Advanced oxidation processes (AOPs) were first proposed in the 1980s for drinking water treatment and later were widely studied for treatment of different wastewaters. During the AOP treatment of wastewater, hydroxyl radicals (OH·) or sulfate radicals (SO4 ·−) are generated in sufficient quantity to remove refractory organic matters, traceable organic contaminants, or certain inorganic pollutants, or to increase wastewater biodegradability as a pre-treatment prior to an ensuing biological treatment. In this paper, we review the fundamental mechanisms of radical generation in different AOPs and select landfill leachate and biologically treated municipal wastewater as model wastewaters to discuss wastewater treatment with different AOPs. Generally, the treatment efficiencies rely heavily upon the selected AOP type, physical and chemical properties of target pollutants, and operating conditions. It would be noted that other mechanisms, besides hydroxyl radical or sulfate radical-based oxidation, may occur during the AOP treatment and contribute to the reduction of target pollutants. Particularly, we summarize recent advances in the AOP treatment of landfill leachate, as well as advanced oxidation of effluent organic matters (EfOM) in biologically treated secondary effluent (BTSE) for water reuse.

Magnetic nano-scaled particles Fe3O4 were studied for the activation of peroxymonosulfate (PMS) to generate active radicals for degradation of acetaminophen (APAP) in water. The Fe3O4 MNPs were found to effectively catalyze PMS for removal of APAP, and the reactions well followed a pseudo-first-order kinetics pattern (R2 > 0.95). Within 120 min, approximately 75% of 10 ppm APAP was accomplished by 0.2 mM PMS in the presence of 0.8 g/L Fe3O4 MNPs with little Fe3+ leaching (<4 μg/L). Higher Fe3O4 MNP dose, lower initial APAP concentration, neutral pH, and higher reaction temperature favored the APAP degradation. The production of sulfate radicals and hydroxyl radicals was validated through two ways: (1) indirectly from the scavenging tests with scavenging agents, tert-butyl alcohol (TBA) and ethanol (EtOH); (2) directly from the electron paramagnetic resonance (ESR) tests with 0.1 M 5,5-dimethyl-1-pyrrolidine N-oxide (DMPO). Plausible mechanisms on the radical generation from Fe3O4 MNP activation of PMS are proposed based on the results of radical identification tests and XPS analysis. It appeared that Fe2+Fe3+ on the catalyst surface was responsible for the radical generation. The results demonstrated that Fe3O4 MNPs activated PMS is a promising technology for water pollution caused by contaminants such as pharmaceuticals.

Ultraviolet light (UV)/persulfate (S2O82-) oxidation of a pharmaceutically active compound, sulfamethazine (SMT), was studied in a stainless steel photo-reactor. During the treatment, UV photolytic S2O82- activation to produce highly reactive sulfate radicals (SO4-) to decompose SMT in water. The treatment was advantageous over direct photolysis or persulfate oxidation alone and UV/H2O2 oxidation, suggesting that SO4- is a very effective agent to remove SMT from water. Under the experimental conditions, the SMT degradation exhibited a pseudo-first-order reaction pattern. The degradation rate was influenced by the S2O82- dose and solution pH. Typically, a high persulfate dose could achieve a high SMT removal. In contrast, both the highest SMT degradation rate and the lowest mineralization degree were observed at pH 6.5, while the highest mineralization extent was accomplished at pH 11. The complex pH effect may be associated with the fact that the total radical concentration and fractions of the different radicals were varied with pH. Finally, the major SMT degradation products were identified, and the primary reaction pathways were proposed. This study demonstrated that UV/persulfate is a viable option for controlling SMT pollution in water.

Algae organic matters (AOM), including intracellular organic matters (IOM) and extracellular organic matters (EOM), are causing numerous water quality issues, among which formation of disinfection byproducts (DBPs) and odor & taste (O&T) compounds are of particular concern. In this study, physiochemical properties of IOM and EOM of Microcystic aeruginosa under an exponential growth phase (2.01 × 1011/L) were comprehensively characterized. Moreover, the yields of DBPs during AOM disinfection and O&T-causing compounds were quantified. Hydrophilic organic matters accounted for 86% and 63% of DOC in IOM and EOM, respectively. Molecular weight (MW) fractions of IOM in <1 kDa, 40–800 kDa, and >800 kDa were 27%, 42%, and 31% of DOC, respectively, while EOM primarily contained 1–100 kDa molecules. Besides, a low SUVA (0.84 L/mg m) and the specific fluorescence spectra suggested that AOM (especially IOM) was principally comprised of protein-like substances, instead of humic-like matters. The formation potentials of chloroform, chloroacetic acid, and nitrosodimethylamine were 21.46, 68.29 and 0.0096 μg/mg C for IOM, and 32.44, 54.58 and 0.0189 μg/mg C for EOM, respectively. Furthermore, the dominant O&T compound produced from EOM and IOM were 2-MIB (68.75 ng/mg C) and β-cyclocitral (367.59 ng/mg C), respectively. Of note, dimethyltrisulfide became the prevailing O & T compound following anaerobic cultivation.

Typically, a mature landfill leachate contains high levels of non-biodegradable organics and ammonia nitrogen. Simultaneous removal of the both persistent leachate pollutants is a significant challenge. This paper reports the first scientific study to apply a sulfate radical (SO4·−) – based advanced oxidation process (SR-AOP) to treat a mature leachate, with an emphasis of concurrent removal of refractory organics and ammonia. In this study, all the experiments were run in a batch reactor with temperature control. In the thermal persulfate oxidation (TPO) process, persulfate (S2O82-) was activated by heat to produce powerful oxidants, SO4·− (Eo = 2.6 V). Three factors affecting the removal efficiencies of chemical oxygen demand (COD) and ammonia nitrogen were investigated, including initial solution pH (3–8.3), temperature (27–50 °C), and chemical dose (S2O82−:12COD0 = 0.25–2.0). Typically, acidic pH (3–4), higher temperature, and higher dose favored the removal of COD and ammonia. At S2O82−:12COD0 = 2 and 50 °C, the COD removal rates were 79% and 91% at pH 8.3 (no pH adjustment) and 4, respectively; and the ammonia nitrogen removal reached 100% at pH 8.3 or 4. SR-AOP appears to be more advantageous over hydroxyl radical (OH∙)-based advanced oxidation processes (HR-AOPs) because OH∙ almost does not oxidize ammonia. Furthermore, compared with Fenton treatment of the same batch leachate sample, the TPO could achieve a higher COD removal at an identical chemical dose. For example, COD removal was 40% at H2O2:2.125COD0 = 2 during Fenton treatment (pH 3), but 91% at S2O82−:12COD0 = 2 during TPO (pH 4). These findings demonstrate that SR-AOP is a promising landfill leachate treatment method.

This paper aims at providing an overview of electrochemical oxidation processes used for treatment of landfill leachate. The typical characteristics of landfill leachate are briefly reviewed, and the reactor designs used for electro-oxidation of leachate are summarized. Electrochemical oxidation can significantly reduce concentrations of organic contaminants, ammonia, and color in leachate. Pretreatment methods, anode materials, pH, current density, chloride concentration, and other additional electrolytes can considerably influence performance. Although high energy consumption and potential chlorinated organics formation may limit its application, electrochemical oxidation is a promising and powerful technology for treatment of landfill leachate.