臭氧氧化法在污水處理中的應用

谷穎

(邯鄲市市政污水處理有限責任公司，河北 邯鄲 056002)

1.概述

臭氧是氧的同素異形體，由三個氧原子組成，具有獨特的腥臭味，呈現(xiàn)出淡藍色。臭氧很不穩(wěn)定，在常溫下30分鐘左右即可分解為氧氣。臭氧、氯和過氧化氫的氧化勢(還原電位)分別是 2107、1136、1128 伏特，三者相比臭氧的氧化能力最強。它可導致不飽和的有機分子斷裂，使臭氧分子結合在有機分子的雙鍵上，生成臭氧化物。臭氧化物的自發(fā)性分裂產(chǎn)生一個羧基化合物和帶有酸性和堿性基的兩性離子，后者不穩(wěn)定，可分解成酸和醛。

2.臭氧的性質(zhì)及產(chǎn)生

2.1 臭氧的物理化學性質(zhì)

臭氧在常溫下為藍色氣體，有刺激性特殊氣味；液態(tài)時為藍黑色，熔點為-192.5±0.4℃ (760mmHg)， 沸 點 為-111.9 ±0.3℃ (760 mmHg)，氣體密度 2.114g/L，溶解度為 0.68g/L，溶解系數(shù)為0.32。理論上O3的溶解度隨溫度的升高而降低，它對紫外線的最大吸收波長為254nm，工作環(huán)境中允許的最大濃度TCV≤0.1×10-6。臭氧是一種強氧化劑，O3-O2蒸氣的還原電位在酸性介質(zhì)中為-2.07V，在堿性介質(zhì)中為-1.24V。臭氧在水中的分解速度很快，在含有雜質(zhì)的水溶液中能迅速回復到氧氣的狀態(tài)，其衰期為5～30min，若水溫接近0℃時能更穩(wěn)定些。

2.2 臭氧的產(chǎn)生

氧氣在電子、原子能射線、等離子體和紫外線等射線流的轟擊下能分解為氧原子。這種氧原子極不穩(wěn)定，具有高活性，能很快和氧氣結合成三原子的臭氧。目前，生產(chǎn)臭氧的方法大致有：無聲放電法、核輻射法、紫外線法(低壓汞燈)、等離子體射流法等。電暈放電是利用高速電子轟擊干燥氧氣，使其分解為氧原子。高速電子具有足夠的動能(6～7ev)，通過氧原子與氧氣及其它任何氣體分子三體碰撞，反應形成臭氧。電解法是一種利用直流電源電解含氧電解質(zhì)產(chǎn)生臭氧的方法。含有水化熒光陰離子電解質(zhì)的水溶液在室溫下用高電流功率可將其氧化成O3。此種方法產(chǎn)生的臭氧濃度高，成分純凈，在水中溶解度高。紫外線輻射法是利用低壓汞燈輻射產(chǎn)生，此方法簡單，產(chǎn)生O3濃度低，適用于實驗室；其優(yōu)點是對溫度不敏感，易于通過對汞燈功率的線性控制來控制O3的產(chǎn)量。

3.臭氧在污水處理中的應用

對于O3的反應機理已經(jīng)有了很多研究報道，主要是因為O3的分解產(chǎn)物是一些分子態(tài)氧和具有高度活性的自由基HO2·、OH·、H·等，它們的高度活性在水處理中被用于殺菌消毒、破壞有機物結構等等，副產(chǎn)物無毒，基本無二次污染，有著許多別的氧化劑無法比擬的優(yōu)點。O3直接參與的反應稱D反應，此類反應速度慢，而且具有選擇性，是去除水中有機物的主要反應；O3分解產(chǎn)生自由基的反應稱為R反應，此類反應速度快，選擇性差。

3.1 臭氧氧化用于消毒

O3屬于溶菌劑，用于殺菌消毒可以達到徹底、永久地消滅物體內(nèi)部所有微生物。原理是利用O3能破壞或溶解微生物的細胞壁，迅速地擴散到細胞內(nèi)部，氧化破壞細胞內(nèi)酶，使細胞發(fā)生通透性畸變導致其溶解死亡。Fetner和Ingols研究指出，O3的消毒作用是瞬時徹底的。與傳統(tǒng)的Cl2相比，O3殺菌能力是其600～3000倍，且pH值的變化范圍較大，投加量少。O3的投加量一般是Cl2所能達到同樣效果的投加量的0.6倍，平均投加量為1mg/L，并能保證一定的剩余濃度0.6mg/L。雖然有研究表明剩余O3對水生生物有影響，但由于其在水中半衰期短，容易分解，不會對受納水體生物造成重大影響。O3消毒廣泛應用與給水，污水深度處理中，最先于法國，后來在歐美等一些國家也得到應用。吳曉軍等對北京通縣西飲水采用2～3mg/L的O3消毒，在1s內(nèi)迅速分解大腸桿菌等細菌。

3.2 臭氧氧化用于去除水中雜質(zhì)

利用O3去除水中有機物時，一般將其用作預氧化劑，它能部分氧化有機物中分子量小的中間產(chǎn)物。實驗表明，O3氧化使分子量大于105的有機物減少，但卻增加分子量在1000～3000的有機物的量。這樣就提高了后續(xù)裝置中的生物活性，有利于有機物質(zhì)的去除。

現(xiàn)在國內(nèi)外廣泛應用的工藝為：O3(預處理)+生物活性濾池。張金松等對此工藝研究表明，此工藝比普通的活性炭工藝的去除COD(去除率高達68%)更有效。O3也能去除水中氨氮：在高pH(9～10)下誘發(fā)臭氧產(chǎn)生強氧化能力的OH·來氧化廢水中的氨氮，此種方法可運用于高氨氮廢水 (垃圾滲濾液)處理，也可用于廢水的深度處理中。

3.3 臭氧氧化處理剩余污泥

在污水處理廠的剩余污泥中投加O3，使其與泥中生物接觸，從而破壞了微生物的細胞膜，使污泥成為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，此技術提高污泥的可生物降解性，幾乎能夠完全去除剩余污泥，而且并不影響整個工藝中處理水的水質(zhì)。他們的實驗研究發(fā)現(xiàn)，非連續(xù)臭氧氧化比連續(xù)的投加能得到更好的效果，而且大量節(jié)省了臭氧的投加量。在獲得同樣的處理效果前提下，非連續(xù)投加量只是連續(xù)投加量的30%左右。利用臭氧進行剩余污泥處理是一種行之有效而且節(jié)省運行費用的新工藝，有著良好的前景。

4.臭氧用于污水處理的特點

由于臭氧具有很強的氧化能力，它可以通過破壞有機污染物的分子結構以達到改變污染物性質(zhì)的目的，在一定條件下能提高常規(guī)工藝去除常量有機物的能力，具有很強的殺菌消毒作用，可除臭去味、脫色、除鐵除錳，能有效地氧化分解有機物，接觸時間短且不受溫度和pH值的影響。臭氧用于污水處理具有以下優(yōu)點。

（1）臭氧能有效地去除污水中COD、陰離子洗滌劑及氨氮，而且在常溫下，臭氧經(jīng)過30min左右即可還原成氧氣，因而沒有任何殘留和二次污染；

（2）臭氧可以在生產(chǎn)現(xiàn)場制造，與液氯、次氯酸鈉相比，不需要儲運環(huán)節(jié)，減少了操作危險性；

（3）臭氧具有強的氧化作用，反應速度快。臭氧對微生物、細菌、病毒都有良好的滅活和致死作用，它滅活微生物的效果優(yōu)于氯、氯胺、二氧化氯等消毒劑。同時還能夠氧化降解水中的其他污染物質(zhì)；

（4）臭氧消毒副產(chǎn)物基本上不可能含有THMs，而主要是醛、芳香族羧酸等有機物。當水中含有溴離子時可能生成溴化物；

（5）水中剩余的臭氧能很快自然分解為氧氣，出水中含有較高的溶解氧，排放到受納水體后不增加水體的負擔，并可改善水體的水質(zhì)，是最潔凈的消毒劑。

結論

臭氧技術的發(fā)展已有100多年的歷史，在水處理方面也得到了廣泛的研究和應用。歐洲(尤其是法國)許多國家都將臭氧應用于給水、排水的處理中。但在我國對臭氧的研究和應用還不夠廣泛，其主要原因是由于其投資高，運行費用高等原因，而沒被廣泛認可。然而，隨著科學技術的發(fā)展，與臭氧發(fā)生器相關的電源、介電體材料、氣源制備與控制、檢測等諸多方面的改善，將有效提高臭氧的產(chǎn)量，降低能耗。同時，對臭氧在水處理方面的研究也將會有新的突破和進展。相信臭氧將來會被廣泛應用于我國的水處理行業(yè)中，給社會帶來健康和清潔。

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