臭氧氧化法在污水处理中的应用

摘 要：随着水污染的日益严重和可利用水资源的不断减少，人们越来越重视城市污水的回用技术。本文叙述了臭氧氧化技术在污水处理中的应用，阐述了臭氧的物理、化学性质和生产臭氧的常规方法，并归纳总结了其在污水处理中的特点。

关键词：臭氧；污水处理；应用

中图分类号：X70文献标识码：A

1.概述

臭氧是氧的同素异形体，由三个氧原子组成，具有独特的腥臭味，呈现出淡蓝色。臭氧很不稳定，在常温下30分钟左右即可分解为氧气。臭氧、氯和过氧化氢的氧化势(还原电位)分别是2107、1136、1128伏特，三者相比臭氧的氧化能力最强。它可导致不饱和的有机分子断裂，使臭氧分子结合在有机分子的双键上，生成臭氧化物。臭氧化物的自发性分裂产生一个羧基化合物和带有酸性和碱性基的两性离子，后者不稳定，可分解成酸和醛。

2. 臭氧的性质及产生

2.1 臭氧的物理化学性质

臭氧在常温下为蓝色气体，有刺激性特殊气味；液态时为蓝黑色，熔点为-192.5±0. 4℃(760mmHg)，沸点为-111.9±0.3℃(760 mmHg)，气体密度2.114g/L，溶解度为0.68g/ L，溶解系数为0.32。理论上O3的溶解度随温度的升高而降低，它对紫外线的最大吸收波长为254nm，工作环境中允许的最大浓度TCV≤0.1×10-6。臭氧是一种强氧化剂，O3-O2蒸气的还原电位在酸性介质中为-2.07V，在碱性介质中为-1.24V。臭氧在水中的分解速度很快，在含有杂质的水溶液中能迅速回复到氧气的状态，其衰期为5～30min，若水温接近0℃时能更稳定些。

2.2 臭氧的产生

氧气在电子、原子能射线、等离子体和紫外线等射线流的轰击下能分解为氧原子。这种氧原子极不稳定，具有高活性，能很快和氧气结合成三原子的臭氧。目前，生产臭氧的方法大致有：无声放电法、核辐射法、紫外线法(低压汞灯)、等离子体射流法等。电晕放电是利用高速电子轰击干燥氧气，使其分解为氧原子。高速电子具有足够的动能(6～7ev)，通过氧原子与氧气及其它任何气体分子三体碰撞，反应形成臭氧。电解法是一种利用直流电源电解含氧电解质产生臭氧的方法。含有水化荧光阴离子电解质的水溶液在室温下用高电流功率可将其氧化成O3。此种方法产生的臭氧浓度高，成分纯净，在水中溶解度高。紫外线辐射法是利用低压汞灯辐射产生，此方法简单，产生O3浓度低，适用于实验室；其优点是对温度不敏感，易于通过对汞灯功率的线性控制来控制O3的产量。

3. 臭氧在污水处理中的应用

对于O3的反应机理已经有了很多研究报道，主要是因为O3的分解产物是一些分子态氧和具有高度活性的自由基HO2·、OH·、H·等，它们的高度活性在水处理中被用于杀菌消毒、破坏有机物结构等等，副产物无毒，基本无二次污染，有着许多别的氧化剂无法比拟的优点。O3直接参与的反应称D反应，此类反应速度慢，而且具有选择性，是去除水中有机物的主要反应；O3分解产生自由基的反应称为R反应，此类反应速度快，选择性差。

3.1 臭氧氧化用于消毒

O3属于溶菌剂，用于杀菌消毒可以达到彻底、永久地消灭物体内部所有微生物。原理是利用O3能破坏或溶解微生物的细胞壁，迅速地扩散到细胞内部，氧化破坏细胞内酶，使细胞发生通透性畸变导致其溶解死亡。Fetner和Ingols研究指出，O3的消毒作用是瞬时彻底的。与传统的Cl2相比，O3杀菌能力是其600～3000倍，且pH值的变化范围较大，投加量少。O3的投加量一般是Cl2所能达到同样效果的投加量的0.6倍，平均投加量为1mg/ L，并能保证一定的剩余浓度0.6mg/L。虽然有研究表明剩余O3对水生生物有影响，但由于其在水中半衰期短，容易分解，不会对受纳水体生物造成重大影响。O3消毒广泛应用与给水，污水深度处理中，最先于法国，后来在欧美等一些国家也得到应用。吴晓军等对北京通县西饮水采用2～3mg/L的O3消毒，在1s内迅速分解大肠杆菌等细菌。

3.2 臭氧氧化用于去除水中杂质

利用O3去除水中有机物时，一般将其用作预氧化剂，它能部分氧化有机物中分子量小的中间产物。实验表明，O3氧化使分子量大于105的有机物减少，但却增加分子量在1000～3000的有机物的量。这样就提高了后续装置中的生物活性，有利于有机物质的去除。

现在国内外广泛应用的工艺为：O3(预处理)+生物活性滤池。张金松等对此工艺研究表明，此工艺比普通的活性炭工艺的去除COD(去除率高达68%)更有效。O3也能去除水中氨氮：在高pH(9～10)下诱发臭氧产生强氧化能力的OH·来氧化废水中的氨氮，此种方法可运用于高氨氮废水(垃圾渗滤液) 处理，也可用于废水的深度处理中。

3.3 臭氧氧化处理剩余污泥

在污水处理厂的剩余污泥中投加O3，使其与泥中生物接触，从而破坏了微生物的细胞膜，使污泥成为容易分解的生物污泥。Yasui H和Nakamura K等研究了向剩余污泥中投加O3，此技术提高污泥的可生物降解性，几乎能够完全去除剩余污泥，而且并不影响整个工艺中处理水的水质。他们的实验研究发现，非连续臭氧氧化比连续的投加能得到更好的效果，而且大量节省了臭氧的投加量。在获得同样的处理效果前提下，非连续投加量只是连续投加量的30%左右。利用臭氧进行剩余污泥处理是一种行之有效而且节省运行费用的新工艺，有着良好的前景。

4. 臭氧用于污水处理的特点

由于臭氧具有很强的氧化能力，它可以通过破坏有机污染物的分子结构以达到改变污染物性质的目的，在一定条件下能提高常规工艺去除常量有机物的能力，具有很强的杀菌消毒作用，可除臭去味、脱色、除铁除锰，能有效地氧化分解有机物，接触时间短且不受温度和pH值的影响。臭氧用于污水处理具有以下优点。

（1）臭氧能有效地去除污水中COD、阴离子洗涤剂及氨氮，而且在常温下，臭氧经过30min左右即可还原成氧气，因而没有任何残留和二次污染；

（2）臭氧可以在生产现场制造，与液氯、次氯酸钠相比，不需要储运环节，减少了操作危险性；

（3）臭氧具有强的氧化作用，反应速度快。臭氧对微生物、细菌、病毒都有良好的灭活和致死作用，它灭活微生物的效果优于氯、氯胺、二氧化氯等消毒剂。同时还能够氧化降解水中的其他污染物质；

（4）臭氧消毒副产物基本上不可能含有THMs，而主要是醛、芳香族羧酸等有机物。当水中含有溴离子时可能生成溴化物；

（5）水中剩余的臭氧能很快自然分解为氧气，出水中含有较高的溶解氧，排放到受纳水体后不增加水体的负担，并可改善水体的水质，是最洁净的消毒剂。

结论

臭氧技术的发展已有100多年的历史，在水处理方面也得到了广泛的研究和应用。欧洲(尤其是法国)许多国家都将臭氧应用于给水、排水的处理中。但在我国对臭氧的研究和应用还不够广泛，其主要原因是由于其投资高，运行费用高等原因，而没被广泛认可。然而，随着科学技术的发展，与臭氧发生器相关的电源、介电体材料、气源制备与控制、检测等诸多方面的改善，将有效提高臭氧的产量，降低能耗。同时，对臭氧在水处理方面的研究也将会有新的突破和进展。相信臭氧将来会被广泛应用于我国的水处理行业中，给社会带来健康和清洁。

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