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工業廢水通常是有毒的和不可生物降解的，因此不能應用常規的生物處理方法，成為影響缺水問題的最重要因素之一。在這種情況下，高級氧化過程(AOPs)吸引了研究人員的注意，因為這些過程可以氧化幾乎任何類型的汙染物，這是由於產生了高活性的過渡物種(主要是羥基自由基)。本研究評估了初始光催化劑濃度和輻照度對光芬頓效率的綜合影響。對於最低的鐵濃度8毫克/升，鐵限製了工藝性能。20毫克/升的實驗係列表明在光限製下進行，而對於最高的鐵濃度，過氧化氫的消耗不必要地增加，而處理時間和QUV值沒有改善。在所研究的條件下，經濟評估顯示總成本在0.76和1.39 €/m3之間，對於20 mg/L鐵和46 W/m2獲得較佳結果。在低紫外線輻照度下，從經濟角度考慮，建議使用低濃度的鐵。
缺水是一個世界性的問題。保護水資源免受汙染對人類的未來至關重要。在這種情況下，工業廢水的安全處理成為影響這一問題的最重要因素之一，這些廢水通常是有毒的和不可生物降解的，因此不能應用常規的生物處理方法。高級氧化過程(AOPs)吸引了研究人員的注意，因為這些過程可以氧化幾乎任何類型的汙染物，這是由於產生了高活性的過渡物種(主要是羥基自由基)。其中，專門研究了可以利用太陽能的處理方法，如光芬頓法。
光化學反應速率是反應區位置的函數，即使在穩定物質完全混合的條件下也是如此。這是由於光子吸收引起的輻射場不可避免的不均勻性。最近，據報道，雖然光-芬頓處理效率隨著UV輻射的增加而增加，但是它達到飽和值，超過該飽和值，UV輻射的任何增加都不會導致光-芬頓過程的改善。這樣，可用的UV輻照度和負責光子吸收的催化劑之間的相互作用對於光-芬頓處理變得至關重要。
本研究評估了初始光催化劑濃度和輻照度水平對光芬頓效率的綜合影響，當該處理作為預處理應用於有毒和不可生物降解的廢水淨化時。選擇了三個輻照度水平(18、32和46 W/m2)和三個鐵濃度(8、20和32 mg/L)，同時選擇農藥嘧黴胺作為模型汙染物。獲得的實驗結果用於進行經濟評估。
試劑、操作條件和分析方法
SCALA® 400 SC是殺蟲劑嘧黴胺的商業配方，從拜耳公司購買並溶解在去礦物質水中。FeSO4-7H2O（99%）由Fluka提供，H2O2（30% w/v）由Sigma-Aldrich提供，而硫酸（95-97%）由J.T. Baker獲得。
光-芬頓處理在較佳pH值(2.8)下進行。初始溶解有機碳(DOC)濃度為100毫克/升，相當於0.7毫米的嘧黴胺。本研究選擇的鐵濃度為8、20和32毫克/升，而使用的紫外線輻照度為18、32和46瓦/平方米。H2O2的初始濃度為35 mM，以便在過量的情況下工作，使得該試劑不會限製淨化過程。
礦化之後，用Shimadzu-VCHP TOC分析儀測量DOC濃度，用鄰菲羅啉標準化光譜程序(ISO 6332)測定鐵濃度，用偏釩酸銨比色法測量H2O2濃度。
光反應器
該係統的總體積為4.5升，加入到與放置在太陽能箱(SunTest CPS +)內的管道池反應器連接的充分混合的罐中，其中燈的功率可以變化以達到不同的輻照度水平。這些處理以分批方式進行。液體通過保持在暗處的外部充分混合的罐和光反應器再循環。選定的采樣時間為:0、5、15、30、45、60、75、90、105和120分鍾。
經濟評估
本研究中考慮的試劑成本為:硫酸亞鐵0.71€/千克，硫酸0.10€/升(98% w/v)，電力0.1€/千瓦時，氫氧化鈉0.12€/千克，33% H2O2溶液0.45€/升(w/v)。目標處理量為每天100 m3，每年工作365天，共3055小時。據報道，水渠池反應器的安裝成本為10€/立方米。基於該成本，設備安裝、儀表和控製、管道、電氣、建築、服務設施、工程監督、施工費用、承包商費用和意外開支使用別處描述的%進行計算。考慮4%利息的攤銷成本(AC)也是根據西班牙數據計算的。
使用QUV (kJ/L)值計算水渠池反應器表麵，該值是達到特定礦化水平所需的累積紫外線能量，可通過以下等式確定:
其中G,n+1(W/m2)是在照射時間tn+1和tn之間測量的平均太陽UV輻射，Ai是被照射的表麵，Vs是係統中裝載的水的總體積。
最後，總成本(TC)計算為AC和操作成本(OC)之和，其中考慮了試劑消耗、人員、泵送和維護成本。
光-芬頓處理動力學
嘧黴胺是一種有毒且不可生物降解的化學品，對於選定的初始DOC濃度，建議的處理是光-芬頓和生物處理的組合。這是合理的，因為在日光處理過程中，毒性降低，同時生物降解性增加，因此，在一定的處理強度下，淨化過程可以用生物處理來完成，其成本低得多。因此，淨化目標定在30%礦化度(生物處理的理論耦合點)，本研究中的結果參照了這一處理強度(表1)。
對於最低的UV輻照度實驗係列，18 W/m2，反應時間和QUV值隨著鐵濃度的增加而減少。然而，在使用20或32毫克/升鐵之間，這種改善幾乎可以忽略不計。由於低紫外線輻射水平，在兩種情況下使用的光子數量非常相似，即該過程是在光限製下進行的。相反，當使用8 mg/L的鐵時，由於限製礦化的低鐵濃度而產生較少量的自由基，從而獲得更長的反應時間。正如所料，過氧化氫的消耗量隨著鐵濃度從735毫克/升增加到889毫克/升和1020毫克/升。
對於32 W/m2的實驗係列，發現了類似的結果。反應時間和QUV都隨著鐵濃度的增加而減少，但是，20 mg/L和32 mg/L測定之間的差異可以忽略不計。對於20毫克/升和32毫克/升的鐵實驗，達到30%礦化度所需的反應時間為36分鍾和33分鍾，而QUV為0.77和0.70千焦/升，遵循相同的順序。因此，可以得出結論，該過程也是在這些條件下在光限製下進行的。使用8毫克/升的鐵導致反應時間和QUV值增加兩倍以上。
最高的紫外線輻照度實驗係列，46 W/m2，導致了不同的趨勢。達到30%礦化度所需的反應時間從8毫克/升鐵的80分鍾減少到20毫克/升鐵的18分鍾，但是，在32毫克/升鐵的實驗中，反應時間增加到24分鍾。理論上，該實驗提供了最快的自由基產生，然而，其結果與總的工藝效率相反。產生的自由基的量太高，以至於非有效反應，即與溶解氧產生而不是礦化相關的反應是有利的。
因此，當使用8 mg/L的鐵時，缺乏催化劑，因為不是所有到達光反應器的輻射都能用於該過程。對於20 mg/L的鐵實驗係列，該過程在光限製下進行，因為該過程總是隨著輻照度而改善。對於32 mg/L的鐵實驗係列，催化劑濃度太高，使得產生的過量自由基對該過程產生反作用。
經濟評估
由於獲得了與相應的20 mg/L鐵實驗相似的反應時間和QUV值，但是H2O2消耗量高得多，因此可以認為處理成本更高，所以在研究的這一部分中放棄了32 mg/L鐵實驗係列。
投資成本的計算需要知道水渠池反應堆的表麵。這樣，使用表1中所示的數據，確定了該變量(圖1)。隨著紫外線輻照度的增加，表麵積值減小，因此表麵積從180平方米減小到120平方米(鐵含量為8毫克/升)，從70平方米減小到30平方米(鐵含量為32毫克/升)。一旦工廠根據不同的紫外線輻照度和鐵濃度組合確定了規模，就可以計算投資成本和AC(表2)。
關於OC，維護成本被認為是投資成本的2%。根據MirallesCuevas等人2016年的研究，人員成本取決於光反應器表麵，因此，對於所研究的條件，並考慮到西班牙技術人員的年薪總額，計算了該成本。範圍從0.01€/立方米到0.04€/立方米。考慮到處理前pH值調節、太陽能解毒裝置中的再循環和中和後處理所需的能量，計算了抽水成本。由於在每種情況下處理量是相同的，所以電費也是相同的，相當於0.06€/立方米。
考慮到試劑成本、過氧化氫和進行光芬頓過程的鐵消耗、實現酸性pH所需的硫酸和用於後處理中的中和的氫氧化鈉。對於8毫克/升的鐵實驗係列，試劑成本為1.06€/米3(18瓦/米2)、1.12€/米3 (32瓦/米2)和1.17€/米3(46瓦/米2)，而對於20毫克/升的實驗係列，試劑成本為1.31€/米3(18瓦/米2)、1.00€/米3(32瓦/米2)和0.69€/米3(46瓦/米2)。這樣，試劑成本就是影響TC的最重要因素。圖2顯示了試劑成本的明細。
當在46 W/m2的UV輻照度下使用20 mg/L的鐵時，獲得較佳結果，這相當於0.76 €/m3的TC。如果紫外線輻射水平減少到32瓦/平方米和18瓦/平方米，總輻射分別增加到1.08€/立方米和1.39€/立方米。事實上，在18 W/m2下，結果表明，從經濟角度來看，使用較低的鐵濃度是有利的。
在這項工作中，評估了催化劑濃度和紫外輻照度對光芬頓動力學和處理成本的綜合影響。對於最低的鐵濃度(8 mg/L ),鐵限製了工藝性能，因此獲得了整個研究的最高處理時間和QUV值。20 mg/L實驗係列的結果表明，該過程在光限製下運行，而對於最高鐵濃度，過氧化氫消耗不必要地增加，因為沒有獲得處理時間和質量值的改善。
關於經濟評估，采購和維護成本導致最低的相對值。最高的相對成本對應於試劑消耗，其中過氧化氫消耗是迄今為止獲得的最重要的成本，在每種情況下占試劑成本的85%以上。在所研究的條件下，TC在0.76和1.39 €/m3之間，對於20 mg/L的鐵和46 W/m2獲得較佳結果。在低紫外線輻照度下，從經濟角度考慮，建議使用低濃度的鐵。
