臭氧在自來水消毒中的應(yīng)用

1、臭氧在自來水消毒處理中的應(yīng)用臭氧活性碳技術(shù)是目前國際上最先進(jìn)的自來水處理工藝，在日、美、歐等發(fā)達(dá)國家已廣泛采用，目前 我國昆明，上海，嘉興，北京等地的一些自來水廠已開始采用該技術(shù)，并取得了明顯的效果。上海、杭州 等地也在實施中，采用臭氧消毒處理也是水廠消毒的發(fā)展趨勢。一、對臭氧在水處理中的應(yīng)用20 世紀(jì) 90 年代起，由于懷疑水中的有機(jī)物和天然物質(zhì)與氯發(fā)生反應(yīng)形成的三鹵甲烷具有致癌性，美 國、日本和英國等國家也逐漸對臭氧在水處理中的應(yīng)用產(chǎn)生了興趣，并逐步在一些飲用水處理系統(tǒng)中采用 或增設(shè)了臭氧處理工藝。由于臭氧比氯有較高的氧化電位，因此它比氯消毒具有更強(qiáng)的殺菌作用。對細(xì)菌 的作用也比氯快，消耗

2、量明顯較小，且在很大程度上不受PH的影響。有關(guān)資料報道，在0.45mg/L臭氧作用下，經(jīng)過2min，脊髓灰質(zhì)炎病毒即死亡；如用氯消毒，則劑量為2mg/L時需經(jīng)過3h。當(dāng)1mL水中含有274325 個大腸菌，在臭氧劑量為 1mg/L 時可降低在腸菌數(shù) 86%；劑量為 2mg/L 時，水幾乎可以完全被消 毒。較之傳統(tǒng)的氯消毒方法，臭氧消毒還有如下優(yōu)點：（1）消毒的同時可改善水的性質(zhì)，且較少產(chǎn)生附加的化學(xué)物質(zhì)污染。（2）不會產(chǎn)生如氯酚那樣的臭味。（3）不會產(chǎn)生三鹵甲烷等氯消毒的消毒副產(chǎn)物。（ 4） 臭氧可就地制造獲得，它只需要電能，不需任何輔料和添加劑。（5 ） 某些特定的用水中，如食品加工，飲料生

3、產(chǎn)以及微電子工業(yè)等，臭氧消毒不需要從已凈化的水中除去過剩殺菌劑的附加工序，如用氯消毒時的脫氯工序。由于臭氧在水中很不穩(wěn)定，容易分解，如接觸池口處水中剩余臭氧尚有 0.4mg/L, 但經(jīng)過水廠清水池的停留后， 水中的剩余臭氧已完全分解， 沒有剩余 消毒劑的水將進(jìn)入管網(wǎng)。因此，經(jīng)過臭氧消毒的自來水通常在其進(jìn)入管網(wǎng)前還要加入少量的氯或氯胺，以 維持水中一定的消毒劑剩余水平。二、臭氧的主要特性和消毒機(jī)理1）臭氧的主要物理、化學(xué)特性臭氧是一種高活性的氣體，通過對氧氣的放電而形成，其分子式是O3，是氧的同素異形體。臭氧最顯著的特性是具有強(qiáng)烈的氣味，臭氧的英文詞為“OZONE，來源于希臘語，意為“味道”。在

4、常溫常壓下，臭氧是淡藍(lán)色的具有強(qiáng)烈刺激性氣味的氣體。臭氧具有很高的氧化電位（2.076V），比氯（1.36V）高出50%以上，因此它具有比氯更強(qiáng)的氧化能力。臭氧是由氧按以下熱化學(xué)方 程式形成：3O3 t2O3 -69kcal由上式可見臭氧的形成是吸熱過程，因此，臭氧分子極不穩(wěn)定，可自行分解，伴隨著分解過程全放出能量因此 ,臭氧比氧具有更高的活性和氧化能力。2 ）臭氧氣體向水中的傳遞能力也可表示為：單位時間內(nèi)的傳遞能力=傳遞系數(shù)X交換面積X交換電位這里所指的交換 電位不僅與氣液的濃度差有關(guān)，而且與臭氧和水中物質(zhì)發(fā)生直接化學(xué)反應(yīng)的活性有關(guān)。 許多實驗表明，臭氧氣體要溶解在水中，首先必須在與之接觸的

5、液體表面上完全擴(kuò)散進(jìn)而溶解在表面的液體中，最終擴(kuò)散到液體的內(nèi)部。因此，氣液兩相間的傳遞率主要由下列因素所決定： 1. 臭氧的氧化反應(yīng) 和消毒機(jī)理臭氧一經(jīng)溶解在水里，會出現(xiàn)下列兩種反應(yīng)：一種是直接氧化，它是較緩慢的且有明顯選擇性 的反應(yīng)；另一種則是在水中羥基、過氧化氫、有機(jī)物、腐殖質(zhì)和高濃度的氫氧根誘發(fā)下自行分解成羥基自 由基，間接地氧化有機(jī)物、微生物或氨等。后一種反應(yīng)相當(dāng)快，且沒有選擇性，另外還能將重碳酸根氧化 成重碳酸和碳酸。這兩種反應(yīng)中后一種反應(yīng)更強(qiáng)烈，氧化能力更強(qiáng)。由于氫氧根和有機(jī)物等能誘發(fā)臭氧自 行分解成羥基自由基，所以低ph條件下有利于臭氧直接氧化反應(yīng)，而高ph值和有機(jī)物含量高的條件

6、下則有利于羥基自由基的間接氧化反應(yīng)。臭氧的自行分解率在很大程度上取決于ph值、溫度、UV值、臭氧濃度以及水中存在的其他可去除物。其分解速率可由余臭氧的含量來間接表示。由于重碳酸鹽和碳酸鹽（尤 其是碳酸鹽）具有較強(qiáng)的緩沖性能，因此在低PH和高緩沖性能的余臭氧可維持較長時間。臭氧可殺菌消毒的作用主要與它的高氧化電位和容易通過微生物細(xì)胞膜擴(kuò)散有關(guān)。臭氧能氧化微生物細(xì)胞的有機(jī)物或破 壞有機(jī)體鏈狀結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。因此，臭氧對頑強(qiáng)的微生物如病毒、芽孢等有強(qiáng)大的殺傷力。此外， 臭氧在殺傷微生物的同時，還能氧化水中的各種有機(jī)物，去除水中的色、嗅、味和酚等。3 ）臭氧在水中的溶解濃度大于氧。臭氧在水中的溶解

7、一般遵循亨利定律。對臭氧在水中的溶解度的 主要影響因素是溫度和供氣壓力。由于臭氧采用在使用現(xiàn)場利用空氣或氧氣就地制備，制備出來的臭氧氣 體實際上是一種臭氧化氣體，屬于混合氣體，其中含有大量的空氣和氧氣。而亨利定律表示的是某一單純 氣體在水中的溶解規(guī)律，所以，臭氧在水中的溶解特性除了與上述的溫度和供氣壓力有關(guān)外，還與供氣中 含臭氧的濃度有關(guān)。此外，在一定的大氣壓力下，臭氧在水中的濃度與供氣中的臭氧濃度有關(guān)。雖然臭氧 在水中的溶解度大于氧，但溶于水中的臭氧極不穩(wěn)定，很容易分解。三、臭氧消毒系統(tǒng) 臭氧消毒系統(tǒng)通常有四部分組成 , 包括氣源制備 臭氧發(fā)生 接觸反應(yīng)和尾氣處理 .1、按照臭氧消毒系統(tǒng)的運(yùn)

8、行特點，氣源制備部分是臭氧消毒系統(tǒng)中的前置系統(tǒng)，它的作用是為臭氧 發(fā)生器提供所需的質(zhì)量適宜和數(shù)量足夠的氣體。氣源制備部分有各種形式可供選擇。對不同形式的氣源制 備部分的選擇主要考慮的因素是供氣的規(guī)模、現(xiàn)場條件以及運(yùn)行能耗。臭氧發(fā)生部分是臭氧消毒系統(tǒng)中的 核心，它的作用是生產(chǎn)消毒工藝所需的數(shù)量足夠臭氧氣體。它的投資約占整個臭氧消毒的60%以上，運(yùn)行能耗約占 60%80%。臭氧發(fā)生部分因臭氧發(fā)生器的形式不同而有所差異，選擇臭氧發(fā)生部分要考慮的因素主要是臭氧產(chǎn)量、設(shè)備投資以及運(yùn)行能耗。接觸反應(yīng)是臭氧消毒系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行的核心，它的作用是將由臭 氧發(fā)生器發(fā)生的臭氧氣體迅速有效的擴(kuò)散到處理水中，并穩(wěn)定可靠地

9、完成預(yù)定工藝所要求的反應(yīng)。接觸反 應(yīng)形式的確定主要依賴于工藝目標(biāo)及其相應(yīng)的反應(yīng)。相對臭氧消毒系統(tǒng)其他部分而言，尾氣處理部分是相 對獨立的子系統(tǒng)。它的作用是及時有效地消除尾氣中的剩余臭氧。由于臭氧的強(qiáng)氧化能力，因此它具有高 腐蝕性能。通常橡膠、大多數(shù)塑料、EPD（乙烯、丙烯共聚）、普通的鋼和鐵、銅、鋁等材料不能用于臭氧系統(tǒng)的?？捎玫牟牧现饕?316和304不銹鋼、玻璃、Hyplaon （氯磺烯化聚乙烯合成橡膠）Telon （聚四氟乙烯）以及混凝土。2、臭氧接觸 臭氧接觸是通過一定的方式使氧氣擴(kuò)散到液體中并使之與液體全面接觸和完成預(yù)期反應(yīng) 的過程 . 這一過程一般通過臭氧接觸器來完成。不同的工

10、藝目標(biāo)和相同的反應(yīng)決定了接觸器的形式和接觸 時間。臭氧接觸器的主要形式有：傳統(tǒng)的微氣泡擴(kuò)散接觸器、吸氣式渦輪擴(kuò)散接觸器、帶有接觸填料的密 閉式接觸柱以及吸氣式水射器擴(kuò)散接觸器。對于凈水消毒而言，采用的形式主要是微氣泡擴(kuò)散和吸氣式渦 輪擴(kuò)散型。臭氧接觸時間對于不同的反應(yīng)通常在 1 到 12min 之間。在需要有可靠滅病毒的場合，通常需要 維持剩余臭氧達(dá) 0.4mg/L 的 4min 接觸時間由于水中除細(xì)菌外通常還會含有與臭氧發(fā)生快速反應(yīng)的物質(zhì) （如 構(gòu)成水中色度和嗅味等物質(zhì)）。因此，消毒接觸時間一般采用10min。采用由于水中除細(xì)菌外通常還會含有與臭氧發(fā)生快速反應(yīng)的物質(zhì)（如構(gòu)成水中色度和嗅味等物

11、質(zhì)）。因此，消毒接觸時間一般采用10min。采用微起泡擴(kuò)散消毒接觸器時， 通常布置成雙格間和三格間接觸室。 第一格間是為了水的化學(xué)需臭氧量 （降 低色和味）通常以 0.41.0mg/L 的用量和 4-6min 的接觸時間為基礎(chǔ)。而后續(xù)格間的功能主要是殺滅病 毒，在此格間的進(jìn)口處剩余臭氧的水平至少必須有 0.4mg/L, 而且此格間的低部應(yīng)注入足夠的臭氧以保持這 一水平達(dá)到 4min 的時間。后續(xù)格間臭氧的注入量通常為 0.40.6mg/L 。采用微氣泡擴(kuò)散方式時，為了保 證臭氧向水中有較高的傳輸率，通常需要有至少 5.5-6m 的設(shè)計水深。采用吸氣式渦輪擴(kuò)散接觸器時，由 于這種形式的接觸器尤如

12、一個完整的快速混合器，為了滿足消毒所需要的時間和剩余臭氧的水平，通常需 要設(shè)置停留池或采用多級布置方式。由于渦輪機(jī)具有使臭氧氣體與水高效混合的優(yōu)點，因此，這種接觸器 的設(shè)計水深不需要很深。3、尾氣處理 當(dāng)臭氧與水在接觸器內(nèi)接觸后，從接觸器排氣管排出的氣體中仍含有一定的殘余臭氧， 這些含有殘余的臭氧的氣體被稱之為臭氧尾氣。尾氣中殘余臭氧的量隨臭氧同水的接觸方法和處理水中維 持的臭氧濃度有關(guān)，一般約占臭氧總投量的 1%-5% 。 空氣中一定濃度的臭氧對人的機(jī)體有害。人在含臭 氧 1/100 萬的空氣中長期停留，會引起易怒、感覺疲勞和頭疼等不良癥狀。而在較高的溫度下，除這些癥 狀外還會增加惡心、 鼻子出血和眼粘液膜發(fā)炎。