臭氧在水處理中的應用

【專家解說】：臭氧作為一種強氧化劑，在處理中得到了廣泛的應用。本文詳細論述了臭氧化技術在飲用水、工業(yè)廢水及循環(huán)冷卻水處理等方面的研究及應用現狀，并介紹了包括生物活性炭（BAC）、臭氧一雙氧水聯用法（O3/H2O2 ）、光催化臭氧化法（O3/UV）等幾種先進的復合臭氧化處理工藝。 臭氧具有很強的氧化性，可以氧化多種化合物，而且具有耗量小，反應速度快、不產生污泥等優(yōu)點，因此被成功地應用于飲用水、工業(yè)廢水及循環(huán)冷卻水處理工藝中，特別是近二十年來，人們發(fā)現氯消毒會產生對人體有致癌作用的三氯甲烷（THMS），而臭氧殺滅活細菌和病毒的效率要遠優(yōu)于氯消毒，同時還可效地去除水中的色、臭、味、和鐵、錳等無機物質，并能降低UV吸收值、TOC、COD及氨氮，所以臭氧氧化技術在水處理方面得到了越來越廣泛的應用，并由此發(fā)展出多種更有效的復合處理工藝。 1、 飲用水處理 臭氧化技術應用最廣泛和最成功的領域是飲用水處理。目前全世界的臭氧化處理廠已有近兩千家，主要分布在歐洲。臭氧在飲用水處理中的主要功能有：消毒殺菌，脫色，除嗅、味，去除鐵、錳、氧化分解有機物和絮凝作用等。在大多數水處理廠中，臭氧均是多功能的。 多年的研究和實踐證明，臭氧與傳統(tǒng)的氧化劑相比不僅可以避免產生有機氯化物，而且還具有能提高過濾速度，減少濾池數量，促進絮凝，較少絮凝池數量和絮凝劑用量，延長濾池使用時間，減少沖洗水耗量，提高水質水感等優(yōu)點。 1．1 消毒殺菌 臭氧在水處理中的應用就是作為消毒劑，它對一般細菌、大腸菌、病毒等特別有效，其殺菌能力比氯系列消毒劑要強幾十倍到數百倍，各種常規(guī)消毒劑的殺菌能力次序為O3>CIO:>HOCI>OCI>CI->CI->NHCI>NHCL3。當臭氧濃度為0.01mg/1時,1分鐘以下的接觸時間即可殺死純水中大腸桿菌,對于飲用水,最佳的臭氧數量為1-4mg/1[1]，若要是99.9%的細菌和病毒失活則接觸時間約為10-12分鐘[2]。 1．2 有機物的氧化分解 臭氧在理論上可以徹底氧化絕大部分有機物，但所消耗的臭氧量很大，據研究，這種O3：TOC在15：1以上[7]。因此，實際應用中通常采用臭氧低投量法，將大分子分解為小分子，有害物分解為無害物，難降解物質轉化為可降解物質，在輔以其它方法，使有機物的去除更為經濟和有效。 1．3 色、嗅、味的去除 臭氧具有很強的脫色、嗅、味能力，而且可以避免加氯而產生氯酚等異味。 目前，常用的去除色、嗅、味工藝是將03與其它技術聯用，這樣既能提高處理效率又可減少臭氧的用量。據研究，同樣去除90%的C13H33O，若將臭氧與紫外光聯用，則臭氧濃度只需4mg/1[11]。   1．4 鐵和錳的去除 由于鐵和錳較易去除，空氣即可將氧化，故單純?yōu)槿コF、錳而采用臭氧的例子很少，一般只是一種附帶效果，在實際應用中，如用臭氧處理地下水，則鐵、錳完全氧化時與臭氧的用量出分別為0.48mgO3/mgFe和0.88mgO3/mgMn[1]。 1．5 助凝作用 臭氧在低劑量下（0.5-1.5mg/1）可以起到良好的助凝作用，但濃度過高則會使效果惡化。臭氧凝作用的機理可能有：加強了鋁與臭氧化的有機物之間的親和力；對有機物起聚合作用；分解金屬一有機物絡合；與藻類反應等。 在常規(guī)處理中，臭氧對明礬等有助凝劑效果，對于直接過濾法，臭氧化可以提高過濾速度。由于水中總有機碳決定了臭氧的助凝效果，所以用TOC/O3來表示臭氧的投量更合理些。 2、 工業(yè)廢水處理 臭氧在工業(yè)廢水處理中的應用也十分廣泛，常見的有對含酚、含氰及印染廢水處理等。 臭氧能使氰絡鹽中的氰迅速分解（鐵氰絡鹽除外）。其反應分為兩步：臭氧首先將劇毒的CN-氧化為低毒的CNO-，然后再進一步氧化為CO2和N2。 含酚廢水是一種最常見的工業(yè)廢水，其與臭氧反應的速度很快。酚的降解速度與臭氧投量、接觸時間及氣泡大小有關，臭氧與酚類反應速度順序是：間苯三酚>間苯二酚>鄰苯二酚>苯酚，臭氧與酚的反應受PH影響很大，PH越高，反應速率越快，O3耗量越小。 臭氧對除分散染料以外的所有染料廢水都有脫色能力[15]。它可以破壞這些染料的發(fā)色或助色基團，從而達到脫色效果，但臭氧對各種有機染料的作用是不同的。 3、 循環(huán)冷卻水的處理 近年來，由于在循環(huán)冷卻水中發(fā)現了一種對人體危害極大的格蘭氏陰性病原體（LDB）[21]，使人們越來越關注循環(huán)冷卻水的處理工藝，70年代末，美國宇航局（NASA）[22]，進行了大量的利用臭氧處理冷卻水的研究，證明O3是具有緩 、阻 、殺菌、滅藻、節(jié)水、無污染等諸多優(yōu)點的最佳處理藥劑，且其處理費用要低于傳統(tǒng)方法，現已越來越多地應用于生產實踐中，預計其應用前景將非常廣泛。 4、 復合臭氧化水處理技術 盡管臭氧具有極強的氧化性，但也存在一定的局限性。事實上，對于某些有機物或其中同產物，臭氧（特別是在低濃度時）很難將其完全氧化，此時單獨使用臭氧并不是最佳的方法，于是，隨著臭氧技術在處理中的廣泛應用，人們開始研究一些更為有效的復合臭氧化水處理技術，并取得了令人滿意的效果，其中主要包括生物活性炭法、臭氧一雙氧水聯合氧化法、光催化臭氧化法等。 4．1 生物活性炭（BAC）法 生物活性炭法是一種將臭氧氧化、活性炭吸附及生物處理相結合的工藝，原水經預臭氧化，可以將大分子有機物分解成小分子有機物，提高有機物的可生化性并提供充足的氧氣，從而使這些有機物更易被活性炭吸附，被吸附的有機物又為維持炭床中的微生物的生命活動提供了營養(yǎng)，同時，由于供氧充分，好氣微生物在活性炭表面繁殖生長成生物膜，來降解吸附的小分子有機物。這就使炭床上活性炭吸和微生物降解同時進行，從而大大延長了活性炭的工作周期和效率；另外，由于炭粒比重小，在水、氣同相流動的作用下處于微動狀態(tài)，提供了臭氧進入炭孔隙中與被吸附的有機物相遇的機會。BAC法中活性炭的周期一般可以延長到兩、三年以上。） 4．2 臭氧一雙氧水聯合氧化（O3/H2O2）法 O3/H2O2法主要用于處理高濃度有機廢水及含酚廢水。O3與H2O2結合，其氧化能力不是簡單的 加，H2O2可強化水中 基自由基（.OH）的產生，而.OH是水中氧化能力最強的氧化劑（氧化還原電位2.8）其氧化能力遠強于O3。 4．3 光催化臭氧化（O3/UV）法 O3/UV法是目前應用較廣泛的復合臭氧化工藝，主要用于解決難降解物質（如鐵氰絡鹽）的處理及飲用及飲用水的處理問題，一般認為，光催化臭氧化的機理是，臭氧在水中首先光解產生H2O2，H2O2在紫外光的照射下產生.OH，進入水中.OH的反應循環(huán)。 用O3/UV法氧化酚及小分子有機物（C1-C6），其氧化速度遠遠超過單獨使用UV或O3，且可以迅速氧化O3難以降解的多氯聯苯、THM等物質，目前O3/UV法已被美國環(huán)保局（EPA）定多氯聯苯的最佳處理技術。 其它的復合臭氧化處理技術還有臭氧一金屬催化氧化法、臭氧一輻射法等，其處理效果均優(yōu)于單獨使用臭氧。 總之，臭氧化法具有反應速度快、反應完全以及無二次污染等諸多優(yōu)點，但其目前的使用費用普遍較高，隨著臭氧發(fā)生裝置的逐步改進和價格的降低，相信臭氧氧化處理技術必將會有更加廣泛的應用前景。