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水生态安全一直是全球广泛关注的环境问题,工业废水的深度处理对于保障水生态安全、保护人类健康具有重大的意义。目前,我国工业废水深度处理技术中臭氧氧化工艺应用最为广泛,然而单独臭氧氧化工艺对于一些有机污染物的矿化效率不高,并且可能在氧化过程中产生毒性更高的物质。催化臭氧氧化工艺通过加入催化剂来提高反应系统中羟基自由基浓度,从而获得更高的有机物矿化率和出水生态安全。一直以来,催化臭氧氧化工艺缺乏可稳定运行的催化剂,实际应用中臭氧的利用效率偏低,这两方面极大地限制了催化臭氧氧化工艺的实际应用。因此,针对上述问题,开展了催化臭氧氧化工艺中催化剂失活机理及传质增强研究。主要研究内容和结论如下:（1）制备了可工程应用的毫米直径球状MnxCe1-xO2/γ-Al2O3催化剂,考察了MnxCe1-xO2/γ-Al2O3催化臭氧氧化处理生化后焦化废水的影响因素及催化效能,对比分析了MnxCe1-xO2/γ-Al2O3催化臭氧氧化处理不同焦化厂生化后焦化废水时COD降解的表观反应动力学常数。研究结果表明,MnxCe1-xO2/γ-Al2O3催化剂最佳的制备条件是:浸渍液中Mn（NO3）2和Ce（NO3）3浓度分别为0.125 mol?L-1和0.042 mol?L-1,浸渍时间为12h,煅烧温度为723 K,煅烧时间为4 h。制备的MnxCe1-xO2/γ-Al2O3催化剂很好的保持了介孔结构,比表面积较大,同时具有足够的机械强度和很低的磨损率,既能保持催化活性又有利于其工程应用。MnxCe1-xO2/γ-Al2O3催化臭氧氧化处理生化后焦化废水时最佳的臭氧投加量、反应时间、初始p H和催化剂投加量分别为80mg?L-1、1.5 h、9.0左右、180 g?L-1。催化臭氧氧化去除生化后焦化废水中COD的表观反应速率常数在0.0101–0.0117 min-1之间,是单独臭氧氧化的3倍以上。（2）在长期连续流中试试验运行中,对比了带反洗和不带反洗的催化臭氧氧化工艺,采集了不同运行周期的催化剂并进行了实验室再生实验以及催化剂的表征和性能分析,探讨了催化剂的失活机理,研发出了交替原位再生的工艺模式。研究结果表明,12个月的中试运行表明采用原位反洗的再生方法可以取得稳定高效的COD去除效率（56.0%–47.9%）,出水COD浓度保持在80 mg?L-1的排放限值以下。催化剂失活的主要原因不是积碳,也不是催化剂活性组分的流失,而是由于无机盐在催化剂表面的沉积导致了催化剂的失活,其主要机理是催化剂表面的活性点位被无机晶体占据,限制了臭氧与活性点位的相互作用,和/或阻止了电子传递。催化剂的失活可以通过原位气/水反洗来部分控制,主要包括气/水反冲洗对催化剂表面沉积无机晶体的直接擦洗作用、反冲洗引起催化剂颗粒间碰撞导致沉积物脱落的间接作用、以及反冲洗过程中覆盖在催化剂表面的杂质层松动导致孔隙再生的作用。优化的反洗再生工艺参数分别是:水冲洗强度10 L?m-2?s-1,空气冲洗强度15 L?m-2?s-1,再生间隔为7天。基于此研发出了可工程化应用的交替原位反洗再生工艺模式,采用该工艺模式延长了催化剂的使用寿命,降低了运行成本。（3）考察了不同反应器结构对臭氧传质效率的影响,开发了臭氧催化叠加臭氧氧化反应器（IR）,优化了IR反应器的结构参数,研制了表面亲水改性的管式曝气膜,建立了微纳米气泡强化臭氧吸收-催化氧化叠加反应系统,并将前述交替原位再生工艺模式和强化臭氧吸收-催化氧化叠加反应系统应用于长期的工程研究,验证了工艺的稳定性。研究结果表明,IR反应器由于在反应过程中臭氧的吸收被增强,溶解性臭氧的量被增加,臭氧的传质效率被提高,并且消耗的臭氧能够及时地被上向流水中的溶解性臭氧补充,因而表现出最高的COD去除率（48.1%）。IR反应器中最佳的臭氧吸收段高度（h1）是反应器有效水深高度（h）的19%,最佳的循环流量比R值为250%。为进一步强化臭氧传质效率,通过溶胶凝胶-涂覆法研制了表面亲水改性的管式曝气膜,采用该管式膜实现了微纳米气泡臭氧曝气,处理生化后焦化废水时反应器臭氧吸收段溶解性臭氧的浓度提高了43.5%–58.7%,COD去除率提高了13.6%。将前述反应系统及再生工艺模式应用于催化臭氧氧化处理生化后焦化废水的工程实践取得了稳定的运行效果,运行885天后COD去除率仍高于45%。应用于平均含盐量为12 000 mg?L-1的高含盐废水的深度处理时,长期运行后出水COD和色度仍满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918—2002）一级A排放要求。本研究制备了高效实用的MnxCe1-xO2/γ-Al2O3催化剂,结合长期中试试验、催化剂结构表征和性能分析,揭示了催化臭氧氧化深度处理焦化废水过程中催化剂的失活机理,提出了延缓催化剂失活的原位再生方法,研发了交替原位再生的工艺模式,研制了表面亲水改性的可实现微纳米气泡臭氧曝气的管式膜,建立了微纳米气泡强化臭氧吸收-催化氧化叠加反应系统。因此,本研究能为催化臭氧化工艺在工业废水深度处理中的工程应用提供技术支撑,具有十分重要的理论意义和应用价值。