高级氧化技术在微污染水源水处理中的应用

战友 罗海斌 李立欣等

摘要[目的] 为了提高高级氧化技术对微污染水源水的处理效果。[方法] 采用臭氧、紫外和臭氧/紫外3种高级氧化技术，处理微污染水源水。[结果] 每种处理方法都对江水中氨氮和高锰酸盐指数有一定的去除效果，其中臭氧紫外混合投加使用效果最好。在臭氧投加量为3.9 mg/L、紫外灯开启35盏（光照强度为124 μW/cm2）、pH为7.6 的条件下，水中氨氮和高锰酸盐指数的去除率分别为6296%和62.85%。[结论]UV/O3技术的氧化能力和污染物去除率均好于单独UV或O3高级氧化技术。

关键词微污染水源水；高级氧化技术；应用

中图分类号S273；X522文献标识码A文章编号0517-6611（2015）31-004-03

Application of Advanced Oxidation Technology in Micropolluted Source Water Treatment

ZHAN You1， LUO Haibin2， LI Lixin1* et al

（1. Environmental and Chemistry Engineering College， Heilongjiang University of Science and Technology， Harbin， Heilongjiang 150022； 2. Harbin Institute of Petroleum， Harbin， Heilongjiang 150027）

Abstract [Objective] The research aimed to improve the efficiency of advanced oxidation technology in micropolluted source water treatment. [Method] Separately using ozone， ultraviolet（UV） and ozone/UV， micropolluted source water was treated. [Result] Each approach had some removal effect on the ammonia nitrogen index and permanganate index of water， and the effect of ozone/UV technology was the best. In the conditions of ozone 3.9 mg/L， 35 lamps turned on（124 μW/cm2）and pH 7.6， removal rate of ammonia nitrogen and permanganate index was 6296% and 62.85%.

[Conclusion]The oxidation ability of and the removal rate of pollutants of UV/O3 technology are better than those of UV or O3 advanced oxidation technology.

Key words Micropolluted source water； Advanced oxidation technology； Application

高级氧化技术的定义在1987年被首先提出，即以反应中产生的羟基自由基（·OH）为主要氧化剂，氧化分解和矿化水中的有机污染物的氧化方法[1]。高级氧化也被称为深度氧化。与传统的氧化技术相比，高级氧化技术具有以下特点[2]：①在反应过程中可以产生大量自由基，且具有强氧化性；②反应速度快；③适用范围广，具有较高氧化电位的自由基几乎可将所有有机物氧化直至完全分解；④反应条件温和；⑤诱发链反应；⑥与其他水处理技术联用；⑦易操作和管理。

国内主要高级氧化技术为臭氧氧化、紫外消毒、臭氧紫外相结合技术。笔者通过这3种处理方法对松花江哈尔滨段江水中的CODMn和NH3N处理效果的对比，选择最优方案，为后期以松花江水为哈尔滨市饮用水源地的应用研究提供依据。

1材料与方法

1.1试验水质试验用水取自黑龙江科技大学主校区旁的松花江水源水，原水水质见表1。

1.2工艺流程

松花江水通过江水泵以流量3 t/h打入混凝水箱和二级过滤罐，滤后水以1.5 t/h的流量进入3组并联的高级氧化反应器，最后将处理水用消毒后的取样瓶取样，带回实验室分析。具体工艺流程见图1。

1.3分析方法氨氮的测定采用《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》（HJ 535-2009）[3]。

高锰酸盐指数的测定采用《水质 高锰酸盐指数的测定》（GB11892-89）[4]。

2結果与分析

2.1臭氧投加量对江水中氨氮和高锰酸盐指数去除率的影响

在温度16 ℃、pH 7.6、水力停留时间20 min的条件下，以对松花江水中CODMn和NH3N的去除效果为依据，通过观察不同O3投加量对水质处理效果，最终确定系统的O3投加浓度。具体O3投加量为3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1和4.2 mg/L，投加不同浓度的臭氧，测定氨氮和高锰酸盐指数。

从图2可以看出，当单独使用臭氧对松花江水处理时，随着臭氧投加量的升高，去除率随之提高。这是因为O3溶于水直接氧化有机物，得到最终降解产物——CO2、水及其他矿物质[5-6]。但是，当臭氧投加量超过3.9 mg/L时，去除率提高缓慢。原因是臭氧氧化有机微污染物时，只对含有氨基活化芳香族体系或双键化合物有明显的效果[7]。所以，当臭氧投加量达到一定时，去除率提升缓慢。采用臭氧投加浓度为3.9 mg/L，此时氨氮、高锰酸盐指数去除率最大，分别达到40.11%和45.00%。

2.2紫外灯光照强度对江水中氨氮和高锰酸盐指数去除率的影响

在溫度16 ℃、pH 7.6、水力停留时间20 min的条件下，以对松花江水中CODMn和NH3N的去除效果为主要依据，通过观察不同的紫外光照强度对水质处理效果，最终确定系统的光照强度。采用的紫外灯光照强度为124 μW/cm2，波长为253.7 nm，初始功率与额定功率之差为9%。最终确定试验阶段设计的紫外光照强度分别为1 736 μW/cm2（14盏）、2 604 μW/cm2（21盏）、2 976 μW/cm2（24盏）、4 340 μW/cm2（35盏）、4 712 μW/cm2（38盏）。

从图3可以看出，随着紫外灯开启数量的逐渐增多，氨氮和高锰酸盐指数的去除率随之增加。这是因为有机污染物受到UV辐射后，接受光子的能量而处于激发态，并通过均裂、异裂以及光化电离等方式分解。此外，水中其他共存物质也可能吸收紫外光，生成一些活性物质，如·OH、超氧自由基以及单线态氧（1O2）等。这些活性物质也可与有机污染物反应，造成有机污染物的间接光降解[8]。但是，到35盏灯以后，继续加大紫外光照强度，氨氮和高锰酸盐指数的去除率上升十分缓慢。原因是有机污染物受到UV辐射是有一定限度的，超越期限不会增加其接受光子的能量。采用开启35盏（4 340 μW/cm2）紫外灯，此时氨氮去除率为4305%，高锰酸盐指数的去除率为46.07%。

2.3臭氧与紫外混合对江水中氨氮和高锰酸盐指数去除率的影响

在温度16 ℃、pH 7.6、水力停留时间20 min的条件下，投加不同浓度的臭氧，与开启不同强度的紫外灯相结合，测定氨氮和高锰酸盐指数。

从图4可以看出，在开启14盏紫外灯的情况下，随着臭氧投加量的逐渐增多，氨氮和高锰酸盐指数的去除率随之增加，当臭氧投加浓度为4.0 mg/L时，对氨氮和高锰酸盐指数的去除率达到最大值，继续加大臭氧的投加量，对氨氮和高锰酸盐指数的去除率提升较缓慢。采用开启14盏紫外灯，同时投加4.0 mg/L臭氧，此时氨氮的去除率为50.94%，高锰酸盐指数的去除率为53.06%。

从图5可以看出，在开启21盏紫外灯的情况下，随着臭氧投加量的逐渐增多，氨氮和高锰酸盐指数的去除率随之增加，当臭氧投加浓度为4.1 mg/L时，对氨氮和高锰酸盐指数的去除率达到最大值，继续加大臭氧的投加量，对氨氮和高锰酸盐指数的去除率不再升高。采用开启21盏紫外灯，同时投加4.1 mg/L臭氧，此时氨氮的去除率为52.94%，高锰酸盐指数的去除率为55.96%。

从图6可以看出，在开启24盏紫外灯的情况下，随着臭氧投加量的逐渐增多，氨氮和高锰酸盐指数的去除率随之增加，当臭氧投加浓度为4.1 mg/L时，对氨氮和高锰酸盐指数的去除率达到最大值，继续加大臭氧的投加量，对氨氮和高锰酸盐指数的去除率不再升高。当投加4.1 mg/L臭氧时，氨氮、高锰酸盐指数去除率均达到最大，氨氮的去除率为54.01%，高锰酸盐指数的去除率为58.04%。

从图7可以看出，在开启35盏紫外灯的情况下，随着臭氧投加量的逐渐增多，氨氮和高锰酸盐指数的去除率随之增加，当臭氧投加浓度为3.9 mg/L时，对氨氮和高锰酸盐指数的去除率达到最大值，继续加大臭氧的投加量，对氨氮和高锰酸盐指数的去除率不再提高。当投加3.9 mg/L臭氧，此时氨氮、高锰酸盐指数去除率最大，分别达到60.03%和6304%。

从图8可以看出，在开启38盏紫外灯的情况下，随着臭氧投加量的逐渐增多，氨氮和高锰酸盐指数的去除率随之增加，当臭氧投加浓度为3.9 mg/L时，对氨氮和高锰酸盐指数的去除率达到最大，继续加大臭氧的投加量，对氨氮和高锰酸盐指数的去除率不再提高。采用开启38盏紫外灯同时投加3.9 mg/L臭氧，此时氨氮的去除率为60.13%，高锰酸盐指数的去除率为63.21%。

从图4～8可以看出，当臭氧与紫外混合使用处理松花江水时，在紫外光照强度一定的条件下，随着臭氧的投加量增加，去除率随之提高。臭氧在紫外光的照射下，分解产生活泼的次生氧化剂来氧化有机物[9]。它不是利用O3与有机物直接反应，而是以自由基型的反应为主，即液相O3在紫外光辐射作用下发生分解产生·OH，由·OH与水中的溶解性有机物进行反应[10]。

目前，对于在光催化作用下O3产生自由基的机理存在2种解释[11]，即

O3+ hv→·O+O2

·O +H2O→2·OH

和 O3+H2O + hv→H2O2+ O2

H2O2+ hv→2·OH

无论哪一种都产生·OH，·OH还可诱发一系列的链反应，产生其他基态物质和自由基，强化氧化作用，使污染物的降解变得快速且充分[12]。但是，当臭氧投加量到达某一数值后，继续投加臭氧，污染物去除率提高缓慢。这是因为O3/UV技术受臭氧浓度的影响，臭氧浓度过高不利于其在紫外照射下分解产生活泼的次生氧化剂来氧化有机物。所以，采用臭氧浓度3.9 mg/L，同时开启35盏（4 340 μW/cm2）紫外灯，此时氨氮和高锰酸盐指数的去除率分别为60.03%和63.04%。

3结论

（1）单独使用臭氧氧化技术，随着臭氧投加量的升高，去除率也随之提高，但当臭氧投加量超过3.9 mg/L时，去除率提高缓慢。采用臭氧投加浓度为3.9 mg/L，此时氨氮的去除率为40.11%，高锰酸盐指数的去除率为45%。

（2）单独使用紫外消毒技术，随着紫外灯开启数量的逐渐增多，氨氮和高锰酸盐指数的去除率也增加，但是到35盏灯（4 340 μW/cm2）以后，继续加大紫外光照强度，氨氮和高锰酸盐指数的去除率提高缓慢。采用开启35盏（4 340 μW/cm2）紫外灯，此时氨氮去除率为43.05%，高锰酸盐指数的去除率为46.07%。

（3）当臭氧与紫外联用处理松花江水时，在紫外光照强度一定的条件下，随着臭氧投加量的增加，去除率也提高。但是，当臭氧投加量到达某一数值后，继续投加臭氧，污染物去除率提高缓慢。采用臭氧浓度3.9 mg/L， 35盏（4 340 μW/cm2）紫外灯时，该处理组在所有处理技术试验组中，氨氮和高锰酸盐指数的去除率达到最大，分别为60.03%和6304%。

（4）3种高级氧化技术都对松花江水有一定的处理效果。对比3种高级氧化的处理效果，得出UV/O3技术的氧化能力和去除率超过单独使用UV或O3工艺，处理后水中氨氮和高锰酸盐指数指标满足《生活饮用水标准》（GB5749-2012）限值要求。

安徽农业科学2015年

参考文献

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