城市给水的臭氧消毒

摘 要：随着近年来臭氧消毒技术的不断成熟，臭氧这种高效、新型的消毒剂将会逐渐登上历史舞台，在给水消毒中发挥越来越重要的作用。本文主要阐述臭氧消毒的特点，消毒原理，臭氧的发生机理以及研究进展和未来前景。

关键词：给水处理；消毒；臭氧氧化

进入城市自来水厂的天然水经混凝、沉淀、过滤后，出水水质已基本达到要求，但水中的致病微生物却不能完全除去，因此必须要求出水进行消毒处理。在我国的给水处理中，以往消毒几乎都以氯消毒为主，但随着近年来臭氧发生器的出现于改造，在一些发达地区，臭氧消毒已得到越来越广泛的应用。

1 臭氧消毒的原理与特点

研究表明：臭氧是一种氧化能力极强的氧化剂，可迅速杀灭使人和动物治病的各种病菌、病毒和微生物。臭氧在水中的作用主要是两个方面：一是臭氧自身分解出初生态氧原子[O]，二是溶于水中的臭氧可形成羟基自由基（OH）。两种产物与水中的各种物质、致病菌发生氧化反应，并且臭氧能破坏细胞上的脱氢酶而干扰细胞的呼吸作用，直接氧化各种酶和蛋白质，阻碍代谢过程破坏有机体链状结构而导致细胞死亡，从而达到消毒、灭菌的处理效果。

臭氧消毒的主要特点如下：

杀菌速度快、效率高。臭氧是一种广谱杀菌剂，相同条件下是氯消毒的30～300倍。能迅速杀灭细菌和孢子，还能杀灭变形虫、真菌、原生动物、一些耐氯、耐紫外线的治病生物，如孢囊和一些病毒、贾第鞭毛虫、隐孢子原虫、藻类、低等水生生物等。并且所需的接触时间很短，一般只需0.5～1min。

氧化能力强，能在消毒时代兼处理许多其他的水质问题。消毒时可有效去除或降低复杂的味、臭、色和金属离子的问题，特别是酚、藻类或腐殖质污染物产生的臭味。臭氧还可增加水中的溶解氧，去除水中的藻类，控制藻类生长，提高水的透明度，因此也可广泛用于污水的处理中。

臭氧消毒的副作用较小。臭氧在水处理中发生作用后，剩余部分易被还原为氧气，水中残留浓度极低，不会形成消毒卤化产物，也不产生和加重臭味。在使用臭氧消毒后的水中，无需添加去除参与消毒剂或消毒副产物的工序，投加臭氧也不会在水中产生pH的变化，因此也无需另行加药调节pH。

臭氧消毒效果受水质影响小。臭氧的杀菌能力受水中的氨含量、水温和pH的影响小，理论上升温时臭氧的杀菌效果会增加，但由于有会增加其分解度，因此综合效果并不明显。此外，对pH的适应范围比氯和二氧化氯都广。

2 臭氧的制备

根据工作原理和原料的不同，制备臭氧的方法主要有辐射法、紫外线法、电解法、等离子体法和电晕放电法等。其中放电法和电解法的应用较多也较成熟。

辐射法：每一个氧原子裂解需要1.479eV的能量。利用放射性元素、同位素或核废料射线的能量可以激发氧气分子生成臭氧。

紫外线法：实践中采用波长低于307nm的紫外线照射含氧空气都可以有效地产生臭氧，所生产的臭氧浓度可达1.8g/m2。紫外线法的优点是设备比较简单，造价低，通过控制电功率来控制臭氧产量比较方便，但臭氧浓度较低，运行费用较高。

电解法：在电解含氧酸时，含氧基团可在电极上放电，所生成的高能态氧原子中有一部分也能生成臭氧。电解法生产臭氧的优点是不需要进行原料气体的除湿等预处理和提供压缩动力，此外所生产的臭氧的浓度主要取决于电流的电解电解效率，所以生成的臭氧浓度较高，一般大于10%，据研究可高达30%～58%。

等离子体射流法：采用等离子体射流激发氧原子，用液态氧收集所生成的臭氧。所生产的臭氧浓度不高，能耗较大。目前在等离子体化学反应方面有了较为深入的研究，但是采用这种方法生产臭氧还处于试验阶段，实际应用不广。

電晕放电法：电晕放电法是目前大量生产和高浓度生产臭氧的主要方法，其生产臭氧的电耗能仅为紫外线的13%～18%。臭氧发生器的构造类似于一个空间电容器。制造臭氧的原料一般为空气。电晕放电所释放的热量有利于断开氧原子的共价键和促进氧原子之间的组合。

3 臭氧消毒在给水中的应用及应用方式

消毒处理一般可分为两个阶段，一是工艺过程的氧化消毒，二是为保持管网余氯或其他消毒剂有一定的维持浓度。臭氧用于工艺过程的氧化消毒，其消毒能力最强；能灭活隐形孢子虫和贾第氏虫。在臭氧消毒后，往往仍需投加少量氯或二氧化氯以维持水中剩余消毒剂。臭氧作为唯一消毒剂的极少。

在给水净化工艺中，臭氧系统一般由预臭氧接触氧化和后臭氧接触氧化。在预氧化工艺中，臭氧的主要作用是：去除臭味、色度、铁、锰以及重金属和藻类，使水中胶体颗粒脱稳，改善絮凝效果，减少混凝剂的投加量，并可去除THMS等三致物质的前驱体。在后氧化工艺中，臭氧一般与活性炭联用，其作用主要有：杀死细菌和病毒，氧化分解有机物，去除溶解性有机物DOC等。

臭氧氧化技术与其他工艺的联合应用

1、臭氧、生物活性炭技术。臭氧生物活性炭对有机物的去除包括三个过程：臭氧氧化、活性炭吸附和生物降解。臭氧、生物活性炭工艺是将臭氧化学氧化、臭氧灭菌消毒、活性炭物理吸附、生物氧化降解四种技术合而为一的工艺。经过臭氧处理后进行活性炭处理主要发挥三种作用：1破坏水中残余臭氧，一般发生在最初炭层的几厘米处；2通过吸附去除化合物或臭氧副产物；3通过活性炭表面细菌的生物活动降解物质。利用该技术可以使自来水通过深度处理达到直饮水的标准。

2、臭氧、过氧化氢技术。臭氧、过氧化氢技术是将强臭氧剂臭氧与双氧水组合，与单一氧化过程相比，有机物的最终降解产物为CO2和水及其他矿物质，降解速度可显著提高，反应条件温和，是一种较有前途的化学氧化技术。

3、臭氧、紫外线技术。臭氧、UV技术是将臭氧与紫外光辐射相结合的一种高级氧化过程，它始于上世纪70年代，主要用于解决有毒害且无法生物降解的废水处理问题，80年代以来，研究扩大到饮用水的深度处理。光催化臭氧化是光催化的一种，即在投加臭氧的同时伴以光照射。这一方法不是利用臭氧直接与有机物反应，而是利用臭氧在紫外光辐射下分解产生的活泼的次生氧化剂来氧化有机物。

4 臭氧消毒的研究进展

自从臭氧在水处理中应用以来，由于臭氧处理的设备和运营费用较高，虽然后来进行了广泛的研究，除了用于饮用水消毒外，其他的实际应用很少。近年来，由于在水处理实践中碰到的困难，如氯消毒副产物、难生物降解的治理缺乏有效的方法，以及随着臭氧发生设备性能的提高，臭氧技术重新得到了重视，并且改进了臭氧水处理技术。臭氧处理技术的发展可从两方面来看，一是臭氧作为预处理或后处理与其他处理方法的联合使用，如絮凝、气浮、生化等；二是臭氧处理单元自身的发展，如光催化、金属催化氧化等。

5 结语

与氯处理技术相比，臭氧技术产业属新兴朝阳产业，应用范围极广，产品开发潜力大。从技术上看，尽管臭氧技术正在逐渐为人们了解和接受，在相关领域的开发应用也不断取得新的进展，但至今人们对其开发研究仍处于比较初始的阶段，远未达到成熟掌握并可灵活应用的状态，但一些基本的关键技术已解决，只要开拓思路很容易开发一系列适销的产品。

参考文献

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