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導(dǎo) 讀

紫外（UV）是飲用水處理中常用消毒方式之一，因具有良好的殺菌滅活效率，消毒過(guò)程不產(chǎn)生“三致”毒性消毒副產(chǎn)物，近年來(lái)在國(guó)內(nèi)外自來(lái)水廠得到廣泛應(yīng)用?；谧贤獾母?級(jí)氧化技術(shù)已成為當(dāng)前水處理領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)前沿，且被證實(shí)在氧化殺菌和強(qiáng)化有機(jī)污染物去除方面具有突出效果。當(dāng)前水廠常用紫外光源為低壓和中壓紫外汞燈，存在光照劑量不足和波長(zhǎng)不匹配等問(wèn)題，限制了紫外高 級(jí)氧化等新技術(shù)在實(shí)際工程中的推廣應(yīng)用。本文借助光學(xué)領(lǐng)域的最新發(fā)展成果，提出了基于復(fù)合波長(zhǎng)紫外發(fā)光二極管（UV-LED）和集束型高光強(qiáng)紫外激光（UV-Laser）的新型高 級(jí)氧化反應(yīng)體系，為紫外高 級(jí)氧化在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中面臨的自由基產(chǎn)率低、有機(jī)污染物去除不徹底和消毒副產(chǎn)物產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)高等問(wèn)題提供了新的解決思路（如圖1）。

（a: UV-LED；b: UV-Laser）

圖1 新型紫外光源

圖2 波長(zhǎng)和pH對(duì)UV/氯高 級(jí)氧化降解有機(jī)物的影響機(jī)制

2.2 復(fù)合波長(zhǎng)疊加強(qiáng)化污染物去除并控制副產(chǎn)物生成風(fēng)險(xiǎn)

由于UV/氯高 級(jí)氧化技術(shù)會(huì)產(chǎn)生活性氯自由基，在降解有機(jī)物過(guò)程中存在較高鹵代消毒副產(chǎn)物生成風(fēng)險(xiǎn)，這也是該技術(shù)一大局限?？紤]到UV-LED存在不同波長(zhǎng)的燈珠，可實(shí)現(xiàn)自由搭配組合，同時(shí)不同波長(zhǎng)照射下的自由基種類和產(chǎn)率也存在差異。因此，本研究提出了基于復(fù)合波長(zhǎng)疊加的UV-LED/氯高 級(jí)氧化新方案。研究中試驗(yàn)了265nm和280nm UV-LED的疊加方案，發(fā)現(xiàn)同等紫外劑量下，265+280nm UV-LED/氯高 級(jí)氧化對(duì)目標(biāo)污染物碘帕醇的去除速率明顯快于兩種單波長(zhǎng)體系下去除速率的理論之和，具有明顯的波長(zhǎng)疊加協(xié)同促進(jìn)效應(yīng)。而且雙波長(zhǎng)疊加降解碘帕醇過(guò)程中生成的碘代三鹵甲烷副產(chǎn)物，盡管略高于280nm單波長(zhǎng)體系（該波長(zhǎng)下目標(biāo)污染物降解效果差），但顯著低于265nm單波長(zhǎng)體系。綜合來(lái)看，265+280nm雙波長(zhǎng)疊加UV-LED/氯高 級(jí)氧化技術(shù)，對(duì)于碘帕醇高效降解和碘代副產(chǎn)物生成控制具有良好效果。

圖3 基于復(fù)合波長(zhǎng)疊加的UV-LED/氯高 級(jí)氧化對(duì)碘帕醇的去除及碘代副產(chǎn)物生成控制

3 新型紫外激光/過(guò)硫酸鹽高 級(jí)氧化技術(shù)

3.1 集束型高光強(qiáng)紫外激光對(duì)自由基產(chǎn)率的提升作用

紫外激光（UV-Laser）是一種單波長(zhǎng)新型紫外光源，與其他低壓、中壓紫外汞燈及UV-LED光源不同的是，UV-Laser是一種集束型的點(diǎn)狀光源，與水的接觸面積較小，但能量集中，能在局部區(qū)域產(chǎn)生較高光強(qiáng)，在高 級(jí)氧化體系中能激發(fā)產(chǎn)生更多自由基。如本研究采用266nm深紫外激光器激發(fā)過(guò)硫酸鹽（PS）時(shí)，在控制相同紫外劑量和PS濃度條件下，集束型紫外光束較擴(kuò)散型光束，硫酸根自由基（SO4-·）和羥基自由基（·OH）穩(wěn)態(tài)濃度均有大幅提升。在集束型UV-Laser/PS高 級(jí)氧化體系中，雙酚A等目標(biāo)污染物可實(shí)現(xiàn)秒級(jí)降解和礦化（如圖4所示）。此外，UV-Laser/PS應(yīng)用時(shí)，反應(yīng)容器過(guò)小的深徑比（h/D）不利于光線的接觸反應(yīng)，而h/D過(guò)大時(shí)局部產(chǎn)生的大量自由基難以及時(shí)擴(kuò)散，易發(fā)生自淬滅反應(yīng)，與目標(biāo)污染物接觸反應(yīng)機(jī)率降低，因此UV-Laser光線的入射方式與反應(yīng)容器適配性是關(guān)系該種新型光源能否高效應(yīng)用的關(guān)鍵影響因素，值得深入探究。

圖4 266nm UV-Laser/PS對(duì)自由基產(chǎn)率的提升及對(duì)目標(biāo)污染物雙酚A的快速降解

與傳統(tǒng)低壓紫外（LPUV）/PS體系相比，集束型高光強(qiáng)UV-Laser/PS降解某些有機(jī)污染物過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生具有特征官能團(tuán)結(jié)構(gòu)的電子穿梭物質(zhì)，提升氧化還原反應(yīng)速率，加快目標(biāo)污染物降解。如本研究在降解目標(biāo)污染物碘海醇過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)UV-Laser/PS體系的氧化還原活性明顯更強(qiáng)，產(chǎn)生的中間產(chǎn)物中存在多種電子穿梭物質(zhì)。在相同紫外劑量和PS投加量條件下，UV-Laser/PS體系比LPUV/PS體系對(duì)目標(biāo)污染物碘海醇的礦化率有明顯提升，且降解后的溶液碘代消毒副產(chǎn)物生成潛能也大幅降低（如圖5所示）。

圖5 UV-Laser/PS降解碘海醇過(guò)程中的電子穿梭效應(yīng)及其對(duì)污染物礦化提升和碘代消毒副產(chǎn)物生成潛能的削減作用

4 技術(shù)應(yīng)用前景

紫外高 級(jí)氧化技術(shù)在實(shí)際飲用水處理工程應(yīng)用中存在諸多技術(shù)瓶頸，新型UV-LED光源的科學(xué)應(yīng)用，有望克服當(dāng)前紫外波長(zhǎng)不匹配和不可調(diào)控導(dǎo)致的自由基產(chǎn)率低的難題，且UV-LED獨(dú)特的外形設(shè)計(jì)，也為新型紫外反應(yīng)器的研發(fā)和應(yīng)用提供了廣闊空間。而具有高能量和集束光線特征的UV-Laser光源在水處理高 級(jí)氧化中的應(yīng)用，對(duì)于實(shí)現(xiàn)難降解有機(jī)污染物的快速去除和礦化提供了良好的解決思路，隨著激光技術(shù)的飛速發(fā)展和成本的降低，基于復(fù)合波長(zhǎng)和高能深紫外激光器的新型紫外高 級(jí)氧化技術(shù)將是未來(lái)的重要發(fā)展方向。