants in water[J].Journal of Electroanalytical Chemistry，2008（1-2）：329-332.

19 BABU S G，KARTHIK P，JOHN M C，et al.

Synergistic effect of sono-photocatalytic process for the degradation of organic pollutants using CuO-TiO2/r

GO[J].Ultrasonics Sonochemistry，2019，50：

218-223.

20 RAHIMI M，MORADI N，F(xiàn)ARYADI M，et al.

Removal of ammonia by high-frequency ultrasound wave （1.7 MHz）combined with TiO2 photocatalyst under UV radiation[J].Desalination and Water Treatment，2015（34）：15999-16007.