基于高级氧化技术的化工废水中难降解污染物去除效能与影响因素分析

引言

化工产业的发展促使含有难以降解的污染物的废水数量有所增长，若这些废水未经处理就排放出去将会对水体造成污染，并且对人类健康构成威胁。传统的生物处理技术降解效率偏低，物理化学方法则容易引发二次污染，难以达到相应的标准。高级氧化技术能够产生具有强氧化性的羟基自由基（·OH），这种自由基可以迅速地对难以降解的污染物进行氧化分解操作，其属于化工废水深度处理的核心技术之一。但该技术的效能会受到多种因素的影响，在实际应用过程中存在成本高昂、条件严苛等状况，对其效能及影响因素展开分析，进而提出优化策略，这对于推动该技术的工程化应用具有极为重要的意义。

一、典型高级氧化技术对化工废水中难以降解的污染物所具备的去除效能

（一）芬顿氧化技术所具备的去除效能

芬顿氧化技术借助 Fe²⁺和 H₂O₂ 间的反应生成 ⋅⋅ OH，达成对难以降解的污染物进行氧化降解的目的，在酚类废水的处理工作中有着较为广泛的应用。某项研究以含有苯酚的化工废水（初始浓度为 500mg/L ）作为处理对象，运用芬顿氧化技术实施处理，在 Fe²⁺的投加量为 0.8mmol/L 、 H₂O₂ 的投加量为 4mmol/L、pH 值等于 3.0 及反应时间为 60 分钟的条件下，苯酚的去除率能够达到 98.2% ，化学需氧量（COD）的去除率达到 85.6%₉₀ 。该技术针对具备苯环及杂环结构的、难以降解的污染物展现出卓越的氧化能力。然而在处理具有高盐度、高色度特征的化工废水时，其处理效能容易遭受干扰，并且在反应结束后会生成 Fe³⁺沉淀，此情况需要进行后续的处理。

（二）臭氧氧化技术在去除方面所具备的效能

臭氧氧化技术凭借臭氧自身所具备的氧化性及其分解时产生的·OH 实现对污染物的去除，该技术呈现出反应速度较快、不会造成二次污染等优势，可应用在染料废水的处理工作。对于包含偶氮染料的化工废水，运用臭氧氧化技术加以处理，在臭氧投放量为 80mg/L、酸碱度 pH 值等于 10.0、反应时长达到 30 分钟的条件下，刚果红的脱色比率达到了 99.5% ，总有机碳（TOC）的去除比率达到了 72.3%_∘ 。此技术针对包含不饱和键及发色基团的污染物有着颇为显著的去除成效。然而，臭氧于水中的溶解度相对较低，并且对于不含有活性基团的烷烃类污染物，其氧化效能表现欠佳，在实际应用场景中，经常需要将此技术与其他技术进行联合运用。

（三）光催化氧化技术在去除方面展现出的效能

光催化氧化技术将 TiO_z 、 g-C₃N₄ 等当作催化剂，在有光照的状况下产生 ⋅⋅ OH 及光生载流子，达成污染物的降解，可应用于抗生素废水的处理工作。某项研究将 TiO₂ /石墨烯作为催化剂，对含有四环素（初始浓度为 100mg/L）的化工废水进行处理，在催化剂投入量为 0.5g/L 、紫外光照射强度为 15W、pH 值等于 7.0、反应时长为 120 分钟的条件下，四环素的去除比例达到了 96.8%₉ 。并且，催化剂在循环使用 5 次后，去除率依旧维持在 88% 以上。这项技术呈现出环保及可持续等特性。但是其对于光照状况的依赖程度较为强烈，催化剂的制备成本相对偏高，从而使大规模的工程运用受到了一定程度的限制。

二、化工废水采用高级氧化技术处理时的关键影响因素

（一）反应体系 pH值

pH 数值凭借对氧化剂稳定性、催化剂活性及 ⋅⋅ OH生成数量产生影响，对高级氧化技术的去除效果产生显著作用。就芬顿氧化技术而言，当 pH 数值过高（大于 4.0）时，会造成 Fe²⁺转变成 Fe（OH）₂沉淀，让催化剂活性降低；而当 pH数值过低（小于 2.0）时，会抑制 H₂O₂ ₂的分解，使·OH 生成量减少，通常其最佳的 pH 范围在 2.0-4.0 之间。然而臭氧氧化技术在碱性环境（pH>8.0）中，臭氧比较容易和 OH⁻发生反应，进而生成·OH，氧化的效果得到明显提高。

（二）氧化剂的投加量及催化剂的投加量

·OH 的生成总量直接由氧化剂（如 H₂O₂ 、臭氧等）的投加量所决定。当投加量处于较低水平时，·OH 的生成量会不足，污染物的去除率也就比较低；而当投加量过高时，过量的氧化剂会和 生淬灭反应（例如 H₂O₂+⋅OH⟶HO₂⋅+H₂O， ），反倒会让氧化效能降低。对于催化剂（例如 Fe²⁺、TiO₂ ）的投加量，也应把控在合理的区间，若投加量不够充足，就会对·OH的生成产生限制；相反，如果投加量过高，便容易造成催化剂出现团聚的现象，进而使催化剂的活性有所降低，并且还会让后续处理的成本有所增加。

（三）反应温度及污染物初始浓度

高级氧化技术效能受反应温度的影响，这主要是通过温度对反应速率常数的作用实现的。升高温度能够促使·OH 与污染物的反应速度加快，例如，在进行臭氧氧化甲醛废水的过程中，当温度从 20℃升高到 40℃时，甲醛的去除率从 82.1%提升到了 95.4%₉₉ 。然而，如果温度过高，会使氧化剂的分解速度加快，最终导致高级氧化技术的效能降低，通常而言，能够使该技术达到较好效能的最佳温度范围是 25-45°C 。污染物的初始浓度同样会对高级氧化技术效能产生影响，若污染物初始浓度过低，容易造成·OH 发生自淬灭的现象，进而浪费氧化剂；反之，若污染物初始浓度过高，会出现·OH 数量不足的情况，从而使污染物的去除率下降。

三、针对化工废水采用高级氧化技术处理的优化策略

（一）对反应条件展开精确调节与控制

依据污染物的类别及技术的特性，对 pH 值、氧化剂与催化剂的投放量、反应的温度等关键参数予以精准地调控，是提高高级氧化技术效能的根基。比如，在处理包含酚类及染料的混合化工废水时，能够采用“芬顿氧化（pH 值为 3.0，Fe²⁺的含量为 0.6mmol/L， H₂O₂ 的含量为 3.5mmol/L ）加上臭氧氧化（pH 值为 9.0，臭氧的投放量为 60mg/L）”的组合工艺，首先运用芬顿氧化的方式降解酚类，然后使用臭氧氧化的方法去除染料，最终化学需氧量（COD）的去除率能够达到 90%以上。

（二）开展高效催化与氧化材料的研发工作

研发具备高效性能的催化剂及氧化剂，是突破当前技术所存在局限的关键所在。借助对材料实施改性的方式，能够增强催化剂的活性和稳定性，举例而言，掺杂了 Cu²⁺ 、 Mn² ⁺的 TiO₂ 催化剂，其光响应范围自紫外光拓展到了可见光，在自然光照的条件下，对四环素的去除率能够达到 92.3% ，和纯TiO₂相比提升了 35‰ 。

（三）促进技术的联合运用及工程化发展

达成产业化的核心在于推进技术的联合运用及工程化的实际应用。将高级氧化技术同生物处理、吸附等技术进行联合运用，能够产生协同效应，例如，采用“吸附（活性炭预处理）+光催化氧化（深度降解）+生物处理（小分子矿化）”的工艺，在处理抗生素废水时，其成本相较于单一的光催化氧化技术降低了 40% ，并且处理后的出水能够达到 GB18918-2002 一级 A 标准。

结论

高级氧化工艺在处理化工废水中难以降解的污染物质时，展现出极为出色的去除效果。其中，芬顿氧化法、臭氧氧化法及光催化氧化法分别对酚类废水、染料废水和抗生素废水具有适用性，然而其处理效能明显受到如 pH 数值、氧化剂与催化剂的投放量、反应时的温度等因素的影响。借助对反应条件加以优化、开展高效催化剂与氧化剂的研发工作及等方式，能够使这项技术的处理效率和经济可行性得到提升。在未来，应着重关注低能耗及低成本的发展趋向，同时要进一步强化工程化参数的调控及设备的升级工作，为化工废水的深度处理提供高效且具有可持续性的解决方案。

参考文献：

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[3]梁婷婷，高敏，王巧.焦化废水处理技术及其应用现状综述[J].环境工程学报，2019，13（8）：2383-2396.