Advanced Oxidation Processes (AOP): технологии продвинутого окисления для очистки воды

Общие сведения о технологиях продвинутого окисления (AOP)

Advanced Oxidation Processes или AOP — группа технологий глубокой очистки воды, основанных на образовании частиц с очень высокой окислительной способностью непосредственно в обрабатываемой среде. В русскоязычной инженерной практике встречаются разные варианты перевода: «продвинутое окисление», «усовершенствованные процессы окисления», «интенсивный процесс окисления».

Технологии продвинутого окисления применяются для удаления трудноудаляемых загрязнителей, которые остаются опасными в очень низких концентрациях (не больше нескольких миллиграмм на литр).

AOP используется как финальная ступень в водоподготовке. Причина в том, что сильные окислители/восстановители реагируют со всеми загрязнителями, при этом стоимость технологий интенсивного окисления значительно выше традиционных технологий очистки воды. Необходимо очистить воду традиционными способами (механической, биологической, сорбционной или мембранной очисткой) от всего, от чего можно очистить, после чего применить одну из технологий продвинутого окисления, для доочистки воды от оставшихся загрязнителей.

Где используются технологии AOP

AOP не следует рассматривать как универсальную замену биологической очистке, коагуляции и фильтрации. Эта дорогая и технологически требовательная ступень, используется там, где классические методы очистки уже были использованы, но в воде по-прежнему остаются устойчивые загрязнители. Основные сферы применения технологий интенсивного окисления:

1. Гормоны. Стоки фармацевтических производств, где производят гормональные препараты и контрацептивы. Экологическая опасность гормональных микрозагрязнителей хорошо показана в исследованиях по воздействию синтетического эстрогена 17α-этинилэстрадиола на рыб: хроническое воздействие низких концентраций приводило к феминизации самцов, нарушениям развития гонад и, в долгосрочном эксперименте, к резкому падению численности популяции.
2. Иммунные дизрапторы (эндокринные дизрапторы). Вещества, которые нарушают работу иммунной и эндокринной системы при попадании в организм. Образуются при производстве пластиков и пестицидов.
3. Хлор-фенолы и диоксин. Образуются при сжигании мусора на полигонах и при утилизации трансформаторного масла.
4. PFAS. Вещества необходимые для нанесения тефлонов на поверхности. Представляют собой органическую молекулу с атомами фтора в алкильной цепи. Проблема получила широкое освещение в связи со скандалом связанным с компанией Dupont.

Все указанные загрязнители присутствуют в микроконцентрациях и при этом являются опасными.

Теоретически все указанные загрязнители могли бы быть удалены адсорбцией на активированном угле, но на практике это оказалось невозможным, т.к. уголь очень быстро забивается базовой органикой и процесс очистки воды перестает быть непрерывным.

На практике AOP применяют на разных этапах технологической схемы: после механической и биологической очистки, перед сорбцией, после мембран, перед повторным использованием воды или как предокисление перед биологической ступенью. Озонирование и другие методы продвинутого окисления могут работать как перед биологической очисткой — для перевода сложной органики в более биоразлагаемые формы, так и после неё — для удаления остаточных микрозагрязнителей.

Практический критерий: чем выше ХПК, БПК, мутность, содержание взвесей и растворённой органики, тем больше окислителя и энергии будет уходить не на целевые токсичные молекулы, а на «фоновые загрязнения». Поэтому AOP особенно эффективны при работе с низкими концентрациями опасных веществ на уже подготовленной воде. Это подтверждается и современными обзорами: эффективность AOP сильно зависит от матрицы воды, а карбонаты, гидрокарбонаты, нитриты и органическое вещество выступают поглотителями радикалов и снижают результативность процесса.

Химия AOP: гидроксильные радикалы, а не озон

Озон сам по себе является сильным, но селективным окислителем. Он хорошо реагирует с двойными связями, фенольными группами, некоторыми аминами, серосодержащими соединениями, красителями и веществами запаха. Но насыщенные углеводороды, многие растворители, часть пестицидов и ряд устойчивых промышленных загрязнителей реагируют с молекулярным озоном медленно или не реагируют вовсе.

AOP усиливают процесс за счёт образования гидроксильных радикалов HO• и других активных форм кислорода. Гидроксильный радикал менее избирателен, чем озон, и способен окислять широкий спектр органических молекул. Поэтому связки O₃/H₂O₂, O₃/UV, UV/H₂O₂, каталитическое озонирование и фото-Фентон часто дают лучший результат по устойчивым соединениям, чем озонирование.

Важно не путать разрушение загрязнителя с полной минерализацией. Идеальная конечная точка — CO₂, H₂O и минеральные соли — в промышленной очистке достигается редко и обычно экономически нецелесообразна. Более реалистичные цели: снизить токсичность, разрушить хромофорные группы, убрать запах, повысить биоразлагаемость, перевести загрязнитель в форму, которую можно доудалить биологией, сорбцией, мембраной или фильтрацией.

Основные технологии AOP

Озонирование

Одна из наиболее отработанных технологий продвинутого окисления для воды. Озон генерируется на месте, коронным/барьерным разрядом из кислорода или осушенного воздуха, затем вводится в воду через эжектор, статический смеситель, контактную колонну, барботажную систему или другой газожидкостный контактный аппарат.

Озон хорошо подходит для обесцвечивания, дезодорации, окисления фенолов, сульфидов, некоторых ПАВ, азокрасителей, железа, марганца, цианидов и ряда микрозагрязнителей. В питьевой воде и доочистке сточных вод он ценен ещё и как дезинфектант.

Плазменное окисление

Плазменное окисление — один из перспективных вариантов Advanced Oxidation Processes для глубокой очистки воды от устойчивых органических загрязнений. Технология основана на воздействии неравновесной высокоэнергетической плазмы, формируемой в реакционной камере импульсным коронным разрядом наносекундного диапазона.

Исходная вода подаётся в зону обработки в виде мелкодисперсного потока, что увеличивает площадь контакта жидкости с плазмой. В разрядной зоне образуются активные окислительные частицы: гидроксильные радикалы ОН•, атомарный кислород, озон, перекисные и другие короткоживущие соединения. Они запускают каскад реакций окисления, разрушая ароматические, полициклические и другие трудноокисляемые органические вещества.

Процесс протекает при близких к атмосферным условиях и, как правило, не требует постоянного дозирования химических реагентов. В результате сложные органические загрязнители переходят в более простые и менее устойчивые соединения, которые далее могут доокисляться, минерализоваться или удаляться последующими стадиями очистки.

O₃/H₂O₂, озон + перекись водорода (пероксоновый процесс)

Комбинация озона и перекиси водорода ускоряет образование гидроксильных радикалов. Это полезно, когда целевые соединения слабо реагируют с молекулярным озоном. Пероксон часто рассматривают для микрозагрязнителей, пестицидов, фармацевтических веществ, некоторых соединений запаха и подготовленной воды с относительно низким содержанием органического фона.

Чем активнее озон переводится в радикалы, тем меньше остаётся молекулярного озона для прямой дезинфекции и селективного окисления. Кроме того, перекись нужно дозировать точно: избыток H₂O₂ сам становится поглотителем радикалов и ухудшает экономику процесса.

O₃/UV, озон + ультрафиолет

Озон с ультрафиолетом — сильная схема для подготовленной воды, где UV-прозрачность достаточно высока. УФ-разложение озона способствует образованию радикалов и повышает эффективность очистки. Такой вариант применим после фильтрации, после мембран или в доочистке оборотной воды.

Ограничение очевидное: если вода окрашена, мутная или содержит много взвесей, УФ-излучение экранируется. Тогда значительная часть энергии расходуется не на целевую реакцию, а на прогрев и бесполезное поглощение. Для таких вод сначала нужны осветление, фильтрация, флотация, коагуляция или предварительное озонирование.

UV/H₂O₂, ультрафиолет + перекись водорода

UV/H₂O₂ — один из классических вариантов AOP. Ультрафиолет разлагает перекись водорода с образованием гидроксильных радикалов. Метод хорошо подходит для чистых вод, доочистки после обратного осмоса, удаления NDMA, 1,4-диоксана и некоторых растворённых органических микропримесей.

С инженерной точки зрения UV/H₂O₂ удобен тем, что не требует газовой фазы озона. Но требования к UVT, дозе перекиси, чистоте кварцевых чехлов и контролю остаточного H₂O₂ достаточно жёсткие. В мутных и окрашенных стоках процесс быстро теряет эффективность.

Фентон и фото-Фентон

Процесс Фентона основан на реакции Fe²⁺ и H₂O₂ с образованием гидроксильных радикалов. Это мощный метод для высоконагруженных промышленных стоков: красители, фенолы, часть нефтехимических и химических загрязнителей, трудноокисляемая органика. В Фото-Фентоне добавляется УФ-излучение или солнечное излучение, что повышает эффективность регенерации железа.

Классический Фентон требует кислой среды, обычно около pH 3, последующей нейтрализации, образования железосодержащего осадка и его утилизации. Поэтому Фентон хорошо работает там, где химическая нагрузка оправдывает реагентное хозяйство и осадок, но хуже подходит для компактных безреагентных систем или вод, которые нельзя дополнительно засаливать.

Каталитическое озонирование

Каталитическое озонирование использует активированный уголь, оксиды металлов, керамические катализаторы или другие поверхности, ускоряющие разложение озона и образование активных частиц. Преимущество — возможность совмещать окисление и сорбцию, а в некоторых схемах — улучшать удаление продуктов неполного окисления.

Этот подход интересен для промышленных сточных вод, оборотных циклов, фильтратов и доочистки после биологии. Но катализатор должен быть совместим с реальной водой: соли, железо, марганец, органика, масла, взвеси и биоплёнки могут снижать активность поверхности. Поэтому каталитическое озонирование почти всегда требует пилотных испытаний на реальной воде.

Электрохимическое окисление

Электрохимические AOP используют аноды, на поверхности которых образуются сильные окислительные частицы. Наиболее известный вариант — бор-легированные алмазные электроды, BDD. Метод перспективен для концентрированных промышленных стоков, рассолов, некоторых устойчивых органических соединений и задач, где нежелательно вносить химические реагенты.

Ограничение — стоимость электродов, энергопотребление, образование побочных продуктов в хлоридных средах и сложность масштабирования. Для PFAS, хлорорганики и других особо устойчивых загрязнителей в низких концентрациях электрохимическое окисление работает плохо.

Таблица 1. Сравнение различных технологий AOP

Практическое применение технологий продвинутого окисления

Advanced Oxidation Processes (AOP) — инструмент для тех случаев, где обычная очистка уже недостаточна: вода содержит стойкие органические загрязнители, запах, цветность, микропримеси, токсичность.

Озонирование остаётся одной из самых практичных AOP-технологий благодаря промышленной отработанности, высокой скорости реакций с рядом функциональных групп и возможности совмещать окисление с дезинфекцией. Но для устойчивых соединений одного озона часто мало. Тогда используются O₃/H₂O₂, O₃/UV, UV/H₂O₂, плазменное окисление, каталитическое озонирование, Фентон, электрохимическое окисление или комбинированные схемы.

Если у вас есть промышленный сток, оборотная вода, фильтрат, вода после биологической очистки или задача по удалению конкретного загрязнителя, напишите нам на otvet@ekonow.ru для детального обсуждения вашей проблемы.

Желательно приложить к письму результаты лабораторных исследований воды и текущую/планируемую технологическую схему очистки воды.

Мы разработаем технологическую схему очистки воды с применением озонирования и AOP, определим состав оборудования и предложим решение. При необходимости проведем лабораторные и пилотные испытания.

Список использованных источников при написании статьи

1. Glaze W. H., Kang J. W., Chapin D. H. The chemistry of water treatment processes involving ozone, hydrogen peroxide and ultraviolet radiation // Ozone: Science & Engineering. — 1987. — Vol. 9, № 4. — P. 335–352. — DOI: 10.1080/01919518708552148.
2. Miklos D. B., Remy C., Jekel M., Linden K. G., Drewes J. E., Hübner U. Evaluation of advanced oxidation processes for water and wastewater treatment — A critical review // Water Research. — 2018. — Vol. 139. — P. 118–131. — DOI: 10.1016/j.watres.2018.03.042.
3. Hübner U., Spahr S., Lutze H., Wieland A., Rüting S., Gernjak W., Wenk J. Advanced oxidation processes for water and wastewater treatment — Guidance for systematic future research // Heliyon. — 2024. — Vol. 10, № 9. — Article e30402. — DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e30402.
4. Mahmoodi M., Pishbin E. Ozone-based advanced oxidation processes in water treatment: recent advances, challenges, and perspective // Environmental Science and Pollution Research. — 2025. — Vol. 32. — P. 3531–3570. — DOI: 10.1007/s11356-024-35835-w.
5. Von Sonntag C., Von Gunten U. Chemistry of Ozone in Water and Wastewater Treatment: From Basic Principles to Applications. — London: IWA Publishing, 2012. — 302 p. — DOI: 10.2166/9781780400839.
6. Gottschalk C., Libra J. A., Saupe A. Ozonation of Water and Waste Water: A Practical Guide to Understanding Ozone and its Applications. — 2nd ed. — Weinheim: Wiley-VCH, 2010. — 378 p. — ISBN 978-3-527-31962-6.
7. Beltrán F. J. Ozone Reaction Kinetics for Water and Wastewater Systems. — Boca Raton: CRC Press, 2003. — 384 p. — DOI: 10.1201/9780203509173.
8. Wang J., Chen H. Catalytic ozonation for water and wastewater treatment: Recent advances and perspective // Science of the Total Environment. — 2020. — Vol. 704. — Article 135249. — DOI: 10.1016/j.scitotenv.2019.135249.
9. Antonopoulou M., Evgenidou E., Lambropoulou D., Konstantinou I. A review on advanced oxidation processes for the removal of taste and odor compounds from aqueous media // Water Research. — 2014. — Vol. 53. — P. 215–234. — DOI: 10.1016/j.watres.2014.01.028.
10. Babuponnusami A., Muthukumar K. A review on Fenton and improvements to the Fenton process for wastewater treatment // Journal of Environmental Chemical Engineering. — 2014. — Vol. 2, № 1. — P. 557–572. — DOI: 10.1016/j.jece.2013.10.011.
11. Chen H., Zhai J., Ji Y., Song W., Hu Y., He S., Qian L., Wang S. Review on Process Intensification of Non-Thermal Plasma Oxidation in Multiphase Reactor for Wastewater Treatment: Mass Transfer Enhancement and Waste Energy-Driven Conversion // Water. — 2026. — Vol. 18, № 6. — Article 649. — DOI: 10.3390/w18060649.
12. Russo M., Iervolino G., Vaiano V., Palma V. Non-Thermal Plasma Coupled with Catalyst for the Degradation of Water Pollutants: A Review // Catalysts. — 2020. — Vol. 10, № 12. — Article 1438. — DOI: 10.3390/catal10121438.
13. Mirabediny M., Sun J., Yu T. T., Åkermark B., Das B., Kumar N. Effective PFAS degradation by electrochemical oxidation methods — recent progress and requirement // Chemosphere. — 2023. — Vol. 321. — Article 138109. — DOI: 10.1016/j.chemosphere.2023.138109.
14. OECD. Reconciling Terminology of the Universe of Per- and Polyfluoroalkyl Substances: Recommendations and Practical Guidance. — Paris: OECD Publishing, 2021. — OECD Series on Risk Management, № 61. — URL: https://www.oecd.org/en/publications/reconciling-terminology-of-the-universe-of-per-and-polyfluoroalkyl-substances_e458e796-en.html (дата обращения: 05.06.2026).
15. United States Environmental Protection Agency. Per- and Polyfluoroalkyl Substances (PFAS) [Электронный ресурс]. — URL: https://www.epa.gov/pfas (дата обращения: 05.06.2026).