基于高級氧化技術(shù)的黑臭水體深度凈化機制研究

摘要：黑臭水體是城市的重要污染源，需要進行深度凈化。高級氧化技術(shù)利用強氧化劑來降解難降解有機污染物，可用于處理黑臭水體。試驗采集典型黑臭水體樣品，然后分別采用臭氧氧化技術(shù)、光催化氧化技術(shù)及組合技術(shù)對其進行處理，分析有機物和重金屬離子去除機制，評估水質(zhì)改善效果。試驗結(jié)果表明，高級氧化技術(shù)能顯著降低黑臭水體的化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、氨氮（NH3-N）、總磷（Total Phosphorus，TP）及重金屬離子（Pb和Cd）濃度，改善水質(zhì)。其中，組合技術(shù)處理效果尤為顯著，驗證高級氧化技術(shù)在實際應(yīng)用中的有效性，為黑臭水體治理提供有力技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：高級氧化技術(shù)；黑臭水體；深度凈化；有機物；重金屬離子

中圖分類號：X52 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2025）02-000-03

Research on deep purification mechanism of black and odorous water based on advanced oxidation technology

CHEN Liang

（Huaiyuan County Ecological Environment Monitoring Station of Bengbu City， Bengbu 233400， China）

Abstract： Black and odorous water bodies are important sources of pollution in cities， which require deep purification. Advanced oxidation technology utilizes strong oxidants to degrade recalcitrant organic pollutants， which can be used to treat black and odorous water bodies. Typical black and odorous water samples are collected for the experiment， and then treated by using ozone oxidation technology， photocatalytic oxidation technology， and combined technology to analyze the removal mechanisms of organic compounds and heavy metal ions， and evaluate the water quality improvement effect. The experimental results show that advanced oxidation technology can significantly reduce the concentrations of Chemical Oxygen Demand （COD）， ammonia nitrogen （NH3-N）， Total Phosphorus （TP）， and heavy metal ions （Pb and Cd） in black and odorous water bodies， thus improving water quality. Among them， the combined technology treatment effect is particularly significant， verifying the effectiveness of advanced oxidation technology in practical applications and providing strong technical support for the treatment of black and odorous water bodies.

Keywords： advanced oxidation technology; black and odorous water bodies; deep purification; organic compounds; heavy metal ions

隨著城市化進程的加速，黑臭水體已成為環(huán)境領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)[1]。黑臭水體不僅嚴重破壞生態(tài)景觀，還威脅居民飲水安全和身體健康。傳統(tǒng)治理方法效果有限，難以滿足日益嚴格的環(huán)保要求。高級氧化技術(shù)具有高效、快速的氧化能力，利用強氧化劑來降解難降解有機污染物，為黑臭水體深度凈化提供新的解決方案[2-3]。該技術(shù)通過產(chǎn)生羥基自由基（·OH）等高活性物質(zhì)，能夠破壞有機物的化學(xué)鍵，從而將大分子有機物分解為小分子有機物，甚至是無機物。高級氧化技術(shù)離不開氧化劑，如臭氧、過氧化氫和紫外光等。高級氧化技術(shù)的關(guān)鍵在于高效產(chǎn)生并利用·OH。·OH是一種強氧化劑，能夠無選擇性地攻擊幾乎所有類型的有機污染物。高級氧化技術(shù)主要利用強氧化劑和高活性的·OH來破壞有機污染物結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)水體的深度凈化。

根據(jù)氧化劑的不同，高級氧化技術(shù)主要分為2種。二者在處理黑臭水體方面各有優(yōu)勢，適用于凈化不同的水質(zhì)[4]。一是臭氧氧化技術(shù)。它利用臭氧作為氧化劑來降解有機污染物。臭氧是一種強氧化劑，能夠分解許多難降解的有機物。二是光催化氧化技術(shù)。它綜合利用紫外光和催化劑（TiO2），通過光能生成·OH，從而降解有機污染物。這種組合能夠提高氧化效率，有效去除難降解有機物?？傮w而言，高級氧化技術(shù)通過不同氧化劑的組合，能夠高效地去除水體中的有機物和重金屬離子，為黑臭水體的深度凈化提供多種解決方案[5]。每種技術(shù)都有獨特的適用場景和優(yōu)勢，需要根據(jù)具體的水質(zhì)條件和環(huán)境需求進行選用。因此，有必要研究高級氧化技術(shù)對黑臭水體的深度凈化機制和效果，為城市水環(huán)境治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗部分

為了全面評估高級氧化技術(shù)在黑臭水體深度凈化中的效果，選取具有代表性的黑臭水體樣品進行研究。樣品選取時考慮水體污染程度、主要污染物種類和水質(zhì)指標等因素，以確保試驗結(jié)果的準確性和可靠性。

1.1 樣品來源與處理

選取某城市典型黑臭水體作為研究對象，共采集5個不同地點的水樣，分別標記為樣品A、樣品B、樣品C、樣品D和樣品E。將采集的水樣進行初步過濾，去除大顆粒雜質(zhì)，然后分別裝入密封容器，置于溫度為4 ℃的冰箱中保存，以備后續(xù)試驗使用。同時，檢測每個水樣的基本水質(zhì)指標，包括pH值、溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）、化學(xué)需氧量（Chemical Oxygen Demand，COD）、氨氮（NH3-N）、總磷（Total Phosphorus，TP）、鉛（Pb）離子和鎘（Cd）離子的濃度，以了解水體的初始污染狀況。黑臭水體樣品的水質(zhì)檢測結(jié)果如表1所示。

1.2 試驗方法

根據(jù)樣品的污染狀況和水質(zhì)指標，設(shè)計高級氧化技術(shù)應(yīng)用方案。一是臭氧氧化技術(shù)。選取樣品A和樣品B進行臭氧氧化處理。如圖1所示，通過臭氧發(fā)生器產(chǎn)生臭氧，并將其通入水樣，控制臭氧投加量和反應(yīng)時間，以觀察臭氧對有機污染物和重金屬離子的去除效果。二是光催化氧化技術(shù)。選取樣品C和樣品D進行光催化氧化處理。以紫外光燈為光源，加入適量的光催化劑（TiO2），并控制光照時間和催化劑投加量，以評估光催化氧化對水體的凈化效果。三是組合技術(shù)。選取樣品E進行臭氧-光催化組合技術(shù)處理。即先對水樣進行臭氧氧化處理，然后進行光催化氧化處理，以探討組合技術(shù)是否比單一技術(shù)具有更好的凈化效果。在處理過程中，定期檢測水樣中COD、NH3-N、TP以及重金屬離子的濃度，以評估高級氧化技術(shù)的處理效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機物去除機制

高級氧化技術(shù)通過產(chǎn)生高活性的·OH來攻擊水體中的有機污染物，從而實現(xiàn)有機物的去除。·OH具有極高的氧化還原電位，能夠無選擇性地與有機物分子中的氫原子或碳原子發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致有機物分子結(jié)構(gòu)的破壞和降解。在臭氧氧化技術(shù)中，有機物與臭氧反應(yīng)生成中間產(chǎn)物，最終這些中間產(chǎn)物會被進一步氧化為二氧化碳和水。在光催化氧化技術(shù)中，·OH的生成主要依賴紫外光和催化劑的作用。紫外光照射到催化劑（TiO2）表面時，會激發(fā)催化劑中的電子，使其躍遷到高能級，進而與吸附在催化劑表面的水分子或氧分子反應(yīng)，生成·OH。這些·OH隨后與有機物分子發(fā)生反應(yīng)，實現(xiàn)有機物的降解。試驗數(shù)據(jù)顯示，不同高級氧化技術(shù)處理前后，水樣中COD的變化如表2所示。經(jīng)過高級氧化技術(shù)處理后，水樣中的COD顯著降低，去除率均超過75%，說明高級氧化技術(shù)能有效去除有機物。

2.2 重金屬離子去除機制

高級氧化技術(shù)不僅能夠有效去除有機物，還能去除重金屬離子。在高級氧化過程中，重金屬離子可以與·OH或其他氧化劑反應(yīng)，生成難溶的沉淀物或被氧化為更易處理的形態(tài)。在芬頓氧化反應(yīng)中，過氧化氫與鐵鹽反應(yīng)生成的·OH可以與重金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，生成難溶的絡(luò)合物沉淀，從而實現(xiàn)重金屬離子的去除。不同高級氧化技術(shù)處理前后，水樣中重金屬離子濃度的變化如表3所示。處理后，水樣中的Pb和Cd離子濃度顯著降低。數(shù)據(jù)顯示，高級氧化技術(shù)對重金屬離子的去除同樣具有顯著效果，去除率普遍超過75%，特別是組合技術(shù)的去除率更是超過90%。

2.3 水質(zhì)改善效果評估

高級氧化技術(shù)能去除水體中的有機物和氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)，有效減輕水體的富營養(yǎng)化；可以殺滅病原微生物，提高水體的生物安全性；可以改善水體的感官指標，如色度、濁度和臭味等，提高水體的可接受度。不同高級氧化技術(shù)處理前后，水樣中部分水質(zhì)指標的變化如表4所示。處理后，水樣的DO濃度顯著增加，NH3-N和TP的濃度顯著降低，說明整體水質(zhì)得到顯著改善。綜上所述，高級氧化技術(shù)通過高效產(chǎn)生并利用·OH等強氧化劑，能夠有效去除水體中的有機物和重金屬離子，顯著改善水體質(zhì)量，為城市黑臭水體的深度凈化提供有力的技術(shù)支持。

3 結(jié)論

試驗采用高級氧化技術(shù)對黑臭水體樣品進行深度凈化，分析凈化機制及效果。結(jié)果表明，高級氧化技術(shù)能夠有效去除水體中的有機物和重金屬離子，顯著改善水質(zhì)。未來，應(yīng)進一步優(yōu)化技術(shù)組合，降低成本，并加強長期監(jiān)測與維護，確保治理效果的持久性。高級氧化技術(shù)為城市黑臭水體治理提供新思路，對推動水環(huán)境治理和生態(tài)保護具有重要意義。

參考文獻

1 林偉華.黑臭水體整治研究[J].清洗世界，2024（11）：131-133.

2 李興文.高級氧化技術(shù)降解水中PPCPs的研究進展[J].低碳世界，2024（11）：1-3.

3 劉 陽，黃旋林，張新波，等.高級氧化技術(shù)用于有機物膜污染控制與清洗[J].中國給水排水，2024（20）：46-52.

4 張 森，楊 果，張學(xué)文.水污染治理中的新技術(shù)與政策探討[J].皮革制作與環(huán)保科技，2024（19）：27-29.

5 李糾糾.造紙業(yè)廢水處理相關(guān)技術(shù)研究[J].華東紙業(yè)，2024（10）：10-12.

收稿日期：2024-12-16

作者簡介：陳亮（1976—），男，安徽懷遠人，高級工程師。研究方向：黑臭水體治理、環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境工程。