臭氧在水中的消毒原理及应用

一、 臭氧的应用
　　1840年瑞士化学家Schōnbein证实了臭氧的存在。1886年法国人Meritenus发现臭氧具有杀菌作用。1893年荷兰首先将臭氧应用于水的消毒处理。1906年法国的Nice城将臭氧用于大规模净水厂的水处理，至今已有近百年历史。
　　臭氧氧化能力强，用于消毒杀菌杀伤力大，速度快；臭氧可氧化溶解性铁、锰，形成高价沉淀物，使之易于去除；可将氰化物、酚等有毒有害物质氧化为无害物质；可氧化致嗅和致色物质，从而减少嗅味，降低色度；可将生物难分解的大分子有机物氧化分解为中小分子量有机物，使之易于生物降解；使用臭氧预处理，还可以起到微絮凝作用，提高出水水质；应用臭氧，不会在处理过程中产生有害的三致物质。
　　目前，世界上有上千家水厂使用臭氧进行处理、消毒。在欧洲主要城市已把臭氧作为去除水中污染的一种主要手段用于饮用水的深度净化。20世纪70年代初以来，许多国家还对臭氧应用于城市污水、工业废水、循环冷却水处理进行了研究并有很多成功的例子。70年代中期开始，我国也开始了利用臭氧氧化工艺处理受污染饮用水水源的试验研究工作。现在国内已有数十家水厂应用于实际生产。
二、 臭氧的物理性质
　　O3是一种具有特殊的刺激性气味的不稳定气体，常温下为浅蓝色，液态呈深蓝色。O3是常用氧化剂中氧化能力最强的，在水中的氧化还原电位为2.07V，而氯为1.36V，二氧化氯为1.50V。另外，O3具有较强腐蚀性。
　　O3在空气中会慢慢自行分解为O2，同时放出大量的热量，当其浓度超过25%时，很容易爆炸。但一般臭氧化空气中O3的浓度不超过10%，不会发生爆炸。
　　在标准压力和温度下，纯臭氧的溶解度比氧大10倍，比空气大25倍。0℃时，纯臭氧在水中的溶解度可达1.371g/L。O3在水中不稳定，在含杂质的水溶液中迅速分解为O2，并产生氧化能力极强的单原子氧（O）和羟基（OH）等具有极强灭菌作用的物质。其中羟基的氧化还原电位为2.80V。20℃时，O3在自来水中的半衰期约为20分钟。
三、 臭氧的氧化消毒机理
　　O3溶于水后会发生两种反应：一种是直接氧化，反应速度慢，选择性高，易与苯酚等芳香族化合物及乙醇、胺等反应。另一种是O3分解产生羟基自由基从而引发的链反应，此反应还会产生十分活泼的、具有强氧化能力的单原子氧（O），可瞬时分解水中有机物质、细菌和微生物。
　　　　O3 → O2 +（O）
　　　　（O）+ H2O →2OH
　　羟基是强氧化剂、催化剂，引起的连锁反应可使水中有机物充分降解。
　　当溶液pH值高于7时，O3自分解加剧，自由基型反应占主导地位，这种反应速度快，选择性低。
　　由上述机理可知，O3在水处理中能氧化水中的多数有机物使之降解，并能氧化酚、氨氮、铁、锰等无机还原物质。此外，由于O3具有很高的氧化还原电位，能破坏或分解细菌的细胞壁，容易通过微生物细胞膜迅速扩散到细胞内并氧化其中的酶等有机物；或破坏其细胞膜、组织结构的蛋白质、核糖核酸等从而导致细胞死亡。因此，O3能够除藻杀菌，对病毒、芽孢等生命力较强的微生物也能起到很好的灭活作用。
四、臭氧的氧化消毒特性
　　（1） O3作为高效的无二次污染的氧化剂，是常用氧化剂中氧化能力最强的（O3>ClO2>Cl2>NH2Cl），其氧化能力是氯的2倍，杀菌能力是氯的数百倍，能够氧化分解水中的有机物，氧化去除无机还原物质，能极迅速地杀灭水中的细菌、藻类、病原体等。
　　（2） O3消毒受pH值、水温及水中含氨量影响较小，但也有一定的选择性，如绿霉菌、青霉菌等对O3具有抗药性，须较长时间才能杀死。O3用于饮用水消毒时，水的浊度、色度对消毒灭菌效果有影响，将有相当一部分O3被用于无机物和有机物的氧化分解上。
　　（3） O3去除微生物、水草、藻类等有机物产生的嗅、味，效果良好，脱色能力比Cl2和ClO2更为有效和迅速。
　　（4） 投加O3能改变小粒径颗粒表面电荷的性质和大小，使带电的小颗粒聚集；同时O3氧化溶解性有机物的过程中，还存在“微絮凝作用”，对提高混凝效果有一定作用。
　　（5） O3消毒效果好，剂量小，作用快，不产生三氯甲烷等有害物质，同时还可使水具有较好的感官指标。O3对一些顽强病毒的灭活作用远远高于氯，但水中O3分解速度快，无法维持管网中有一定量的剩余消毒剂水平，故通常在O3消毒后的水中投加少量的氯系消毒剂。
　　（6） O3能将水中不易降解的大分子有机物氧化分解为小分子有机物，并向水中充氧使水中溶解氧增加，为后续处理（特别是生物处理）提供了更好的条件。但从经济上考虑，O3投加量不可能太高，所以氧化并不彻底，如果后续工艺处理不当，也会产生三卤甲烷等有害物质。
　　（7） 在水处理过程中，应尽量不要生成新的三卤甲烷物质，因为三卤甲烷一旦形成，O3也很难将其氧化去除。
五、臭氧的制备及经济性分析
　　生产O3的方法有无声放电法、放射法、紫外线法、电解法等。在实际净水厂应用中都采用无声放电法。
　　使氧气（O2 ）转变O3，首先需要有很大的能量将O—O键裂解为氧原子。无声放电就是利用高速电子来轰击氧气，使其分解成氧原子：
　　　　O2 ＝ 2O
　　离解后的氧原子有些合成臭氧：
　　　　3O ＝ O3
　　有些重新合成为氧气，有些则和氧气合成为O3：
　　　　O + O2 ＝ O3
　　上述反应都是可逆的，生成的O3也会分解成为氧原子活氧气。所以，通过放电区域的氧气中只有一部分能够变成O3，因此生产出来的O3通常指含一定浓度O3的空气，称为臭氧化空气，并非纯臭氧气。
　　每生产1千克O3理论上需要耗能0.836kW·h；而用空气生产O3时，只有4～6%的电能作了有效功，实际每千克O3耗电15～20kW·h。用纯氧气生产O3的电耗大约可降低一半左右。
　　根据目前的技术水平，O3的生产原料分为空气、纯氧气、液氧三种。
　　采用液氧一般适用于中小规模（臭氧量<500g/h）。采用变压吸附法或负压吸附法现场制取纯氧，适用于臭氧量>500g/h的规模。利用干燥空气制取O3，获得的臭氧浓度一般在1～3%；而利用纯氧或液氧生产的臭氧浓度可达10%左右，而且空气制取O3的电耗约为另外两种方法的2倍。
　　据有关报道，利用干燥空气、现场制纯氧、购买液氧三种方法制取O3，每千克O3的生产成本分别约为16.0元、12.0元和17.3元。可见现场制取纯氧的办法成本最低。若按投加量5mg/L计，每吨水采用O3的处理成本为0.06元。北京山美水美环保高科技有限公司生产的氧气源高浓度的臭氧机就是利用PSA变压吸附 技术现场制取纯氧，氧气纯度都在90%以上。产出的高纯度氧气再供给第五代高介电符合陶瓷管来产臭氧，并自带内循环水冷技术，臭氧浓度高，杀菌消毒效果好，可以长期稳定运行。由于采用纯氧来产臭氧，所以没有氮氧化物的污染，不会在水中产生亚硝酸盐的致癌物质，已经广泛应用在各大饮用水生产厂家了。像北京屈臣氏蒸馏水和汇源饮料等知名大品牌水厂均采用我们的臭氧设备。

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