臭氧的主要特性和消毒機(jī)理

1、臭氧的主要特性和消毒機(jī)理 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， 大慶的自來水 廠已開始采用該技術(shù)，取得了明顯的效果， 上海、杭州等地也在實(shí)施中，采用臭氧消毒處理是水廠消毒 的發(fā)展趨勢。 一、對臭氧在水處理中的應(yīng)用 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，消耗量明顯較小，且在

2、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(diǎn)： （ 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

3、。（ 5） 某 些特定的用水中， 如食品加工， 飲料生產(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

4、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 2O3-69kcal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

5、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(shí)驗(yàn)表明，臭 氧氣體要溶解在水中，首先必須在與之接觸的液體表面上完 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： 2. 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)。

6、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

7、、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（ 1） 氣液兩相的物理 特性； （2） 氣體通過氣液界面的濃度差； （ 3） 氣體湍 流的程度。 3）臭氧在水中的溶解濃度大于氧。 臭 氧在水中的溶解一般遵循亨利定律。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(shí)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

8、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、氣源制備 按照臭氧消毒系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，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。 2、臭氧發(fā)生 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

9、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。 3、臭氧接觸 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)。 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

10、。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 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

11、0.4 1.0mg/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 0.4 0.6mg/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(jì)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(diǎn)，

12、因此，這種接觸器的設(shè)計(jì)水深不需要很深。4、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% 。 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(dú)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、 EPDM （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。可用的材料主要包 括 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。 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。