臭氧氧化广泛应用于废水处理中，但其效率往往受限于臭氧的低溶解性和不充分的气液传质。高重力技术通过在离心场中增强液膜更新、界面接触和微混合，提供了一种有效的强化策略。该综述总结了高重力臭氧氧化在废水处理中的最新进展。讨论了臭氧氧化的基本氧化路径、典型高重力反应器的特征以及其在均相和非均相系统中的最新应用。目前的研究表明，高重力臭氧氧化能显著提高臭氧利用率、污染物降解率和矿化效率。据报道，在非均相催化高重力系统中，平衡溶解臭氧浓度和臭氧分解速率常数分别是传统鼓泡反应器的2.5倍和2.6倍，从而显著增强了污染物和总有机碳（TOC）的去除。这些发现凸显了高重力臭氧氧化在强化废水处理方面的潜力。尽管取得了这些进展，其实际应用仍面临一些挑战，包括对真实废水的适应性、副产物和毒性控制、反应器放大、催化剂稳定性、经济可行性以及能源需求等方面。该综述为高重力臭氧氧化技术的进一步发展和工程应用提供了有用的参考。
1. Introduction
清洁水对人类健康、社会稳定和经济发展至关重要。随着城市化的加速和农业活动的不断扩张，水资源需求稳步增长，而水污染日益严重，加剧了全球水资源短缺。工业化和农业活动产生了大量含有污染物的废水，开发高效的废水处理和水回用技术变得极为迫切。现有的废水处理技术主要包括物理、化学和生物方法，而常见的高级处理工艺涉及膜分离、吸附、混凝-絮凝、微生物处理和化学氧化。高级氧化过程通过产生高活性自由基实现难降解有机污染物的高效去除。其中，臭氧氧化是水处理中应用最广泛的氧化技术之一。然而，传统臭氧氧化的实际性能受到臭氧水溶性低、气液传质不足、臭氧分布不均和未利用臭氧流失等缺点的制约。为了克服传统臭氧反应器的局限性，高重力技术被引入到废水处理的臭氧氧化过程中。这是一种典型的过程强化技术，通常采用旋转填充床（RPB）作为核心设备。通过离心力产生高重力场，流体在旋转条件下承受巨大的离心加速度，从而显著增强液膜更新、界面接触效率和微混合强度，并实现传质、混合和化学反应的协同强化。其优点包括结构简单、设计紧凑、占地面积小、吞吐量大以及优良的传质性能。本综述总结了高重力技术在基于臭氧氧化的废水处理中应用的最新进展，系统地研究了高重力反应器构型和操作模式如何影响臭氧溶解、气液界面更新、活性物种生成和臭氧利用，并进一步总结了均相和非均相催化系统的最新进展。
2. Reaction Chemistry of Ozonation
水溶液中的臭氧氧化主要通过两种途径进行：分子臭氧的直接氧化和臭氧分解引发的间接氧化。前者主要特征是臭氧对污染物中特定官能团的选择性攻击，而后者通过产生如·OH、HO2·和HO3·等活性物种实现污染物的非选择性降解。在某些耦合系统中，还可能进一步形成SO4·?、CO3·?和Cl·等活性自由基。
2.1. Direct and Indirect Oxidation Mechanisms of Ozonation
在酸性至中性条件下，分子臭氧与污染物的直接反应通常占主导地位；而在碱性条件下，臭氧更容易分解产生活性氧化物种。当pH值超过5时，·OH开始形成，随着pH值的进一步升高，臭氧分解速率和间接氧化的贡献显著增加。与分子臭氧相比，·OH表现出更低的反应选择性和更强的氧化能力，其氧化电位约为2.8 V，高于臭氧（2.07–2.08 V）。因此，·OH能够以接近扩散控制的速率与各种有机污染物反应，在难降解有机物的去除中发挥重要作用。
2.2. Reaction Mechanisms of Typical Inorganic/Organic Constituents with O3 and Radicals
在臭氧化系统中，共存的无机成分可以通过促进O3分解、清除·OH或改变二次活性物种的分布来调节分子臭氧氧化和自由基氧化的相对贡献。H2O2/HO2?是臭氧分解的促进剂，能引发臭氧的链式分解并促进·OH的生成。HCO3?和CO32?是常见的·OH清除剂，两者与·OH反应生成CO3·?，相较于·OH，其氧化电位较低，但具有更高的选择性和持久性。Cl?对臭氧化系统的影响较为复杂，可以与·OH反应生成活性氯物种，从而降低游离·OH的浓度。SO42?通常作为背景阴离子，与·OH反应生成SO4·?，其具有相当或更高的氧化电位、更高的选择性和更长的寿命。共存的污染物分子结构也与反应路径密切相关，含富电子部分的污染物通常通过直接氧化反应，而难降解化合物通常需要自由基介导的氧化。
3. Typical HiGee Reactors for Ozonation
高重力技术是一种典型的过程强化方法，高重力场的强度通常由高重力因子β描述。与传统气液接触器相比，高重力反应器能显著降低液膜厚度，加速气液界面更新，强化流体湍流和微混合，从而提高传质速率和反应效率。目前已应用于臭氧水处理的高重力反应器主要包括旋转填充床、定子-转子反应器和折流式旋转床。
3.1. Rotating Packed Bed
旋转填充床是最具代表性的高重力反应器之一，由旋转填料转子、外壳、液体分布器和气体/液体进出口组成。在操作过程中，液体在离心力作用下从转子内边缘向外边缘径向流动，而气体通常从外边缘流向内边缘，形成径向逆流气液接触模式。它能显著降低液膜厚度并加剧湍流，从而显著提高气液传质效率，是目前应用最广泛的高重力反应器构型。此外，还开发了气挡式旋转填充床和浸没式旋转填充床等改进构型，通过调节气液流动路径延长气体停留时间，进一步强化传质性能。
3.2. Rotor-Stator Reactor
定子-转子反应器由多个同心的转子环和定子环交替排列组成，具有开式结构且易于调整。流体进入后不断经历转子捕获加速、定子碰撞扰动和多级再分布，呈现出显著的非均匀多尺度流动特征。液体破裂主要发生在转子环附近的高剪切区域。这种结构使其具有频繁的流体更新、高微混合效率、操作灵活且不易堵塞的优点。
3.3. Rotating Zigzag Bed
折流式旋转床是一种基于高重力原理的新型旋转接触器，由旋转盘和固定盘组成，径向交替排列有旋转挡板和固定挡板。气体和液体在挡板间隙中以曲折路径逆流流动，液体在离心力作用下不断经历分散、聚结和再分布。与传统RPB相比，它采用挡板结构代替传统填料，无需液体分布器和动态密封，允许中间进料。其独特的结构能有效延长气液接触路径和停留时间，在质量传递分离过程中表现出良好的工程适应性。
3.4. Comparative Remarks on HiGee Reactors for Ozonation
尽管这些高重力反应器都能强化气液接触，但它们在臭氧化过程中的适用性很大程度上取决于反应器结构和工艺限制。在RPB中，填料层可能导致较短的液体停留时间；在RSR中，转子和定子环交替剪切液体，有利于快速的臭氧反应；在RZB中，能增加液体持液量和接触时间，但也可能增加流动阻力和功率需求。当臭氧溶解和传质为主要限制时，RPB更为适用；需要快速微混合时，RSR可能更优；需要较长接触时间时，可考虑RZB。
4. Wastewater Treatment by HiGee Homogeneous Ozonation
在高重力均相臭氧化系统中，臭氧在没有固体催化剂的情况下与污染物反应，包括单独臭氧化以及与H2O2、PS和Fe2+等均相氧化剂耦合的高级氧化过程。高重力场能显著强化气液传质，提高臭氧利用率和污染物去除性能。
4.1. HiGee Ozonation Alone
在单独臭氧化系统中，污染物去除主要通过分子臭氧直接氧化和臭氧分解产生的自由基间接氧化的共同作用实现。研究表明，增加pH值和转速可加速水相臭氧分解，表明高重力场不仅增强传质，还影响直接臭氧化和自由基介导氧化的相对贡献。文献中有研究提出液体滞留现象，通过调节出口液体流量在反应器底部保留特定体积的液体，延长液相停留时间并增加持液量，从而强化传质和氧化反应，但也会增加压力降和能耗。此外，通过结构优化如GB-RPB和SRPB可以改善气液分布和界面更新，实现快速降解难降解污染物，甚至在较低Ct值下也能实现高灭活率。然而，单独臭氧系统的深氧化和矿化能力本质上有限，促使研究人员引入其他氧化剂。
4.2. Applications of the HiGee O3/H2O2 System in Water Treatment
O3/H2O2联合系统克服了单臭氧系统在氧化选择性和深度矿化方面的局限。过氧化氢促进臭氧分解并加速羟基自由基的生成，增强非选择性氧化能力。在高重力条件下，传质强化与自由基反应加速可同时进行，在处理难降解有机废水方面潜力巨大。研究表明，高重力O3/H2O2系统不仅能改善污染物转化，还能促进更完全的氧化路径，降低中间产物残留，其性能依赖于氧化剂用量、臭氧浓度和反应器操作条件。
4.3. Applications of the HiGee O3/Persulfate System in Water Treatment
O3/过硫酸盐系统耦合了臭氧与过一硫酸盐或过二硫酸盐。在O3/PMS系统中，PMS与臭氧反应通过中间活性物种生成SO4·?和·OH，拓宽了活性物种来源并增强了间接氧化能力。在液体滞留增强的RPB/O3/PMS系统中，适当的滞留液体体积能同时提高臭氧吸收和PMS活化。O3/PDS系统在碱性条件下通过反应中间体活化PDS生成SO4·?，研究表明高重力O3/PDS系统能同时增强臭氧传质并促进·OH和SO4·?的生成，大幅提高难降解污染物的降解效率。
4.4. Applications of Fe2+-Assisted HiGee Ozonation System in Water Treatment
引入Fe2+显著改变了臭氧化系统的反应机制。传统上认为是单电子转移引发自由基路径，生成·OH。然而，越来越多证据表明高价铁氧物种Fe(IV)=O也是关键中间体，具有强氧化能力和更高选择性。在真实应用中，高重力Fe2+辅助臭氧化系统已扩展到O3/PS/Fe2+等多氧化剂复杂系统。研究证实O3/PS/Fe2+过程处理染料废水的效果优于单独氧化，在处理芳香胺等废水时表现出快速降解和显著的矿化能力。高重力场有效增强了臭氧向液相的转移及其与Fe2+等的协同反应。
4.5. Comparative Remarks on HiGee Homogeneous Ozonation Systems
总体而言，均相系统呈现出从单独臭氧向多氧化剂系统的发展趋势。各系统在活性物种产生和矿化能力上各有优势与局限。目前研究多使用模拟废水，对实际废水的适应性验证不足，且往往未能定量区分各氧化途径的贡献，副产物演变和毒性变化也较少受关注，未来需建立更全面的评估框架。
5. Wastewter Treatment by HiGee Heterogeneous Ozonation
非均相催化臭氧化系统通过固体催化剂在界面促进臭氧活化，具有活性高、易分离和二次污染低的优势。高重力条件下的传质和微混合强化进一步放大了臭氧与催化剂表面的相互作用。
5.1. Activated Carbon and Carbon-Based Catalysts
活性炭催化臭氧化通常源于表面吸附、电子转移和活性氧生成的协同效应。比表面积大、微孔发达、表面碱性强的活性炭更有利于促进臭氧分解。在RPB处理酚类废水中，活性炭作为催化剂和填料实现了快速降解和显著矿化，体现了高重力传质与催化分解的协同作用。
5.2. Supported Metal-Based Catalysts
负载型金属催化剂因其可调成分和活性位点被广泛应用于高重力非均相臭氧化系统。Fe、Mn、Co等金属负载于γ-Al2O3等载体上，丰富的表面羟基和氧 vacancies 能促进臭氧吸附和分解。研究发现，这些催化剂在高重力条件下显著增强气液固接触，提高难降解污染物的降解和矿化效率，并在高盐度或重金属共存等复杂水质适应性上表现出显著优势。
5.3. Monolithic and Structured Catalysts
整体式和结构化催化剂的强化效果主要源于其规则结构对臭氧活化的促进。如陶瓷蜂窝载体通过表面羟基位点促进臭氧分解。其优势在于提供稳定的结构反应界面并具有较低的压降和良好的放大潜力。一些研究验证了Ce-Co/CH催化剂在RPB中应用的有效性，Co2+/Co3+与Ce3+/Ce4+的氧化还原循环促进了臭氧持续活化和矿化。然而，在处理实际废水时，污染物沉积导致的堵塞和活性降低仍需重点关注。
5.4. Comparative Remarks on HiGee Heterogeneous Catalytic Ozonation Systems
非均相催化系统结合了高重力反应器传质强化和界面臭氧活化的优势。碳基催化剂提供吸附与催化位点；金属负载催化剂展现出更强催化活性；整体式催化剂结构稳定且易于工程放大。但是，长期稳定性、金属浸出和失活机制等研究仍不充分，未来需重点开发具有高活性和机械稳定性的催化剂。
6. Challenges and Outlook
6.1. Challenges
实际废水的复杂性对高重力臭氧化技术构成挑战，共存物质会引发自由基清除和竞争反应，影响系统效能。副产物形成及其毒性风险也是难以忽视的问题，部分中间产物可能具有更高毒性，且对特定控制副产物缺乏系统监测。反应器放大后的处理性能及规律存在不确定性，流体力学行为和传质效率易发生改变。催化剂的长期稳定性和再生性同样面临活性位点覆盖与孔道堵塞等失活风险。此外，技术上对经济可行性和能源需求的评估仍不充分，缺乏标准化的能耗比较指标。
6.2. Outlook
未来研究应由实验室条件下的性能验证向面向工程应用的研究转变。需深入理解实际复杂水质条件下的行为，关注副产物的演变规律，通过流体动力学模型优化反应器构型。采用计算流体力学、数据驱动等方法辅助理解高重力流场与传质特征，结合在线监测为数字孪生辅助的过程控制奠定基础，从而推进高重力臭氧化技术的工业化与智能化应用。
7. Conclusions
高重力臭氧化通过引入高重力场，显著强化了臭氧溶解、界面更新和微混合，提高了臭氧利用率和活性物种生成。RPB、RSR和RZB等多种反应器构型展现了显著的工艺强化优势。均相与非均相系统均表现出巨大的应用潜力，通过气液传质与自由基生成或界面催化的协同作用，实现了难降解污染物的高效降解和矿化。尽管技术前景广阔，但从实验室走向应用仍面临实际废水适应性、放大规律及长期稳定性的瓶颈。未来需重点关注长期连续运行验证、反应器优化与技术经济评估，以加速该技术在难降解废水处理领域的实际工程应用。
