城市給水的臭氧消毒

李文鵬等

摘 要：隨著近年來臭氧消毒技術(shù)的不斷成熟，臭氧這種高效、新型的消毒劑將會逐漸登上歷史舞臺，在給水消毒中發(fā)揮越來越重要的作用。本文主要闡述臭氧消毒的特點(diǎn)，消毒原理，臭氧的發(fā)生機(jī)理以及研究進(jìn)展和未來前景。

關(guān)鍵詞：給水處理；消毒；臭氧氧化

進(jìn)入城市自來水廠的天然水經(jīng)混凝、沉淀、過濾后，出水水質(zhì)已基本達(dá)到要求，但水中的致病微生物卻不能完全除去，因此必須要求出水進(jìn)行消毒處理。在我國的給水處理中，以往消毒幾乎都以氯消毒為主，但隨著近年來臭氧發(fā)生器的出現(xiàn)于改造，在一些發(fā)達(dá)地區(qū)，臭氧消毒已得到越來越廣泛的應(yīng)用。

1 臭氧消毒的原理與特點(diǎn)

研究表明：臭氧是一種氧化能力極強(qiáng)的氧化劑，可迅速殺滅使人和動物治病的各種病菌、病毒和微生物。臭氧在水中的作用主要是兩個方面：一是臭氧自身分解出初生態(tài)氧原子[O]，二是溶于水中的臭氧可形成羥基自由基（OH）。兩種產(chǎn)物與水中的各種物質(zhì)、致病菌發(fā)生氧化反應(yīng)，并且臭氧能破壞細(xì)胞上的脫氫酶而干擾細(xì)胞的呼吸作用，直接氧化各種酶和蛋白質(zhì)，阻礙代謝過程破壞有機(jī)體鏈狀結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致細(xì)胞死亡，從而達(dá)到消毒、滅菌的處理效果。

臭氧消毒的主要特點(diǎn)如下：

殺菌速度快、效率高。臭氧是一種廣譜殺菌劑，相同條件下是氯消毒的30～300倍。能迅速殺滅細(xì)菌和孢子，還能殺滅變形蟲、真菌、原生動物、一些耐氯、耐紫外線的治病生物，如孢囊和一些病毒、賈第鞭毛蟲、隱孢子原蟲、藻類、低等水生生物等。并且所需的接觸時間很短，一般只需0.5～1min。

氧化能力強(qiáng)，能在消毒時代兼處理許多其他的水質(zhì)問題。消毒時可有效去除或降低復(fù)雜的味、臭、色和金屬離子的問題，特別是酚、藻類或腐殖質(zhì)污染物產(chǎn)生的臭味。臭氧還可增加水中的溶解氧，去除水中的藻類，控制藻類生長，提高水的透明度，因此也可廣泛用于污水的處理中。

臭氧消毒的副作用較小。臭氧在水處理中發(fā)生作用后，剩余部分易被還原為氧氣，水中殘留濃度極低，不會形成消毒鹵化產(chǎn)物，也不產(chǎn)生和加重臭味。在使用臭氧消毒后的水中，無需添加去除參與消毒劑或消毒副產(chǎn)物的工序，投加臭氧也不會在水中產(chǎn)生pH的變化，因此也無需另行加藥調(diào)節(jié)pH。

臭氧消毒效果受水質(zhì)影響小。臭氧的殺菌能力受水中的氨含量、水溫和pH的影響小，理論上升溫時臭氧的殺菌效果會增加，但由于有會增加其分解度，因此綜合效果并不明顯。此外，對pH的適應(yīng)范圍比氯和二氧化氯都廣。

2 臭氧的制備

根據(jù)工作原理和原料的不同，制備臭氧的方法主要有輻射法、紫外線法、電解法、等離子體法和電暈放電法等。其中放電法和電解法的應(yīng)用較多也較成熟。

輻射法：每一個氧原子裂解需要1.479eV的能量。利用放射性元素、同位素或核廢料射線的能量可以激發(fā)氧氣分子生成臭氧。

紫外線法：實(shí)踐中采用波長低于307nm的紫外線照射含氧空氣都可以有效地產(chǎn)生臭氧，所生產(chǎn)的臭氧濃度可達(dá)1.8g/m2。紫外線法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備比較簡單，造價低，通過控制電功率來控制臭氧產(chǎn)量比較方便，但臭氧濃度較低，運(yùn)行費(fèi)用較高。

電解法：在電解含氧酸時，含氧基團(tuán)可在電極上放電，所生成的高能態(tài)氧原子中有一部分也能生成臭氧。電解法生產(chǎn)臭氧的優(yōu)點(diǎn)是不需要進(jìn)行原料氣體的除濕等預(yù)處理和提供壓縮動力，此外所生產(chǎn)的臭氧的濃度主要取決于電流的電解電解效率，所以生成的臭氧濃度較高，一般大于10%，據(jù)研究可高達(dá)30%～58%。

等離子體射流法：采用等離子體射流激發(fā)氧原子，用液態(tài)氧收集所生成的臭氧。所生產(chǎn)的臭氧濃度不高，能耗較大。目前在等離子體化學(xué)反應(yīng)方面有了較為深入的研究，但是采用這種方法生產(chǎn)臭氧還處于試驗(yàn)階段，實(shí)際應(yīng)用不廣。

電暈放電法：電暈放電法是目前大量生產(chǎn)和高濃度生產(chǎn)臭氧的主要方法，其生產(chǎn)臭氧的電耗能僅為紫外線的13%～18%。臭氧發(fā)生器的構(gòu)造類似于一個空間電容器。制造臭氧的原料一般為空氣。電暈放電所釋放的熱量有利于斷開氧原子的共價鍵和促進(jìn)氧原子之間的組合。

3 臭氧消毒在給水中的應(yīng)用及應(yīng)用方式

消毒處理一般可分為兩個階段，一是工藝過程的氧化消毒，二是為保持管網(wǎng)余氯或其他消毒劑有一定的維持濃度。臭氧用于工藝過程的氧化消毒，其消毒能力最強(qiáng)；能滅活隱形孢子蟲和賈第氏蟲。在臭氧消毒后，往往仍需投加少量氯或二氧化氯以維持水中剩余消毒劑。臭氧作為唯一消毒劑的極少。

在給水凈化工藝中，臭氧系統(tǒng)一般由預(yù)臭氧接觸氧化和后臭氧接觸氧化。在預(yù)氧化工藝中，臭氧的主要作用是：去除臭味、色度、鐵、錳以及重金屬和藻類，使水中膠體顆粒脫穩(wěn)，改善絮凝效果，減少混凝劑的投加量，并可去除THMS等三致物質(zhì)的前驅(qū)體。在后氧化工藝中，臭氧一般與活性炭聯(lián)用，其作用主要有：殺死細(xì)菌和病毒，氧化分解有機(jī)物，去除溶解性有機(jī)物DOC等。

臭氧氧化技術(shù)與其他工藝的聯(lián)合應(yīng)用

1、臭氧、生物活性炭技術(shù)。臭氧生物活性炭對有機(jī)物的去除包括三個過程：臭氧氧化、活性炭吸附和生物降解。臭氧、生物活性炭工藝是將臭氧化學(xué)氧化、臭氧滅菌消毒、活性炭物理吸附、生物氧化降解四種技術(shù)合而為一的工藝。經(jīng)過臭氧處理后進(jìn)行活性炭處理主要發(fā)揮三種作用：1破壞水中殘余臭氧，一般發(fā)生在最初炭層的幾厘米處；2通過吸附去除化合物或臭氧副產(chǎn)物；3通過活性炭表面細(xì)菌的生物活動降解物質(zhì)。利用該技術(shù)可以使自來水通過深度處理達(dá)到直飲水的標(biāo)準(zhǔn)。

2、臭氧、過氧化氫技術(shù)。臭氧、過氧化氫技術(shù)是將強(qiáng)臭氧劑臭氧與雙氧水組合，與單一氧化過程相比，有機(jī)物的最終降解產(chǎn)物為CO2和水及其他礦物質(zhì)，降解速度可顯著提高，反應(yīng)條件溫和，是一種較有前途的化學(xué)氧化技術(shù)。

3、臭氧、紫外線技術(shù)。臭氧、UV技術(shù)是將臭氧與紫外光輻射相結(jié)合的一種高級氧化過程，它始于上世紀(jì)70年代，主要用于解決有毒害且無法生物降解的廢水處理問題，80年代以來，研究擴(kuò)大到飲用水的深度處理。光催化臭氧化是光催化的一種，即在投加臭氧的同時伴以光照射。這一方法不是利用臭氧直接與有機(jī)物反應(yīng)，而是利用臭氧在紫外光輻射下分解產(chǎn)生的活潑的次生氧化劑來氧化有機(jī)物。

4 臭氧消毒的研究進(jìn)展

自從臭氧在水處理中應(yīng)用以來，由于臭氧處理的設(shè)備和運(yùn)營費(fèi)用較高，雖然后來進(jìn)行了廣泛的研究，除了用于飲用水消毒外，其他的實(shí)際應(yīng)用很少。近年來，由于在水處理實(shí)踐中碰到的困難，如氯消毒副產(chǎn)物、難生物降解的治理缺乏有效的方法，以及隨著臭氧發(fā)生設(shè)備性能的提高，臭氧技術(shù)重新得到了重視，并且改進(jìn)了臭氧水處理技術(shù)。臭氧處理技術(shù)的發(fā)展可從兩方面來看，一是臭氧作為預(yù)處理或后處理與其他處理方法的聯(lián)合使用，如絮凝、氣浮、生化等；二是臭氧處理單元自身的發(fā)展，如光催化、金屬催化氧化等。

5 結(jié)語

與氯處理技術(shù)相比，臭氧技術(shù)產(chǎn)業(yè)屬新興朝陽產(chǎn)業(yè)，應(yīng)用范圍極廣，產(chǎn)品開發(fā)潛力大。從技術(shù)上看，盡管臭氧技術(shù)正在逐漸為人們了解和接受，在相關(guān)領(lǐng)域的開發(fā)應(yīng)用也不斷取得新的進(jìn)展，但至今人們對其開發(fā)研究仍處于比較初始的階段，遠(yuǎn)未達(dá)到成熟掌握并可靈活應(yīng)用的狀態(tài)，但一些基本的關(guān)鍵技術(shù)已解決，只要開拓思路很容易開發(fā)一系列適銷的產(chǎn)品。

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