水力空化联合臭氧技术对制革二级出水悬浮固体的高效去除研究

《Desalination and Water Treatment》：Hydro Dynamic Cavitation for Advanced Treatment of Secondary Treated Tannery Effluent

本研究针对制革废水二级处理后仍存在化学需氧量(COD)、高总溶解固体(TDS)及悬浮固体(TSS)导致的处理难题，创新性地将水力空化(HC)与臭氧氧化技术结合应用于深度处理。研究通过系统优化进口压力(2-10 bar)和臭氧投加量(2-5 LPM)，发现HC(7 bar)与臭氧(4 LPM)联用可在120分钟内实现82%的TSS去除率，显著优于单独工艺。该技术为高盐难降解工业废水提供了绿色高效的解决方案，对推动皮革行业可持续发展具有重要意义。

　　

皮革加工作为全球年贸易额超千亿美元的重要产业，在创造经济价值的同时也带来了严峻的环境挑战。特别是制革过程中产生的大量废水，即使经过二级处理后仍含有高浓度的化学需氧量(COD)、总溶解固体(TDS)和悬浮固体(TSS)，这些污染物不仅远超排放标准，更会对土壤和地下水造成长期危害。传统处理技术如超滤(UF)和反渗透(RO)虽有一定效果，但存在浓缩液处理难题和能耗高等瓶颈，亟需开发高效低耗的深度处理方案。

在这项发表于《Desalination and Water Treatment》的研究中，来自泰米尔纳德邦污染控制委员会的科研团队创新性地将水力空化(Hydrodynamic Cavitation, HC)技术与臭氧氧化相结合，针对二级处理后的制革废水开展深度处理研究。该研究首次将处理重点从常规的有机物氧化转向悬浮固体去除，为解决制革废水导致的土壤堵塞和渗透阻滞问题提供了新思路。

研究团队采用模块化实验系统，主要技术方法包括：1）从印度丁古格尔共同污水处理厂(CETP)定期采集二级处理出水作为实验样本；2）构建包含200升进料槽、正位移泵组、臭氧发生器和20升不锈钢反应器的封闭循环系统，通过三组空化文丘里管实现多级空化效应；3）采用压力梯度实验(2-10 bar)和臭氧投加量优化(2-5 LPM)的策略，系统评估HC单独作用及其与臭氧协同作用对TSS的去除效能；4）所有水质分析均遵循美国公共卫生协会(APHA)标准方法，重点监测TSS、COD、TDS等关键指标。

3.1 HC对TSS的影响效应

通过系统测试2-10 bar进口压力下的空化效果，发现TSS去除率呈现先升后降的非线性变化。在7 bar压力下获得最佳去除效果（51%），流率提升至360 L/hr时空化微泡形成显著。值得注意的是，较低压力(2 bar)反而比较高压(4-6 bar)表现出更好的初始去除率，研究人员推测这可能与废水中有机物的干扰效应有关。300分钟连续空化实验数据显示，去除效率与时间呈正相关，多项式拟合优度(R²>0.92)证实了规律的可靠性。

3.2 空化过程的温度变化特征

研究发现HC过程会导致废水温度持续上升，300分钟运行后温度增幅达初始值的50%。但压力参数对温升影响不明显，表明能量转化主要取决于空化持续时间而非压力强度，这为工程化应用的能耗控制提供了重要依据。

3.3 臭氧单独处理效能

在7 bar背景压力下，2 LPM和5 LPM臭氧投加实验显示，较高流速(5 LPM)在300分钟时获得72%的TSS去除率，较2 LPM提升12%。对数拟合曲线(R²>0.89)表明臭氧氧化效率随时间增长逐渐趋于饱和，高流速下可能因pH酸化（降至弱酸性）反而抑制反应效率。

3.4 HC-臭氧协同机制

最具突破性的发现来自联合工艺——在7 bar空化压力下注入4 LPM臭氧时，仅需120分钟即实现82%的TSS去除率，耗时较单独工艺缩短50%以上。文丘里管喉部产生的剧烈湍流显著强化了臭氧的气液传质效率，实验观察到废水在15分钟内即发生明显脱色现象。值得注意的是，2 LPM臭氧联合空化仍能达到78%去除率，而5 LPM因导致pH失衡使效率降至76%，证实中性偏碱环境最有利于协同反应。

3.5 优化工艺参数集成

通过系统对比，研究人员最终确定三级优化方案：单独HC工艺(7 bar, 300分钟)可实现50%去除率；单独臭氧(5 LPM, 7 bar, 240分钟)达72%；而HC-臭氧联合(4 LPM, 7 bar, 120分钟)可将效率提升至82%，且时间成本大幅降低。

这项研究的重要意义在于首次证实HC-臭氧协同技术对制革废水悬浮固体去除的特殊效能。相较于传统聚焦COD去除的先进氧化工艺，该方案精准针对TSS导致的土壤堵塞难题，为高盐工业废水的深度处理提供了新范式。特别值得注意的是，联合工艺在120分钟内实现82%去除率的表现，显著优于已报道的70% sewage处理效率和100%渗滤液处理数据，且能耗压力(7 bar)处于工程适用范围。研究揭示的pH调控规律（中性偏碱环境最优）和温度无关性特征，为后续工程放大提供了关键参数依据。这项成果不仅为制革行业废水治理提供了经济可行的技术路径，更启示研究者重新审视传统工艺在新污染治理领域的应用潜力，对推动工业废水处理技术革新具有里程碑意义。