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，在給水消毒中發揮越來越重要的作用。本文主要闡述臭氧消毒的特點，消毒原理，臭氧的發生機理以及研究進展和未來前景。

關鍵詞：給水處理；消毒；臭氧氧化

進入城市自來水廠的天然水經混凝、沉淀、過濾后，出水水質已基本達到要求，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生器的出現于改造，在一些發達地區，臭氧消毒已得到越來越廣泛的應用。

1 臭氧消毒的原理與特點

研究表明：臭氧是一種氧化能力極強的氧化劑，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）。兩種產物與水中的各種物質、致病菌發生氧化反應，并且臭氧能破壞細胞上的脫氫酶而干擾細胞的呼吸作用，直接氧化各種酶和蛋白質，阻礙代謝過程破壞有機體鏈狀結構而導致細胞死亡，從而達到消毒、滅菌的處理效果。

臭氧消毒的主要特點如下：

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，能在消毒時代兼處理許多其他的水質問題。消毒時可有效去除或降低復雜的味、臭、色和金屬離子的問題，特別是酚、藻類或腐殖質污染物產生的臭味。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物，也不產生和加重臭味。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物的工序，投加臭氧也不會在水中產生pH的變化，因此也無需另行加藥調節pH。

臭氧消毒效果受水質影響小。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的適應范圍比氯和二氧化氯都廣。

2 臭氧的制備

根據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氧氣分子生成臭氧。

紫外線法：實踐中采用波長低于307nm的紫外線照射含氧空氣都可以有效地產生臭氧，所生產的臭氧濃度可達1.8g/m2。紫外線法的優點是設備比較簡單，造價低，通過控制電功率來控制臭氧產量比較方便，但臭氧濃度較低，運行費用較高。

電解法：在電解含氧酸時，含氧基團可在電極上放電，所生成的高能態氧原子中有一部分也能生成臭氧。電解法生產臭氧的優點是不需要進行原料氣體的除濕等預處理和提供壓縮動力，此外所生產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%，據研究可高達30%～58%。

等離子體射流法：采用等離子體射流激發氧原子，用液態氧收集所生成的臭氧。所生產的臭氧濃度不高，能耗較大。目前在等離子體化學反應方面有了較為深入的研究，但是采用這種方法生產臭氧還處于試驗階段，實際應用不廣。

電暈放電法：電暈放電法是目前大量生產和高濃度生產臭氧的主要方法，其生產臭氧的電耗能僅為紫外線的13%～18%。臭氧發生器的構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氧原子之間的組合。

3 臭氧消毒在給水中的應用及應用方式

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；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，臭氧系統一般由預臭氧接觸氧化和后臭氧接觸氧化。在預氧化工藝中，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，改善絮凝效果，減少混凝劑的投加量，并可去除THMS等三致物質的前驅體。在后氧化工藝中，臭氧一般與活性炭聯用，其作用主要有：殺死細菌和病毒，氧化分解有機物，去除溶解性有機物DOC等。

臭氧氧化技術與其他工藝的聯合應用

1、臭氧、生物活性炭技術。臭氧生物活性炭對有機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合而為一的工藝。經過臭氧處理后進行活性炭處理主要發揮三種作用：1破壞水中殘余臭氧，一般發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物；3通過活性炭表面細菌的生物活動降解物質。利用該技術可以使自來水通過深度處理達到直飲水的標準。

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

3、臭氧、紫外線技術。臭氧、UV技術是將臭氧與紫外光輻射相結合的一種高級氧化過程，它始于上世紀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物反應，而是利用臭氧在紫外光輻射下分解產生的活潑的次生氧化劑來氧化有機物。

4 臭氧消毒的研究進展

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

5 結語

與氯處理技術相比，臭氧技術產業屬新興朝陽產業，應用范圍極廣，產品開發潛力大。從技術上看，盡管臭氧技術正在逐漸為人們了解和接受，在相關領域的開發應用也不斷取得新的進展，但至今人們對其開發研究仍處于比較初始的階段，遠未達到成熟掌握并可靈活應用的狀態，但一些基本的關鍵技術已解決，只要開拓思路很容易開發一系列適銷的產品。

參考文獻

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