水污染控制化學中高級氧化技術的研究及其發展

張麗萍

（秦皇島排水有限責任公司第二污水處理廠，河北秦皇島 066000）

水污染控制是我國實施環境保護計劃的重點內容之一，同時也是難點。由于水源具有流動性的特點，僅采取靜態控制的方法無法達到預期的控制效果，而高級氧化技術的引入，可以有效提高水污染控制效果，所以應當逐步推廣，最終實現普及應用。不同于傳統的治理技術，高級氧化技術是基于氧化還原反應實現污染控制目標的，整個治理過程不會對水源造成過大的污染，而且該治理技術最大優勢在于可以滿足水污染流動性的特征。置入水源的氧化劑會隨著水的流動而擴散，直至氧化還原反應將氧化劑消耗完畢。高級氧化技術可以直接將水源中的污染物質礦化，并將其降解為二氧化碳、水等無機物，從而實現降低污染物毒性的目標。就目前國內外治污現狀來看，主流的高級氧化技術有化學氧化、濕式氧化、光催化氧化以及超臨界氧化等。根據不同的污染類型，各種氧化技術的污染控制效果也存在一定不同。

1 高級氧化技術

高級氧化技術又稱做深度氧化技術，以產生具有強氧化能力的羥基自由基(·OH)為特點，在高溫高壓、電、聲、光輻照、催化劑等反應條件下，使大分子難降解有機物氧化成低毒或無毒的小分子物質。根據產生自由基的方式和反應條件的不同，可將其分為光化學氧化、催化濕式氧化、聲化學氧化、臭氧氧化、電化學氧化、Fenton氧化等[1]。

1.1 臭氧氧化

作為目前主流的高級氧化技術，臭氧氧化技術的水污染控制效果較好，主要應用于飲用水處理領域，臭氧本身作為一種強氧化劑，在和水反應的過程中可以生成大量的羥基自由基，從而達到消毒的目標。在經過技術研究和方案改革后，現階段主要使用過氧化氫聯合臭氧治污[2]。其中，過氧化氫作為催化劑使用，主要目的是提高氧化還原反應的速率。

1.2 光催化氧化

1976年，光催化氧化正式被提出并應用于水污染控制領域，該氧化技術主要利用具有光敏特性（表現為對紫外線敏感）的催化劑實現氧化還原反應，從而達到控制污染物質的目標[3]。根據相關研究結果顯示，現階段主要使用二氧化鈦作為催化劑，該試劑的活性強，當外部光源照射到二氧化鈦的表面之后，其分子表面就會產生電子-空穴對，而空穴具有極強的化學反應活性，在吸附到水分子或者氫氧離子之后就會產生羥基自由基，將水源中的污染物質進行礦化，促使其轉化成為二氧化碳或水等無機物質。就光催化氧化技術來說，由于反應條件的限制，以及氧化反應過程中具體氧化速率難以實現精準控制，目前只應用于較難降解污染物質的處理上，對其他類別污染物質的降解效果并不理想[4]。

1.3 濕式氧化

濕式氧化可以處理的廢水類別較為寬泛，可以實現良好的水污染控制效果，是目前主流的高級氧化技術之一。濕式氧化主要利用高溫高壓環境，借助氧氣或者空氣實現氧化反應，并將水源中污染物質進行降解的一種技術手段。只要滿足反應溫度和壓強的要求，就可以在短時間內實現對污染物質的處理，且不會對水源造成任何污染[5]。但是根據相關調研報告顯示，濕式氧化需要達到預期的環境條件才能實現氧化還原反應，而為了達到環境的需求，需要配置高端的設備，其成本過高，造成無法實現大范圍普及應用[6]。

基于成本問題，也考慮到濕式氧化確實具有顯著的治污效果，催化濕式氧化技術成為了代替濕式氧化技術的手段，該技術在濕式氧化技術的基礎上加入了催化劑，促使整個氧化還原反應能夠在更短的時間內完成，從而降低了反應期間對設備造成的腐蝕和損害。和傳統濕式氧化技術相比，增加催化劑可以在保證污染處理效果的同時有效降低成本。

1.4 超臨界水氧化

超臨界水氧化利用了水在不同溫度、不同壓強狀態下的特性。當水處于臨界點，即374 ℃，22.1 MPa時，會具有良好的傳熱和傳質特性，可以作為一種良性反應介質使用，該技術主要應用于對有機廢水的處理上。超臨界水氧化是廢物在超臨界水中發生氧化反應從而將其去除，由于是在高溫高壓下進行的反應，整體反應速率極快，有機物可以完全被轉化為二氧化碳、水、無機鹽等小分子化合物，不形成二次污染，且經超臨界氧化后的廢水可完全回收利用[7]。

目前，國際上一些國家已經完成了超臨界水氧化的相關實驗，并正式將該技術手段應用于小型廢水處理站。和濕式氧化類似，超臨界水氧化同樣需要考慮到設備的腐蝕以及反應器堵塞和維保成本過高等問題。對超臨界水氧化技術而言，需要進一步研究反應特性，不斷優化技術方案，確保水源中污染物質被完全清除的同時，并控制整個處理成本在一個合理的范圍。

2 高級氧化技術發展前景

2.1 多種技術手段聯合使用

作為高級氧化技術手段而言，借助單一技術手段開展水污染治理工作的效果可以達到預期，但是隨著有關高級氧化技術的研究工作不斷深入，也為了進一步提高水污染治理的效果，開始需要將兩種及以上高級氧化技術進行聯合使用[8]。

為了達到更好的水污染治理效果，在制定治理方案的時候還是要深入研究不同種高級氧化技術的優缺點。其中，治污方案的制定，以及高級氧化技術的選擇，均需要按照水污染的程度來決定。對污染面積較大，但是污染程度較輕的水源而言，可以采用濕式氧化技術為主，并結合臭氧氧化技術進行治理；對于含有較多污染成分的水源來說，則要圍繞超臨界水氧化技術設計治理方案，輔助氧化技術可以采用臭氧氧化技術或者光催化氧化技術。

2.2 反應條件逐漸簡化

作為治理水污染的可靠技術手段，高級氧化技術具有顯著的治理效果，而該技術未來發展的一個主要趨勢就是氧化反應的條件會逐漸簡化，尤其是對于需要催化劑才能實現反應的高級氧化技術[9]。

諸如超臨界水氧化技術，以及光催化氧化技術等，此類高級氧化技術的反應條件較為復雜，但是在反應條件滿足的前提下，水污染處理效果能夠達到預期。而在反應過程中，除需要催化劑支持以外，對溫度、濕度也同樣有著較高的要求，所以高級氧化技術未來發展的前景之一就是反應條件的簡化，通過不斷的研究和實驗，研制出催化速率更高的催化劑。而溫度、濕度等條件，則主要通過對反應流程進行簡化實現。在現有氧化還原反應的基礎上，進一步對反應流程進行簡化，確保降低溫度和濕度對氧化還原反應速度的影響[10]。需要注意的是，為保障水污染治療效果達到預期，在簡化反應流程，或者優選催化劑的時候，要采取動態把控措施，實時觀察氧化反應的變化。

3 結語

高級氧化技術的應用，能夠有效改善水源污染，而且對水源本身不會造成污染，但是在具體應用過程中，還需要從兩個方面入手來提高水污染控制效果。一方面需要從技術手段的選擇上入手，工作人員需要全面分析水源中污染物質成分以及各類污染物質的占比，根據分析報告設計水污染控制方案，選定污染控制效果最好的高級氧化技術；另外一個方面，部分氧化還原反應會產生大量的腐蝕性氣體，由于設備的運行維護成本較高，所以要深入研究各類反應介質的特性，通過增加催化劑或者調節反應環境的方式來提升反應速率，確保設備不會受到過于嚴重的腐蝕。