超声耦合臭氧高级氧化技术(USONiQ)在污水深度处理中的效能评估：低臭氧剂量下高效去除微污染物并抑制溴酸盐生成

针对传统臭氧氧化技术能耗高、易产生致癌副产物溴酸盐(BrO3 - )等问题，研究人员开发了集成超声波与OptimiXer?注入系统的USONiQ臭氧高级氧化工艺。研究表明，该系统在0.24 gO3 /gDOC 的低臭氧剂量下即可实现80%微污染物(MPs)平均去除率，且在高溴化物(1000 μg/L)条件下仍能有效抑制溴酸盐生成，为污水处理厂提供了一种高效节能的新型解决方案。

　　

随着工业化进程加速，城市污水处理厂(WWTP)排放的微污染物(MPs)已成为地表水污染的主要来源。尽管德国等发达国家已建立高标准污水处理体系，但地表水化学状态仍被评估为"不良"，其中药物（如双氯芬酸、卡马西平）、杀菌剂（苯并三唑类）和全氟化合物等难降解有机物尤为突出。传统生物处理工艺对这些物质的去除率差异显著（7%-100%），特别是卡马西平等顽固性物质去除率不足10%。更棘手的是，当前广泛应用的臭氧高级氧化技术(AOP)虽能有效降解MPs，但存在两大瓶颈：一是典型臭氧剂量需0.3-0.8 g_O3

/g_DOC
才能达标，能耗居高不下；二是当废水中溴化物(Br^-
)超过150 μg/L时，易生成致癌性溴酸盐(BrO₃
^-
)，这直接制约了该技术的推广应用。

为突破这些技术壁垒，USONIQ Technologies GmbH的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表研究，开发了革命性的USONiQ臭氧氧化系统。该系统创新性地将超声波共振器与专利OptimiXer?臭氧注入装置集成于模块化反应器，通过增强臭氧传质效率和促进羟基自由基(^•
OH)生成，实现MPs的高效降解。研究团队在德国Hamminkeln污水处理厂建立中试装置，采用连续流与批次实验相结合的方式，系统评估了不同水力负荷（12.5-46.9 m3/h）和溴化物浓度（天然本底至1000 μg/L）下的MPs去除效能与溴酸盐生成特性。关键实验技术包括：1）采用串联管式反应器构建连续处理系统，集成超声波单元与旋转盘式臭氧注入器；2）运用液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)检测22种MPs；3）通过离子色谱-电感耦合等离子体质谱(IC-ICP-MS)分析溴酸盐；4）设计批次实验模拟极端条件，采用DOC标准化臭氧剂量(g_O3

/g_DOC
)进行横向比较。

研究结果揭示出三大突破性发现：

3.1 处理效能显著提升
在仅考虑臭氧单元时，系统在0.3 g_O3

/g_DOC
剂量下即可使4种NRW指示物（双氯芬酸、磺胺甲恶唑、克拉霉素、卡马西平）去除率达80%以上。当计入生物处理单元的协同作用后，系统在0.24 g_O3

/g_DOC
的超低剂量下即实现六种指示物平均80%去除率，较传统臭氧系统降低20-70%的臭氧需求。对扩展监测清单中的顽固物质（4/5-甲基苯并三唑总和、坎地沙坦等），在0.49 g_O3

/g_DOC
剂量下去除率提升至85%-95%。

3.2 溴酸盐抑制效果惊人
在连续运行中，即使溴化物浓度达170 μg/L（均值90 μg/L），溴酸盐始终低于检测限。极端条件测试显示，即使将溴化物人为加标至1000 μg/L（10倍风险阈值）、臭氧剂量提高至1.3 g_O3

/g_DOC
，22个样品中仅2个检出溴酸盐（<10 μg/L饮用水限值）。这种抑制效应归因于OptimiXer?创造的均匀反应环境，避免了局部臭氧过饱和，同时<1分钟的短水力停留时间阻断了Br^-
→HOBr→BrO₃
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的完整转化链。

3.3 运行稳定性突出
流量变化测试表明，在12.5-46.9 m3/h范围内MPs去除率保持稳定，系统可实时响应进水流量0-300 L/s的剧烈波动。此外，当臭氧剂量>0.3 g_O3

/g_DOC
时，出水大肠杆菌和肠球菌数量满足欧盟 bathing water标准，展现协同消毒功能。

这项研究为污水处理领域带来三重革新：技术层面，USONiQ系统通过超声空化与高效传质的协同效应，将AOP能效提升至新高度；应用层面，其模块化设计解决了传统臭氧系统占地大、混合不均的痛点；环境安全层面，溴酸盐抑制特性使该技术特别适合高Br^-
废水处理。值得注意的是，虽然超声波单元增加能耗，但臭氧需求的显著降低可能使净能耗优于传统系统，这为后续生命周期评估(LCA)研究指明了方向。随着欧盟新版城市污水处理指令(UWWD)将MPs控制纳入强制要求，该技术为污水处理厂达标提供了兼具经济性与合规性的解决方案，对保护水生生态系统和饮用水安全具有深远意义。