“编者在24年10月17日文献情报中关注到中科院生态环境研究中心张伟军课题组和东北电力大学杨鹏课题组提出猪场二级出水中有机物降解的分子见解，进行高级氧化工艺的比较研究，特邀该团队为本公众号撰写了该研究的亮点部分，希望该研究成果能给关注者启发，从中获得灵感，促进天然有机质研究工作的开展。”
导读
猪场废水经过常规生化工艺处理后出水中仍含有较高浓度的有机污染物，化学需氧量（COD）指标难以满足日趋严格的国家和地方标准。高级氧化工艺（AOPs）是猪场二级出水有机物（EfOM）深度去除的有效手段，然而不同AOPs工艺在深度处理过程中对有机物的去除、降解效果和转化规律存在显著差异，且从EfOM分子层面机制的理解十分有限。该研究旨在从分子层面综合对比不同AOPs工艺对猪场二级出水中EfOM的降解去除效率；揭示不同AOPs体系中潜在的EfOM转化反应类型；深入解析AOPs难以降解的EfOM分子组成与结构特征。该研究结果将为未来猪场二级出水深度处理技术的精确优化和选择提供科学依据。
该研究以实际猪场二级出水为处理对象，采用傅里叶变换离子回旋共振质谱（FT-ICR-MS）综合对比了Fenton、UV-Fenton、Cu-Fenton、UV-Cu-Fenton和UV/H2O2深度处理前后EfOM的选择性去除、降解与转化机制，主要的研究结果如下：
（1）研究结果表明，从宏观和分子水平，AOPs对有机物的降解效率均呈现出以下顺序：UV-Fenton>Fenton>UV-Cu-Fenton>UV/H2O2>Cu-Fenton；各种AOPs对CHO和CHNO化合物的去除无选择性，而具有较低不饱和度和氧化度的含P化合物（CHOP和CHNOP）优先被AOPs降解；EfOM中几乎所有含S化合物（CHOS和CHNOS）在Fenton和UV-Fenton体系中被降解，而缩合的多环芳香族化合物、多酚、高不饱和度和酚类化合物以及脂肪族化合物更倾向被AOPs去除并会部分转化成碳水化合物（图1）；
（2）在铜基AOPs和UV/H2O2系统中，氧加成是其主要分子转化反应类型，占20.8%-28.8%，而基于铁的AOPs中与氧加成相关的分子转化反应类型数量则较少；另外含N化合物（即CHNO和CHNOP分子）的脱胺（18.1%-27.6%）也是AOPs中的重要反应类型（图2）；UV-Fenton作为最有效的EfOM深度去除技术，但仍在处理后检测出1179个难降解的分子化合物，包括921个CHNO分子化合物和258个CHO分子化合物。难降解EfOM分子化合物呈现高氧化度和低分子量的特点，羰基、羧基、苯基、硝基和氨基是难降解分子化合物的典型基团（图3）；
（3）研究结果表明UV-Fenton是去除猪场二级出水中EfOM最有效的技术手段，但产生的铁泥需要按危险废弃物标准进行处理，这对铁基AOPs的工程应用提出了挑战；另外UV-Fenton处理后仍存在大量高氧化度的分子化合物，因此针对高氧化度化合物具有更强氧化降解能力的基于硫酸根自由基的AOPs，或与其它技术（如纳滤膜可以选择性分离高氧化度有机分子）的耦合工艺是猪场二级出水深度处理的优选方案。
▲图1 不同AOPs处理后EfOM的Van Krevelen图：（A）Cu-Fenton、（B）UV-Cu-Fenton、（C）Fenton、（D）UV-UV-Fenton、（E）UV/H2O2；（F）不同AOPs处理后的猪场二级出水中基于产生和转化的EfOM的实际去除率（来源：ScienceDirect）
▲图2 按前驱物元素组成分类的潜在反应数量：(A) Cu-Fenton、(B) UV-Cu-Fenton、(C) Fenton、(D) UV-UV-Fenton和(E) UV/H2O2；（F）前驱物-产物对中具有不同元素组成的前驱物的百分比（来源：ScienceDirect）
▲图3 （A）不同AOPs体系中难降解EfOM分子的数量；（B）难降解EfOM分子的VK图；难降解EfOM分子中（C）CHNO和（D）CHO分子的DBE与MW图；（E）难降解EfOM中Ox和N1Ox物种的数量；（F）难降解EfOM分子中N2-4Ox物种的数量（来源：ScienceDirect）
[1] Lanfeng Li, Niannian Sun, Siwei Peng, Qiyuan Yang, Peng Yang*, Hao Zhou, Jing Ai, Hang He*, Dongsheng Wang, Weijun Zhang. Molecular insights into the degradation of organic matter from secondary swine wastewater effluent: A comparative study of advanced oxidation processes[J]. Chemical Engineering Journal, 2024, 500: 156761.
联系作者:
杨鹏，教授，东北电力大学建筑工程学院，Email:yangpeng326@126.com
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本文编辑：谷婷婷
本文审订：何伟
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