催化臭氧氧化技术作为高级氧化技术的一种，可以作为预处理工艺将废水中持久性有机污染物转化为可生物降解有机物;也可以作为深度处理工艺，进一步降低出水的COD，实现污水资源化的目标。然而，臭氧利用率低、催化剂流失、运行成本高等问题制约了催化臭氧氧化技术的推广应用，另外废水中同时存在有机物与氨氮，催化臭氧氧化难以在常温常压下实现氨氮氧化去除。研制出稳定、高效、使用寿命长的负载型催化剂，实现常温常压下臭氧氧化降解水中有机物和氨氮，是催化臭氧氧化技术得以大规模应用的关键。基于这一现状，本论文主要进行了以下研究工作:
　　利用介孔γ-Al2O3作为载体通过共浸渍法制备Mn-CeOx/γ-Al2O3负载型催化剂，在浸渍时间24 h、浸渍液浓度Mn(NO3)2和Ce(NO3)3为150 mmol/L和30 mmol/L、煅烧温度500℃和煅烧时间4h条件下，制备得到负载量为Mn1.37 wt.％、Ce1.17 wt.％的催化剂。通过表征发现催化剂具有较大的比表面积和孔容，活性组分以Mn4+/Mn3+和Ce4+/Ce3+形式共存。以溴氨酸(BAA)为目标污染物，臭氧浓度为30 mg/L时反应120 min，单独臭氧氧化TOC去除率为9.4％，催化臭氧氧化TOC去除率为64％，反应符合混合一级动力学定律，催化剂重复使用4次TOC去除率稳定在57％以上，物理化学性质没有明显变化。催化臭氧氧化BAA过程中产生18种中间产物，最终产物为CO2和H2O。电子顺磁共振分析发现Mn-CeOx/γ-Al2O3催化臭氧氧化反应主要通过表面反应和氧化性自由基（·OH和O2·-）实现BAA的降解。催化臭氧氧化BAA反应条件利用响应曲面优化后得到O3浓度33.58 mg/L、pH为8.53、催化剂投加量为197.92 g/L时，COD去除率最高为94.35％。
　　国家对污水排放的主要控制指标除了COD还包括氨氮，为实现常温常压下催化臭氧氧化有机污染物的同时去除水中的氨氮，筛选了多种活性组分后通过共浸渍法制备了Co负载量为1.5 wt.％的Co3O4/γ-Al2O3催化剂。研究发现，所制备的Co3O4/γ-Al2O3催化剂在臭氧浓度25 mg/L时，常温常压反应360 min可实现水中100 mg/L氨氮100％去除，反应主要产物为N2(90％)以及少量NO3-(10％)，反应属于零级反应动力学，通过阿伦尼乌斯方程计算活化能为12.22 kJ/mol。Co3O4/γ-Al2O3对氨氮的降解效果优于Mn-CeOx/γ-Al2O3，但是对BAA的矿化速率则相对较慢。在催化臭氧氧化氨氮体系中引入多种有机物，结果发现Co3O4/γ-Al2O3可以实现催化臭氧氧化同时脱除有机物和氨氮，反应中有机物COD去除率达到90％以上，氨氮转化率为100％。研究了多种因素对催化臭氧氧化降解氨氮体系的影响，结果表明随着反应温度和pH的升高，氨氮去除效率显著提升，PO43-对催化剂活性明显抑制，Br-的存在促进氨氮的转化。·NH2和N2H4活性物质在催化臭氧氧化降解氨氮的反应中起着至关重要的作用。
　　为考察所研制的催化剂在实际废水处理中应用效果，考虑到丙烯腈(DAF)废水具有高温的特点，开展了催化臭氧氧化（Mn-CeOx/γ-Al2O3与Co3O4/γ-Al2O3按照1∶1混合）与过硫酸盐氧化耦合工艺降解DAF废水中COD和TN的中试研究。小试研究中催化臭氧氧化与过硫酸盐氧化耦合工艺处理DAF废水的效果最佳，COD和TN的去除率为46.3％和32.5％。考虑运行成本和处理效果，中试研究利用响应曲面法对操作条件优化，反应时间4.42 h，反应温度61.8℃，臭氧添加量40 g/h，每吨DAF废水添加过硫酸盐1.3 kg，COD和TN的去除率分别为42.36％和28.51％，B/C从0.078增加至0.315。对DAF废水进出水的N元素分布和化学组成进行了分析，结果表明腈类物质被有效降解，含N杂环类有机物分解转化为氨氮和硝态氮，最终生成N2实现TN去除。
　　以山东某精细化工厂TDI废水预处理系统升级改造工程的开展作为主线。首先，通过小试研究确定Mn-CeOx/γ-Al2O3催化臭氧氧化工艺可行性;其次，现场中试研究确定反应接触时间为10 h、臭氧投加量与去除单位质量COD比值为1.7∶1;实际工程设计处理水量为720 m3/d，选用了3台50 kg/h的臭氧发生器，填充300 m3催化剂，实现进水COD设计值2500 mg/L降至200 mg/L以下并稳定运行，通过运行成本的核算吨水处理成本为21.8元/吨。此工程项目的成功实施证实了所研发的催化剂大规模应用及催化臭氧氧化技术作为预处理工艺实际应用的可行性。