现有净水工艺应用分析及研究进展

周曼莉

（佛山市新泰隆环保设备制造有限公司，广州 佛山 528300）

现阶段，我国诸多水体不同程度地遭受生活污水与工业废水的污染。在污水处理中，大部分原水中难降解有机物、氨氮及藻类等含量增加，色度和浊度升高，滤池易堵塞，水质易恶化，加药消毒副产物（如三卤甲烷等）含量上升，出水水质下降。针对以上问题，为实现给水深度有效处理，Fendon试剂氧化、臭氧氧化、光催化氧化、超声和电化学催化氧化等高级氧化技术及其联用技术、膜处理技术等成为主要研究方向[1-2]。因此，笔者对现有净水处理工艺的优缺点进行分析。

1 常规净水处理工艺

常规处理工艺净化处理效率受水温、浊度、pH 和水力条件等影响，反应速率较低。受污染原水经常规的混凝、沉淀和过滤后，仅可去除水中20%～30%的有机物，溶解性有机物的存在，不利于破坏胶体的稳定性，进而使得常规工艺对原水浊度去除率仅为50%～60%。另外，常规工艺对特殊有机物、高浊度水等水质的处理效果不理想，后期可能会引起细菌滋生的问题。针对以上问题，可在常规水处理工艺之前添加预氧化工艺（臭氧预氧化、加氯预氧化等），在常规工艺之后采取活性炭吸附、膜处理或高级氧化等工艺处理。

2 活性炭吸附技术

活性炭吸附技术一般作为常规净水处理工艺之后的深度处理手段，其具有较强的吸附性能和催化性能，原料充足且安全性高，耐酸碱、耐热，不溶于水和有机溶剂，易再生，环境友好，可有效去除水中有机物、气味、色度等，在给水处理领域应用广泛。

尽管净水活性炭有较强的吸附能力，但是吸附过滤后的出水仍需通过渗透膜过滤技术才能达到饮水标准。另外，净水活性炭的吸附能力有限，在一定的时间后，吸附就会饱和，需定期更换，成本较高。

3 膜处理技术

膜技术是利用天然高分子薄膜作为介质，利用其特性作为推动力，进而更好地分离和过滤溶液，从而达到水净化的作用。该技术主要包括微滤、超滤、纳滤和反渗透等，具有高效率、低能耗、适应性强、处理范围广、对藻类细胞和浊度的去除率高等优点，尤其适用于饮用水处理。但是，膜过滤属于物理截留，对有机物的处理能力差，处理过程中还存在膜污染、使用寿命短、成本高等问题，降低了该技术的普适性。

4 高级氧化技术

高级氧化技术是指在辐射、电、超声、催化剂等条件下，生成具有强氧化活性的·OH 自由基，并经过一系列的加成、电子转移、断键等反应，将有机物降为小分子无害化产物（H2O、CO2、无机盐）的一种新技术。目前研究比较多的高级氧化技术主要是Fendon 试剂、紫外光催化氧化、臭氧氧化、超声氧化及联用技术。

4.1 Fendon 试剂氧化法

Fenton 试剂是指H2O2和亚铁离子的混合物，在常温、常压条件下，其反应靠氧化剂的分解和活性羟基自由基破坏有机污染物。该反应在常温、常压下进行，易于操作，反应速率快。过氧化氢的分解需要H+，即在酸性环境下才可达到羟基自由基最大化。有研究表明，该反应pH 范围为2.5 ～5.5，最佳pH 值一般为3。铁离子和氢离子反应产生铁-羟基配合物，使得Fenton 试剂具有混凝能力，可将溶解的固体捕获并沉淀。降解产物完全无害。需投加H2O2和二价铁盐，Fe2+易流失且造成二次污染，运行成本较高。另外，Fenton 工艺较其他高级氧化技术，反应时间长。

4.2 光催化氧化法

光催化氧化法是指向反应体系中引入光敏催化剂和光辐射，产生非选择性强氧化剂·OH 自由基，通过其氧化作用使有机物在常规条件下得到降解，常见的光敏催化剂有过渡金属TiO2、SnO2等。目前研究较多的光催化体系主要有：光-Fendon、UV/TiO2、UV/H2O2、UV/H2O2/TiO2和光电催化反应等。

4.2.1 光-Fendon 技术

光-Fendon 技术是在传统Fenton 反应的基础上，增加光辐射（180 ～400 nm），使得Fenton 反应中Fe3+转化为Fe2+，同时产生·OH 自由基。反应式如下：

由式（1）分析可知，生成的Fe2+又可与H2O2进一步反应，进入传统芬顿反应，生成·OH 和Fe3+，体系中Fe3+/Fe2+能够维持较好的循环；光催化技术与芬顿技术联用，弥补了传统芬顿技术需大量添加亚铁盐的不足；Fe2+易流失且易造成二次污染问题仍然存在；需持续投加H2O2，过程对光能的利用率相对较低，能耗和成本较高；处理出水需进一步除色。

4.2.2 UV/H2O2氧化技术

（1）UV/H2O2技术原理及特点。UV/H2O2技术的反应机理主要是：H2O2在紫外光照射下产生·OH自由基。该过程需持续投加H2O2，光利用率较低，运行成本相对较高。原料易得，操作简便，环境友好。pH 范围为2.5 ～5.5，最佳pH 值一般为3.5 左右。

（2）UV/H2O2技术的研究进展。研究者采用UV/H2O2技术处理污染物，取得一定效果。刘海勇等利用该技术去除饮用水中的微囊藻毒素，处理效果不佳[3]。张轶等利用该技术降解苯酚，结果表明，随着H2O2质量浓度的增加，苯酚去除率增加，但当其浓度高于10 mg/L 时，去除率下降[4]。H2O2过量，不仅消耗H2O2，而且造成H2O2无效分解。

4.2.3 UV/TiO2氧化技术

（1）UV/TiO2技术原理及特点。UV/TiO2技术是利用光激发光敏催化剂（TiO2）产生高度活性光生电子（e-cb）/空穴对（h+vb），吸附在TiO2表面的OH-或H2O 与h+vb 反应，生成·OH 自由基。研究表明，TiO2作为催化剂，其反应前后质量及性质不变，无需不断添加，TiO2本身还具有无毒、氧化能力强、活性高、成本低及稳定性好等优点；该反应过程对H+无明显需求，pH 范围在7 ～8 即可，易于控制；反应主要成分几乎不存在流失问题，不会产生二次污染；光利用率较UV/H2O2提高，运行成本降低。

（2）UV/TiO2技术的研究进展。UV/TiO2催化体系对污染物有较高的降解能力。陈志铮等利用该技术处理印染废水的生化出水，结果表明，TiO2投加量为800 mg/L、反应8 h、pH 为6.5 ～8.0 时，难降解污染物（AMDI7.6）、TOC、COD 的去除率可达86%、20%、46%[5]。为提高光催化氧化剂对光能的利用率，提高·OH 的产量，人们通过向TiO2掺杂金属或非金属、与其他半导体材料复合等方法以拓宽其对光能利用范围，改善催化活性，如介孔SnO2/TiO2、ZnIn2S4。

4.2.4 UV/H2O2+非均相催化剂技术

（1）UV/H2O2+非均相催化剂技术原理及特点。UV/H2O2+非均相催化剂技术的反应过程如下（非均相催化剂以TiO2为例）：

从上述反应方程式可知：该技术体系同时具有UV/非均相催化剂与UV/H2O2的技术优势；在该体系中，H2O2可俘获电子，减少电子-空穴复合概率，促进光催化剂表面空穴氧化，利于产生更多的活性自由基，扩大降解反应区域，降解效果优于UV/非均相催化剂体系。

（2）UV/H2O2+非均相催化剂技术研究进展。在UV/H2O2+非均相催化剂体系中，非均相催化剂的制备与选择一直是主流研究方向。其中，郑展望等制备了负载在Na-Y 分子筛上的Fe-Cu-Mn-Y 复合催化剂，并在非均相UV/H2O2+Fe-Cu-Mn-Y 催化体系中处理4BS 染料废水，在基准条件下，反应时间为 20 min 时，4BS 的去除率高达93.7%，处理效果好[6]。与芬顿及光-芬顿技术相比，该体系在碱性条件下（pH=10.5）仍可高效去除CODCr。另外，TiO2、介孔SnO2/TiO2、ZnIn2S4等催化剂也可用于该体系，处理效果普遍较好。

4.3 臭氧氧化法与超声氧化法

臭氧作为一种杀菌剂，具有较强的活性（E=2.07 V）， 主要用于氧化处理一些难降解有机物、杀菌消毒以及水质脱色处理。通常情况下，O3的分压比较小，水中溶解量少，氧化水平有限。近年来，臭氧与其他工艺的组合，如H2O2+O3、UV+O3、超声+O3、O3+活性炭吸附等成了人们研究的热点。组合技术提高了其氧化能力，扩大了可降解有机物区域。但是，O3反应体系的产物——醛和羧酸，不能被O3进一步氧化，加之其溶解度较低，处理成本较高，阻碍了其进一步的推广与应用。

超声氧化技术是指利用一定频率（＞16 kHz）的超声波辐射溶液以产生起决定作用的超声空化，空化作用使溶液在高温高压区产生H2O2和·OH 等活性物质，通过自由基氧化、高温热解等降解废水中的污染物。超声氧化技术作为一种绿色水处理技术，具有无污染、应用灵活的特点，但因成本较高限制了其工业化 应用。

5 UV/H2O2+非均相催化剂技术优势

对比了现有的净水处理技术，高级氧化技术作为一种环境友好型技术，在难降解有机物的处理效果、反应速率、应用灵活性、可操作性及处理成本等方面有较大优势。其中，UV/非均相催化剂氧化技术，弥补了其他氧化技术的不足。其无需连续添加催化剂，成本低；反应所需pH 范围在7 ～8 即可，易于控制；反应主要成分几乎不存在流失问题，不会产生二次污染；催化剂可选用无毒、氧化能力强、活性高、成本低及稳定性的产品，如TiO2、介孔SnO2/TiO2、ZnIn2S4等。

在UV/非均相催化剂氧化技术和UV/H2O2氧化技术的基础上，为进一步提高处理效率和灯管寿命，降低能耗和运行成本，提出“UV/H2O2+非均相催化剂”的催化体系。该体系具备以上两种技术的优点，在UV/非均相催化剂体系中加入H2O2俘获电子，减少电子-空穴复合概率，利于产生更多的活性自由基，降解有机污染物种类增多，处理效果和效率可大幅度提升。