高级氧化技术对饮用水深度处理及相关问题研究

城市自来水的安全性一直是人们关注的热点问题。许多研究结果表明，城市自来水水源水经过“混凝－过滤－氯化消毒”工艺处理后，其水中会含有多种微量有毒或有害的有机污染物，如三氯甲烷和四氯化碳等，构成了对人体健康的潜在危害。而目前所采用的各种深度净化处理技术，可去除水中部分有机污染物，但不能完全有效地解决自来水中有机污染问题, 而且还存在二次污染和操作条件不稳定等问题。因此，寻求能有效地去除自来水中有机污染物的处理工艺，是当前自来水深度净化处理领域中一项急需解决的问题。
  我们研究了气－液－固三相光催化臭氧氧化反应器的优化设计。用光导纤维－光栅光谱仪对三相光催化臭氧氧化反应器中紫外光辐射能的分布进行了研究。结果表明，紫外光辐射能在三相光催化臭氧氧化反应器中轴向和径向的分布是不均匀的，在反应器的中间处最强，而在反应器上、下两部分则较小。光催化剂对紫外光辐射能的吸收和阻挡作用较大，微孔曝气对光辐射能量的衰减影响较小。同时，采用BP神经网络的方法，建立了反应器内紫外光辐射能分布的数学模型。通过数据拟合表明，在粉末状TiO2投加量为2g/L时, 3000W高压汞灯和40W低压汞灯的紫外光穿透距离分别约为 8.5cm和1.0cm，以此为依据优化设计了两种光催化臭氧氧化反应器，其有效内径分别为8.5cm和1.5cm。同时，采用BP人工神经网络方法建立了UV/TiO2/O3工艺系统模型，该模型较好地反映出臭氧投加浓度和进水UV254值与出水UV254去除率之间的非线性变化规律，对于未知条件下的出水UV254去除率预测精度较高，并通过该模型对工艺参数进行了优化。
  以三种TiO2为光催化剂，采用光催化与臭氧氧化耦合工艺，研究去除自来水中微量有机污染物（包括三氯甲烷、四氯化碳和苯酚及其它有机物等（以UV254表示）），并与UV/TiO2、UV/O3、O3和UV四种氧化工艺的处理效果进行了对比。实验结果表明：在上述五种氧化工艺中, UV/TiO2/O3工艺去除自来水中微量有机污染物最有效，在相同条件下，三氯甲烷、四氯化碳和苯酚的去除率都在90％以上，UV254 去除率在80％以上，TOC和高锰酸盐指数去除率约为50％左右。该工艺同时具有明显的杀菌作用，且处理后的水经毒理检验由处理前呈阳性转为呈阴性。纳米级粉末TiO2和纤维TiO2对自来水中的微量有机污染物的去除都有较高的催化活性，但纳米级粉末TiO2回收过滤困难，难于重复使用，使该工艺很难工业化。纤维TiO2虽然具有较高的光催化活性和易于过滤回收重复使用的特点，但是由于其增加了过滤设备使工艺变得复杂。而固定膜TiO2光催化剂的催化活性虽然略低，但是其易于回收再生使用，工艺简单，成本低，更具有实际应用价值。
  对于上述工艺中产生的臭氧尾气，采用化学催化氧化的方法加以净化处理。我们研制了多种负载型催化剂，通过对催化剂的表征和催化性能的研究，确定了最佳的催化剂组成和制备工艺。

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