多阵列介质阻挡放电等离子体射流高效处理灰水的创新研究

本研究针对全球淡水短缺问题，创新性地采用介质阻挡放电（DBD）等离子体技术处理灰水，通过优化电压（7.6 kV）、气体流速（500 mL/min）等参数，实现90%污染物去除率，显著降低磷酸盐（38.05→15.96 ppm）和硫酸盐（13.65→6.23 ppm）。研究证实单线态氧（1O2）、羟基自由基（·OH）和臭氧（O3）是降解关键活性物种，为非热等离子体技术在灰水回用领域提供可持续解决方案。

　　

随着全球人口增长和城市化进程加速，淡水资源的供需矛盾日益尖锐。灰水（来自沐浴、洗衣等生活污水）占家庭用水量的30%-50%，其回用被视为缓解水资源压力的关键策略。然而传统处理方法如物理过滤、生物降解等存在效率低、占地面积大、易产生二次污染等缺陷。在此背景下，非热等离子体技术因其高效、绿色、可原位产生活性氧物种的特性，成为水处理领域的新兴研究方向。

研究人员通过介质阻挡放电（DBD）等离子体射流系统，以空气为载体气体，将等离子体活性物种通过鼓泡方式引入灰水。实验采用合成灰水（含磷酸盐38.05 ppm、硫酸盐13.65 ppm），通过调控电压、处理时间等参数，发现7.6 kV电压配合500 mL/min气体流速处理60分钟时，30 mL反应体系中污染物去除率达90%。离子分析显示磷酸盐和硫酸盐分别降低58%和54%。清除剂实验证实单线态氧（¹O₂）、羟基自由基（·OH）和臭氧（O₃）是降解过程的主要活性物种。该研究为分散式灰水处理提供了创新方案，其能量效率较传统高级氧化工艺（AOPs）提升显著。

关键技术包括：1）多阵列DBD等离子体射流系统构建；2）气相色谱-质谱联用技术分析活性物种；3）化学需氧量（COD）测定评估处理效率；4）离子色谱法追踪磷酸盐/硫酸盐浓度变化；5）清除剂实验鉴定关键活性中间体。

结果与讨论

1. 参数优化：在7.6 kV电压下，等离子体产生的活性物种浓度达到峰值。气体流速超过500 mL/min时，气泡停留时间缩短导致传质效率下降。
2. 污染物降解机制：臭氧（O₃）与水反应生成·OH，其氧化电位（2.8 V）显著高于直接臭氧氧化（2.07 V），这是高效降解的关键。
3. 实际应用潜力：系统能耗为0.45 kWh/m³，低于传统电化学工艺（1.2-2.5 kWh/m³），适合建筑内分散式处理。

结论
该研究证实DBD等离子体技术能高效矿化灰水中的有机/无机污染物，其优势在于：1）避免化学药剂投加；2）反应器体积仅为生物法的1/5；3）可模块化集成。未来研究需解决电极寿命和规模化放大问题。论文发表于《Journal of Water Process Engineering》，为应对全球水危机提供了颠覆性技术路径。