以臭氧为核心的高级氧化技术因其氧化性强,与有机污染物反应速率快且在水体中无二次污染等特点,在难生物降解有机废水处理领域中有着广泛的应用。但此技术受限于臭氧气体水溶性差、溶解度低等缺陷,致使其在实际废水处理中经济性普遍较差。借助于旋转填料床(rotating packed bed,RPB)为载体实现的超重力技术,因其相较于传统气-液反应设备可将气-液传质系数提升1-2个数量级,使得超重力技术与臭氧化工艺的耦合将为水中有机污染物氧化降解提供了一种新思路。当前对于超重力技术与臭氧化工艺的研究大多集中于通过优化工艺参数以提升工艺的降解效能,缺乏对超重力环境下臭氧氧化降解水中污染物动力学及机理的深入探究,而此部分工作的完成对于反应装置的改进及臭氧化工艺的进一步优化都显得尤为重要。综上,本文以典型难生物降解的水中有机污染物硝基苯作为目标污染物,以超重力旋转填料床为反应器,采用臭氧化工艺处理水中硝基苯化合物,进行超重力环境下臭氧氧化降解硝基苯的反应动力学及降解机理研究。将臭氧化过程分为臭氧传质性能与水中臭氧自分解动力学,臭氧与硝基苯直接反应动力学,羟基自由基(·OH)与硝基苯间接反应动力学以及硝基苯在直接氧化和间接氧化过程中降解机理共四章节进行系统性研究。相关研究结果如下:1.以旋转填料床为反应器,通过改变操作参数研究臭氧在气-液相间的传质性能。实验结果表明:臭氧液相体积传质系数K_La随超重力因子、气相臭氧浓度、液体流量的增加而增加,随温度、初始pH的增加而下降;在适宜操作参数下,超重力场中水中臭氧平衡浓度可达11.54 mg/L,远高于传统曝气装置的4.44 mg/L,证明了超重力技术可强化臭氧传质过程。之后通过改变操作参数对超重力环境下水中臭氧自分解行为进行了考察,研究结果表明:在温度为20℃,初始水中臭氧浓度为8.0 mg/L,超重力因子范围为0-50,初始pH范围为3.0-11.0的条件下,水中臭氧分解反应符合拟一级动力学方程,臭氧自分解反应速率随初始pH和超重力因子的增大而增大;通过与磁力搅拌器对比发现:在相近实验条件下,超重力环境下水中臭氧自分解速率显著高于磁力搅拌器(约为1.01-4.41倍),证明旋转填料床可通过高速旋转的填料增大液相湍动强度,进而加快水中臭氧发生自分解生成·OH速率。2.以硝基苯为模型污染物,以叔丁醇为自由基捕获剂抑制体系中的间接反应,采用溶质消耗法研究超重力环境下臭氧与硝基苯的直接反应动力学。研究结果表明:在温度为20℃,初始pH为3.0,超重力因子为40,气相中臭氧浓度为40 mg/L,初始硝基苯浓度为200 mg/L,气体流量为75 L/h,液体流量为100 L/h,羟基自由基抑制剂-叔丁醇质量浓度为24.0 g/L,液体循环量为2.0 L的条件下,超重力环境下臭氧与硝基苯的直接反应速率常数为1.020 L/(mol·s);且直接反应速率常数随温度、超重力因子、初始pH和气相臭氧浓度的增大而增大,随初始硝基苯浓度的增大而降低。基于不同操作参数下的速率常数拟合得到臭氧与硝基苯反应动力学的经验模型,模型表明温度、初始硝基苯浓度和旋转填料床填料的转速会对直接反应速率产生显著影响,增大转速会显著提高直接反应速率。3.以对硝基氯苯为竞争参考物,采用竞争动力学法研究超重力环境下·OH与硝基苯的间接反应动力学。研究结果表明:在温度为20℃,初始pH为11.0,超重力因子为40,气相臭氧浓度为40 mg/L,气体流量为75 L/h,初始硝基苯浓度为200 mg/L,液体循环量为2.0 L时,测得超重力环境下水中硝基苯与·OH的间接反应速率常数为1.898(±0.145)×10~9 L/(mol·s);且间接反应速率常数随温度、初始pH、超重力因子和初始硝基苯浓度的增大而增大。基于各操作参数下的速率常数拟合得到了·OH与硝基苯间接反应动力学的经验模型,研究发现温度、填料转速和初始硝基苯浓度会显著影响间接反应速率,证明超重力技术可通过增大液体湍动程度加快水中臭氧分解生成·OH的速率,进而提高·OH与硝基苯的间接反应速率。4.最后采用气相色谱-质谱联用仪分别测定了直接反应和间接反应30 min后硝基苯主要降解产物。根据保留时间及质谱图确定了直接反应和间接反应过程中主要降解产物,研究结果表明:臭氧直接氧化降解硝基苯过程的主要中间产物有间苯二酚、邻苯二酚、苯酚、对苯醌等大分子未开环物质;·OH间接氧化降解过程的主要产物有乙酸、乙二酸、硝基苯酚等物质,证明臭氧直接反应主要是臭氧分子与硝基苯发生亲电取代反应,而·OH主要是与硝基苯发生亲电加成反应。另外值得注意的是在相同时间内,间接反应降解产物中苯环开环产物如乙酸和乙二酸比例较直接反应大很多,这点由测得的间接反应速率常数(1.898(±0.145)×10~9 L/(mol·s))与直接反应速率常数(1.020L/(mol·s))对比可解释,进一步证明在相同时间内,以·OH为主的间接反应较臭氧直接反应能将硝基苯氧化降解地更为彻底。