臭氧的主要特性和消毒机理

臭氧的主要特性和消毒机理臭氧活性碳技术是目前国际上最先进的自来水处理工艺，在日、美、欧等发达国家已广泛采用，目前我国昆明，大庆的自来水厂已开始采用该技术，取得了明显的效果，上海、杭州等地也在实施中，采用臭氧消毒处理是水厂消毒的发展趋势。一、对臭氧在水处理中的应用世纪90年代起，由于怀疑水中的有机物和天然物质与氯发生反应形成的三卤甲烷具有致癌性，美国、日本和英国等国家也逐渐对臭氧在水处理中的应用产生了兴趣，并逐步在一些饮用水处理系统中采用或增设了臭氧处理工艺。由于臭氧比氯有较高的氧化电位，因此它比氯消毒具有更强的杀菌作用。对细菌的作用也比氯快，消耗量明显较小，且在很大程度上不受PH的影响。有关资料报道，在0.45mg/L臭氧作用下，经过2min，脊髓灰质炎病毒即死亡；如用氯消毒，则剂量为2mg/L时需经过3h。当1mL水中含有274~325个大肠菌，在臭氧剂量为1mg/L时可降低在肠菌数86%；剂量为2mg/L时，水几乎可以完全被消毒。较之传统的氯消毒方法，臭氧消毒还有如下优点：（1）消毒的同时可改善水的性质，且较少产生附加的化学物质污染。（2）不会产生如氯酚那样的臭味。（3）不会产生三卤甲烷等氯消毒的消毒副产物。（4）臭氧可就地制造获得，它只需要电能，不需任何辅料和添加剂。（5）某些特定的用水中，如食品加工，饮料生产以及微电子工业等，臭氧消毒不需要从已净化的水中除去过剩杀菌剂的附加工序，如用氯消毒时的脱氯工序。由于臭氧在水中很不稳定，容易分解，如接触池口处水中剩余臭氧尚有0.4mg/L,但经过水厂清水池的停留后，水中的剩余臭氧已完全分解，没有剩余消毒剂的水将进入管网。因此，经过臭氧消毒的自来水通常在其进入管网前还要加入少量的氯或氯胺，以维持水中一定的消毒剂剩余水平。二、臭氧的主要特性和消毒机理1）臭氧的主要物理、化学特性臭氧是一种高活性的气体，通过对氧气的放电而形成，其分子式是O3，是氧的同素异形体。臭氧最显著的特性是具有强烈的气味，臭氧的英文词为“OZONE”，来源于希腊语，意为“味道”。在常温常压下，臭氧是淡蓝色的具有强烈刺激性气味的气体。臭氧具有很高的氧化电位（2.076V），比氯（1.36V）高出50%以上，因此它具有比氯更强的氧化能力。臭氧是由氧按以下热化学方程式形成：3O3→2O3-69kcal由上式可见臭氧的形成是吸热过程,因此,臭氧分子极不稳定,可自行分解,伴随着分解过程全放出能量因此,臭氧比氧具有更高的活性和氧化能力。2）臭氧气体向水中的传递能力也可表示为：单位时间内的传递能力=传递系数×交换面积×交换电位这里所指的交换电位不仅与气液的浓度差有关，而且与臭氧和水中物质发生直接化学反应的活性有关。许多实验表明，臭氧气体要溶解在水中，首先必须在与之接触的液体表面上完全扩散进而溶解在表面的液体中，最终扩散到液体的内部。因此，气液两相间的传递率主要由下列因素所决定：2.臭氧的氧化反应和消毒机理臭氧一经溶解在水里，会出现下列两种反应：一种是直接氧化，它是较缓慢的且有明显选择性的反应；另一种则是在水中羟基、过氧化氢、有机物、腐殖质和高浓度的氢氧根诱发下自行分解成羟基自由基，间接地氧化有机物、微生物或氨等。后一种反应相当快，且没有选择性，另外还能将重碳酸根氧化成重碳酸和碳酸。这两种反应中后一种反应更强烈，氧化能力更强。由于氢氧根和有机物等能诱发臭氧自行分解成羟基自由基，所以低ph条件下有利于臭氧直接氧化反应，而高ph值和有机物含量高的条件下则有利于羟基自由基的间接氧化反应。臭氧的自行分解率在很大程度上取决于ph值、温度、UV值、臭氧浓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来间接表示。由于重碳酸盐和碳酸盐（尤其是碳酸盐）具有较强的缓冲性能，因此在低PH和高缓冲性能的余臭氧可维持较长时间。臭氧可杀菌消毒的作用主要与它的高氧化电位和容易通过微生物细胞膜扩散有关。臭氧能氧化微生物细胞的有机物或破坏有机体链状结构而导致细胞死亡。因此，臭氧对顽强的微生物如病毒、芽孢等有强大的杀伤力。此外，臭氧在杀伤微生物的同时，还能氧化水中的各种有机物，去除水中的色、嗅、味和酚等（1）气液两相的物理特性；（2）气体通过气液界面的浓度差；（3）气体湍流的程度。3）臭氧在水中的溶解浓度大于氧。臭氧在水中的溶解一般遵循亨利定律。对臭氧在水中的溶解度的主要影响因素是温度和供气压力。由于臭氧采用在使用现场利用空气或氧气就地制备，制备出来的臭氧气体实际上是一种臭氧化气体，属于混合气体，其中含有大量的空气和氧气。而亨利定律表示的是某一单纯气体在水中的溶解规律，所以，臭氧在水中的溶解特性除了与上述的温度和供气压力有关外，还与供气中含臭氧的浓度有关。此外，在一定的大气压力下，臭氧在水中的浓度与供气中的臭氧浓度有关。虽然臭氧在水中的溶解度大于氧，但溶于水中的臭氧极不稳定，很容易分解。三、臭氧消毒系统臭氧消毒系统通常有四部分组成,包括气源制备\臭氧发生\接触反应和尾气处理.1、气源制备按照臭氧消毒系统的运行特点，气源制备部分是臭氧消毒系统中的前置系统，它的作用是为臭氧发生器提供所需的质量适宜和数量足够的气体。气源制备部分有各种形式可供选择。对不同形式的气源制备部分的选择主要考虑的因素是供气的规模、现场条件以及运行能耗。2、臭氧发生臭氧发生部分是臭氧消毒系统中的核心，它的作用是生产消毒工艺所需的数量足够臭氧气体。它的投资约占整个臭氧消毒的60%以上，运行能耗约占60%—80%。臭氧发生部分因臭氧发生器的形式不同而有所差异，选择臭氧发生部分要考虑的因素主要是臭氧产量、设备投资以及运行能耗。3、臭氧接触接触反应是臭氧消毒系统生产运行的核心，它的作用是将由臭氧发生器发生的臭氧气体迅速有效的扩散到处理水中，并稳定可靠地完成预定工艺所要求的反应。接触反应形式的确定主要依赖于工艺目标及其相应的反应。臭氧接触是通过一定的方式使氧气扩散到液体中，并使之与液体全面接触和完成预期反应的过程.这一过程一般通过臭氧接触器来完成。不同的工艺目标和相同的反应决定了接触器的形式和接触时间。臭氧接触器的主要形式有：传统的微气泡扩散接触器、吸气式涡轮扩散接触器、带有接触填料的密闭式接触柱以及吸气式水射器扩散接触器。对于净水消毒而言，采用的形式主要是微气泡扩散和吸气式涡轮扩散型。臭氧接触时间对于不同的反应通常在1到12min之间。在需要有可靠灭病毒的场合，通常需要维持剩余臭氧达0.4mg/L的4min接触时间，由于水中除细菌外通常还会含有与臭氧发生快速反应的物质（如构成水中色度和嗅味等物质）。因此，消毒接触时间一般采用10min。采用微起泡扩散消毒接触器时，通常布置成双格间和三格间接触室。第一格间是为了水的化学需臭氧量（降低色和味）通常以0.4—1.0mg/L的用量和4---6min的接触时间为基础。而后续格间的功能主要是杀灭病毒，在此格间的进口处剩余臭氧的水平至少必须有0.4mg/L,而且此格间的低部应注入足够的臭氧以保持这一水平达到4min的时间。后续格间臭氧的注入量通常为0.4—0.6mg/L。采用微气泡扩散方式时，为了保证臭氧向水中有较高的传输率，通常需要有至少5.5-6m的设计水深。采用吸气式涡轮扩散接触器时，由于这种形式的接触器尤如一个完整的快速混合器，为了满足消毒所需要的时间和剩余臭氧的水平，通常需要设置停留池或采用多级布置方式。由于涡轮机具有使臭氧气体与水高效混合的优点，因此，这种接触器的设计水深不需要很深。4、尾气处理当臭氧与水在接触器内接触后，从接触器排气管排出的气体中仍含有一定的残余臭氧，这些含有残余的臭氧的气体被称之为臭氧尾气。尾气中残余臭氧的量随臭氧同水的接触方法和处理水中维持的臭氧浓度有关，一般约占臭氧总投量的1%-5%。相对臭氧消毒系统其他部分而言，尾气处理部分是相对独立的子系统。它的作用是及时有效地消除尾气中的剩余臭氧。由于臭氧的强氧化能力，因此它具有高腐蚀性能。通常橡胶、大多数塑料、EPDM（乙烯、丙烯共聚）、普通的钢和铁、铜、铝等材料不能用于臭氧系统的。可用的材料主要包括316和304不锈钢、玻璃、Hyplaon（氯磺烯化聚乙烯合成橡胶）Telon（聚四氟乙烯）以及混凝土。空气中一定浓度的臭氧对人的机体有害。人在含臭氧1/100万的空气中长期停留，会引起易怒、感觉疲劳和头疼等不良症状。而在较高的温度下，除这些症状外还会增加恶心、鼻子出血和眼粘液膜发炎。经常受臭氧的毒害会导致严重的疾病。为了保护环境空气，要求空气中臭氧的极限允许浓度为0.1mg/m3因此，除了少数特定场合允许利用大气的稀释能力解决尾气处置外，一般情况富含臭氧的尾气不得直接排放，必须通过剩余臭氧的破坏来加以处置。尾气处置的方法通常有回用法、加热分解法、化学消减法、催化分解法以及稀释法。