微纳米气泡强化臭氧高级催化氧化处理硝基苯废水的效果

微纳米气泡强化臭氧高级催化氧化处理硝基苯废水的效果

臭氧通过传统曝气方式降解污染物的效率低下，与微纳米气泡技术相结合可显著提升氧化效率。以硝基苯废水为例，分别研究臭氧在微纳米气泡和传统曝气条件下投加催化剂Mn/Mg/Ce@Al?O?前后对硝基苯的降解效果，设计自由基淬灭试验分析反应机制，通过响应曲面法分析各主要影响因素并优化试验条件。

有机化工废水中难降解有机物的高效低耗去除，一直是环境领域的重要研究课题。硝基苯(NB)具有潜在的致癌、致畸和致突变性，于2017年被世界卫生组织国际癌症研究机构列为2B类致癌物，中国环境优先检测研究将其列为58种优先有机污染物之一。

GB 8978—1996《污水综合排放标准》中规定硝基苯类污染物在一切排污单位中最高允许排放浓度的三级标准不能超过5mg/L。然而传统处理方法难以高效降解NB，NB废水生物毒性高，BOD5/CODCr较低，可生化性差，传统的生化工艺难以将其完全降解，如卢桂兰等用间歇曝气的方式，从活性污泥中分离纯化出优势菌种，对初始浓度为500 mg/L的硝基苯废水最终去除率仅为65%。因此，亟待寻找新型水处理工艺以提高NB去除率。 臭氧催化氧化是指在臭氧氧化过程中投加一定量的催化剂来促进反应进程，将臭氧的强氧化性与催化剂的吸附催化特性相结合，该方法具有反应速度快、去除效率高、无二次污染、工艺简单、占地面积小等优点，是难降解废水处置的一大研究热点。但是臭氧催化氧化技术也存在缺点，主要表现为臭氧在溶液中的传质效率低、接触时间短，难以彻底矿化有机污染物，氧化性有待加强。

微纳米气泡强化臭氧催化氧化技术可弥补臭氧传质效率与有机物去除率低等不足。微纳米气泡是直径从几十纳米到几十微米不等的微小气泡，由于具有粒径较小的特点，微纳米气泡具有较高的内部压力和快速的传质效率，可显著提高气体的溶解度，Takahashi等研究指出，气体切割法所产生的微纳米气泡对溶解氧的传质效率有显著提高，在合适条件下微纳米气泡破裂后水中溶解氧浓度可达到14.7mg/L。臭氧在微纳米气泡的包裹下利用率可明显提高，与传统曝气产生的普通大气泡相比，微纳米气泡在水体中存在的时间较长，如半径150~200 nm的纳米气泡可在水中持续存在两周。微纳米气泡不需要外界辅助即可产生羟基自由基（·OH），气泡破裂时，气液界面剧烈变化将界面上高浓度的正负离子积蓄的能量释放，激发产生大量的·OH 。

相比传统方法，微纳米气泡臭氧技术能够更彻底地去除水中难降解有机污染物，在生态环境保护领域具有广阔的应用前景。根据不同的气泡产生机制，目前微纳米气泡主要制备方法有加压溶气释气法、分散气体法以及电解法3种。

试验装置

为对比微纳米气泡强化臭氧催化氧化与传统臭氧催化氧化处理难降解有机废水的效果，设计2组平行试验装置如图1所示。图1（a）为微纳米气泡试验装置，采用加压溶气释气法制备微纳米气泡。加压溶气释气法原理[13]是在加压的条件下使空气溶于水，形成过饱和的溶液，随即降低压力释出大量的微纳米气泡，该方法产生的微纳米气泡粒径均匀且数量多。图1（b）为传统曝气试验装置，采用鼓泡方式产生大气泡。

结论

（1）与传统大气泡相比，微纳米气泡可提高臭氧与水相的传质效率，增加臭氧在被处置水体中的溶解度，在水体中持续时间长达数天，改进了传统曝气方式传质效率低下和臭氧溶解度低等限制性缺点，且气泡破裂时可产生大量·OH，增强对臭氧高级氧化的间接反应。

（2）反应机制分析证明，臭氧催化氧化作用主要是通过促进·OH和[Math Processing Error]等强氧化性基团的生成对水中有机污染物进行高效降解，且·OH占主导作用。相较于传统曝气臭氧氧化，微纳米气泡大幅提升了对难降解有机物的降解能力，硝基苯（NB）的去除率达89.42%。

（3）加压溶气释气法所制备的微纳米气泡纳米粒径均匀，对臭氧催化氧化的强化效果显著，但微纳米气泡的产生过程不连续，导致效率无法提高，仍需继续探索更优微纳米气泡制备工艺。