臭氧技術在污水處理領域的拓展應用
李辰浩（北京師范大學第二附屬中學 北京 100192） 賈旭原（原國家城市給水排水工程技術研究中心常務副主任 原中國市政工程華北設計研究院副院長
2017/1/13 9:58:20
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李辰浩（北京師范大學第二附屬中學 北京 100192）
賈旭原（原國家城市給水排水工程技術研究中心常務副主任 原中國市政工程華北設計研究院副院長 教授；現任北京中恒聯合投資管理有限公司 董事長 北京 100048）
摘要：本文對臭氧技術的性質、氧化機理、作用做了介紹。特別對高污染企業污水處理和水資源匱乏地區的污水再生提出了穩定有效的、相輔相成的技術方案。
關鍵詞：污水；再生水；氧化；脫色；臭氧
Ozone technology in wastewater treatment areas of application development
Lichenhao Jiaxuyuan
Abstract: This article to the ozone technology nature, oxidized the mechanism, the function has made the introduction.Specially proposed to the high pollution enterprise sewage treatment and the water resources deficient area sewage regeneration stable effective, complements one another technical plan.
Key word: Sewage; Resurgent water; Oxidation; Decolorization; Ozone
一、前言
水資源匱乏、水體污染嚴重是目前世界普遍面臨的倆大難題。如何節省水資源的消耗、如何減少污染物的排放、如何更大限度的污水再生是很多人正在思考和解決的問題。
本人通過在國家級給排水技術研究機構的實習、通過在市政設計院的溝通和調研、通過對多個污水處理廠的參觀和調查，特別是實際參與了咨詢公司在江蘇、新疆等地項目實施方案的論證，就臭氧技術的拓展應用提出了自己的觀點并且已經部分得以實施。
二、臭氧的特性：
1、強氧化性
臭氧的氧化能力幾乎是目前所知氧化劑中最強的。同時臭氧在水中的分解速度很快．在含有雜質的水溶液中能迅速回復到氧氣的狀態，其衰期為5．30min，若水溫接近0℃時能更穩定些。另外還有研究表明，臭氧在水中的分解速度隨水溫和pH值的提高而加快，由于臭氧具有強氧化性，因此能與除了金、鉑外的所有金屬發生反應，能氧化許多有機物。
2、易分解性
臭氧的化學性質比較活躍，在常溫下就可以分解為氧氣，并在分解的過程中釋放出284 kJ／mol的熱量，具體用化學式來表示就是：2O3=3O2
臭氧在空氣中的分解速度跟溫度和臭氧自身的濃度有關，研究證明，當外在空間的溫度越高、臭氧的濃度越大，其分解的速度也就越快；而臭氧在水中分解的速度是跟水溫與酸堿度(pH)有關，水溫越高時臭氧的分解速度越高，而pH值越高，也就是水的堿性越強使，臭氧的分解也就越快[3] [4]。
3、強腐蝕性
由于臭氧具有很高的氧化性，所以除了鉑和金以外，臭氧幾乎可以氧化在空氣中的所有金屬，所以這也體現了臭氧的腐蝕性。而且臭氧對非金屬材料也有強烈的腐蝕作用。基于這種原因，在實際的生產中常使用25％的鉻鐵合金來制造臭氧發生設備．而且在發生設備和計量設備中，不能用普遍的橡膠作密封材料，必須采用耐腐蝕的硅膠或者耐酸橡膠[3] [4]。
三、臭氧的作用
基于以上臭氧的特性，在污水處理及再生水領域我們可以利用臭氧技術實現以下目標：
1、臭氧消毒
1.1臭氧消毒的機理
臭氧在水中滅菌有兩種方式：一種是臭氧直接作用于細菌的細胞壁，將其破壞并導致細胞的死亡；另一種是臭氧在水中分解時釋放出自由基態氧[5]。自由基態氧具有強氧化能力，可以穿透細胞壁，氧化分解細菌內部氧化葡萄糖所必須的葡萄糖氧化酶，也可以直接與細菌、病毒發生作用，破壞其細胞器和核糖核酸，分解DNA、RNA、蛋白質、脂質類和多糖等大分子聚合物，使細菌的物質代謝和繁殖過程遭到破壞；還可以滲透細胞膜組織，侵入細胞膜內作用于外膜脂蛋白和內部的脂多糖，促進細胞的溶解死亡，并且將死亡菌體內的遺傳基因、寄生菌種、寄生病毒粒子、噬菌體、支原體及熱原（細菌病毒代謝產物、內毒素）等溶解變性滅亡。也有學者認為，臭氧作用于細胞的表面，改變了細胞膜的滲透特性，最終導致細胞組分泄露到中間介質中[2]。
臭氧對細菌的滅活反應總是進行得很迅速。與其他殺菌劑不同的是，臭氧能與細菌細胞壁脂類雙鍵反應，穿入菌體內部，作用于蛋白和脂多糖，改變細胞的通透性，從而導致細菌死亡。臭氧還作用于細胞內的核物質，如核酸中的嘌呤和嘧啶破壞DNA。臭氧對病毒的作用首先是作用于病毒衣體殼蛋白的四條多肽鏈，并使RNA受到損傷，特別是形成蛋白質。噬菌體被臭氧氧化后，電鏡觀察可見其表皮被破碎成許多碎片，從中釋放出許多核糖核酸，干擾其吸附到寄存體上，臭氧殺菌徹底[6]。
1.2影響臭氧消毒的因素
臭氧在用于飲用水消毒時具有極高的殺菌效率，但在污水消毒時往往需要較大的臭氧投加量和較長的接觸時間。影響消毒效果的主要因素總結如下。
1.2.1原水pH的影響
通過動力學實驗，在固定氣體流量(Q=10 L／h)的條件下，考查了在不同pH值時，臭氧對實驗用水的消毒效果。以pH=6.7和pH=8.0時為例[7]。實驗結果表明，時間相同的條件下，在水質呈酸性時臭氧的存在時間要長于水質偏堿性時的存在時間，故水質顯酸性時的消毒效果優于堿性條件下的消毒效果。
1.2.2水中其他物質的影響
主要是水中含COD、NO2-N、懸浮固體、色度等，這些物質會消耗水中的臭氧。有時還出現污水臭氧消毒后COD 增加的現象，這主要是因為臭氧將水中難降解的惰性物質氧化為小分子物質或者將一些環狀有機物開環，從而提高了原BDOC[8]，在臭氧消毒之前對原水進行預處理，盡量徹底的去除有機物是十分必要的。
1.2.3臭氧投加量和剩余臭氧量的影響
不同水質所需的臭氧投加量不同，臭氧的投加劑量越大、接觸時間越長，出水水質越好[10-11]。M Petala對普通活性污泥法二級出水進行深度處理，再經臭氧消毒后出水達到美國EPA回用水質標準。
1.2.4臭氧接觸方式的影響
臭氧在水中分解迅速，根據氣液傳質原理，增加臭氧的傳質效率可提高臭氧的利用率，因此選用不同的投加方式，臭氧的利用率不同。
2、臭氧技術在污水處理中的脫色作用
臭氧的強氧化性也可用于降低BOD、COD、脫色、除臭、除味、殺藻，除鐵、錳、氰、酚等[15]。目前臭氧氧化法主要用于印染廢水處理等。其中以脫色應用由為重要。
按照國家2003年7月1日正式實施的《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918—2002）4.1.2.1款規定，當污水處理廠出水作為城鎮景觀用水和一般回用水等用途時，污水處理廠出水水質執行一級標準的A標準，色度≤30。要求對再生水進行脫色、除嗅、滅菌處理[16]。
臭氧對水體中的著色有機物具有氧化分解作用微量的臭氧就能起到良好的效果。著色有機物一般是具有不飽和鍵的多環有機物，用臭氧進行處理時能夠打開不飽和化學鍵，使分子斷鍵．從而使水變清。
四、實例及應用：
1、筆者對江蘇沭陽化工園區污水處理廠及北京延慶污水處理廠的進出水分別進行了采樣比對：
采樣結論（在水樣采集期間）：
（1）脫色效果明顯，出水水質指標穩定。
（2）污水處理廠出水水質均符合設計標準要求。
2、筆者同美國賽萊默（Xylem）公司技術人員進行了溝通和交流，特別是桐鄉鳳棲水處理項目中臭氧技術利用的可靠性進行了詳細了解。目前，在水處理行業臭氧設備已經形成產業化規模，特別是設備的集約化大大方便了偏遠地區、經濟欠發達地區的建設和運營。也為本文方案的提出拓展了思路。
五、存在的問題：
（1）臭氧的制備成本較高、能耗較大。
（2）消毒效果受水質影響較大。
（3）對于臭氧消毒副產物的研究較少，增加了使用臭氧消毒的風險。
隨著污水深度處理技術和污水回用的普及，臭氧消毒的研究和應用將會越來越多，臭氧與其它消毒方法的復合消毒將是今后發展的趨勢。
六、結論
臭氧特性明確、機理清晰、技術成熟。既能有效的應用于高污染企業污水處理，又能夠很好的脫色、消毒應用于再生水的處理。可以設想：在中國西部地區（例如新疆）這樣的石油礦產豐富，相關產業興起，由此產生大量高污染廢水，同時新疆又是水資源嚴重匱乏的地區之一。如果利用臭氧技術從治理高濃度水污染開始，作為一個流程直接將污水處理成為再生水標準，這樣，及解決了高污染水的處理問題，又同時解決了當地水資源匱乏問題。這應該是明智之舉。
目前，這個由高濃度污染廢水直接利用臭氧技術達到再生水標準的方案路線已經應用于新疆五五工業園污水處理廠項目中。
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