Oxidative degradation of micropollutants by a pilot-scale UV/H₂O₂ process: Translating experimental results into multiphysics simulations

Abstract

The UV/H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> system is an effective advanced oxidation process (AOP) widely used for micropollutant abatement in drinking water and wastewater treatment plants. Recently, multiphysics simulations based on computational fluid dynamics (CFD) and chemical kinetics have shown promise by accurately depicting water treatment processes. This study demonstrates the feasibility of incorporating experimental results from a pilot-scale UV/H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> system into a multiphysics model. Various factors affecting contaminant degradation and oxidant production such as H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> dose, H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> injection methods, and reactor size were investigated. The obtained data became the basic building blocks when developing the numerical model. The model predictions exhibited a good correlation with the experimental results. 3-D visualizations using the model allow further in-depth analysis of the distribution of oxidants and target pollutant in the UV photoreactor, providing insights into the possibilities of reactor optimization.

Degradation of residual dyes in actual textile wastewater using UV/H₂O₂: Evaluation of the impact of operating variables through multi-layer perceptron analysis

“…Conventional wastewater treatment methods, such as adsorption, coagulation, filtration, and biological treatment, have limitations when it comes to effectively removing non-biodegradable color-causing organic compounds [16]. To overcome these limitations, advanced oxidation processes (AOPs) such as Fenton [17], UV/H 2 O 2 [18], and ozonation [19] have been introduced in textile wastewater treatment to enhance the removal of residual organic pollutants. AOPs employing strong oxidizing agents can generate various reactive oxygen species, including hydroxyl radicals (•OH), which react with non-biodegradable organic compounds [20][21][22].…”

UV/H<sub>2</sub>O<sub>2</sub> oxidation promotes the formation of highly toxic haloacetaldehydes during chlorination of drinking water

“…byproducts, DBPs) [3] 。随着全球变暖和水体富营养化，地表水有害藻华(harmful algal blooms, HABs)发生的频率不断增加 [4,5] 。在 HABs 期间，藻类代谢、衰老自溶或因外部环境胁迫而 裂解都会向水中释放藻类有机质(algal organic matter, AOM)。相比于 NOM，AOM 芳香性更 低，亲水性更强，且分子量小，难以被传统的水处理工艺(混凝、沉淀、砂滤)去除 [6,7] 。因 此，HABs 期间水中 AOM 的比例可能超过 NOM。AOM 富含氨基酸/蛋白质、碳水化合物、 脂质和核酸，是卤乙醛(haloacetaldehydes, HALs)和卤乙腈(haloacetonitriles, HANs)等高毒性 且不受管制 DBPs 的重要前体 [8] 。因此，研究不同类型 DOM 的 DBPs 生成潜能及其转变规 律，对于保障饮用水安全具有重要意义。 紫外/过氧化氢高级氧化技术(UV/H 2 O 2 advanced oxidation process, UV/H 2 O 2 AOP)通过 产生高活性的羟基自由基(hydroxyl radical, HO • )可高效降解水中的新污染物，目前已广泛应 用于饮用水处理 [9,10] 。然而，在污染物过程中，HO • 也会与 DOM 反应，改变 DOM 的结构 特征和元素组成，进而影响后氯化 DBPs 的生成潜能 [11] 。研究表明，在常用的 UV 通量和 H 2 O 2 投量下，采用 UV/H 2 O 2 处理地表水源水降低了 HAAs 生成，而 THMs 则没有明显变化 [12] 。而另一项研究却发现，UV/H 2 O 2 显著促进了 THMs 生成，且 THMs 的产率与 HO • 暴露 量呈正相关 [11,13] 。这些矛盾的结果可能是采用不同的水源水导致的。对于 AOM，前期研究 则更多关注 HO • 氧化对其组成和分子结构的影响。例如，Zhang 等人 [14] 发现 UV/H 2 O 2 可以 将 AOM 中高分子量的组分(10000 Da)降解成小分子有机物。Wan 等人 [15] 的研究也表明 UV/H 2 O 2 使 AOM 的荧光强度显著降低。显然，AOM 分子结构的改变会影响后氯化过程中 DBPs 的生成潜能。但目前关于 UV/H 2 O 2 如何影响 AOM 在后氯化过程中 DBPs 的生成尚不 清晰。 此外，溴离子(Br − )广泛存在于地表水中，浓度介于 10~1000 μg/L [16] 。在 UV/H 2 O 2 氧化 过程中，HO • 可以将 Br − 氧化成溴自由基(Br • )，但 H 2 O 2 可以将 Br • 还原为 Br − ，从而避免 Br • 与 DOM 反应生成溴代氧化产物 [16,17] 。进入后氯化消毒时，HOCl 可以将 Br − 迅速氧化成 HOBr [18] 。HOBr 比 HOCl 更具反应性，更容易与 DOM 反应生成溴代 DBPs [16,19] 。据报道， 当 Br − 与溶解性有机碳(dissolved organic carbon, DOC)的比值为 0~0.04 时，DBPs 的溴取代 因子(bromine substitution factor, BSF)随 DOM 的芳香化指数(specific UV absorbance, SUVA) 降低而升高，即具有较低 SUVA 值的 AOM 更容易通过溴取代反应生成溴代 DBPs，这是由 溴和氯与 AOM 的反应活性差异所致 [20,21] 。值得注意的是，溴代 DBPs 的细胞毒性和基因毒 性通常高于氯代 DBPs [22] 进后的 BG11 培养基 [23] 于恒温光照培养箱中培养藻类。选取稳定生长期的藻细胞，采用离 心和冻融法提取 AOM [24] 。提取的 AOM 分别命名为 MAAOM、AAOM 和 CAOM。苯酚、 间苯二酚、3,5-二羟基苯甲酸、酪氨酸、组氨酸和甲硫氨酸等模型化合物购自 Sigma-Aldrich。 1.2 实验方法 实验光源由 3 根 10 W 的低压汞灯(波长 254 nm，飞利浦)组成，光源发射准直光束。氧 化反应在直径为 7.5 cm 的圆柱形石英皿中进行，将石英皿置于光源正下方，通过磁力搅拌 器混合溶液。采用碘化物-碘酸盐光度法 [25] 测得紫外灯在溶液中的光强为 0.50 mW/cm 2 ，在 实验时间内对应的紫外能量为 750 mJ/cm 2 。将含有 3 mg C/L 的 DOM 或模型化合物、500 μg/L Br − 和 0.3 mmol/L H 2 O 2 的样品经 UV 辐照 30 min。反应后采集样品，其中一部分样品 用于氯化实验，另一部分样品用亚硫酸钠淬灭剩余的 H 2 O 2 并用于分析 DOM 理化性质。氯 化消毒实验在顶空的 60 mL 棕色样品瓶中进行，用 10 mmol/L 磷酸盐缓冲液调节 pH 至 7.0±0.1 [26] ，随后投加过量的氯淬灭剩余 H 2 O 2 并使消毒 24 h 后余氯浓度为...…”