水处理中臭氧氧化技术的探讨
摘要：概述了臭氧氧化技术的发展及特点,介绍了臭氧氧化技术的产生与作用机理。臭氧作为一种强氧化剂,在水处理中得到了广泛的应用。主要体现在饮用水处理、游泳池水处理、污水和尾气排放、活性炭过滤前的臭氧氧化以及混凝与臭氧氧化技术的有机结合。
关键词：水处理;臭氧氧化;强氧化剂;活性炭过滤;混凝
水是人类社会赖以生存与发展、文明与进步的基本保障,与我们每个人息息相关。二十一世纪是世界经济全球化和科学技术迅猛发展的时期,随着社会生产力的发展和人民生活水平的提高,城市化规模的不断扩大,使水污染问题日益加剧,导致水质问题日益突出,已成为甚于洪涝灾害的“水质灾害”。面临全球性水资源短缺、水环境污染严重、城市和工业发展对水质水量要求不断提高的挑战, 我们已进入一个极其紧迫、相当复杂、全球性的生态与经济相互依赖的时期。这就要求水处理技术要不断提高与完善,推陈出新,以满足快速发展的环境变化需要。随着水质分析技术逐渐改进,水源和饮用水中能够测得的微量污染物质的种类也在不断增加,针对源水中出现的新污染问题,人们已着手对水质净化的新技术进行了研究,并取得了较好的效果。臭氧氧化技术是在水处理中受到普遍关注的氯消毒副产品对人体具有致命危害之后开始重视并广泛采用的方法。臭氧可以处理饮用水、污水、游泳池水、污染的空气等,同防止人们被紫外线辐射一样,臭氧对净化污染的水和空气也是必不可少的。
1 臭氧氧化技术的发展及特点
臭氧(O3)是一种发现较早的物质,具有较强的氧化性和可消毒性,但由于价格高于普遍使用的氯氧化剂,所以没有被广泛使用。随着人们发现氯具有对味道的破坏,氯酚、氯胺的产生,以及产生高挥发性卤代烃等缺点,臭氧又有了被得以使用的新空间。人们发展了臭氧生产技术,寻找到了新的工艺流程;同时。臭氧的应用领域、化学性质以及反应物也得到进一步的研究。
臭氧具有很强的氧化性,可以氧化多种化合物,因此,臭氧氧化技术在水处理中被广泛应用。臭氧氧化技术具有如下特点:
(1)臭氧不仅有很好的快速杀菌、消毒性质, 而且具有极高的氧化有机和无机化合物的氧化力, 可去除其它水处理工艺难以去除的物质。
(2)臭氧的反应完全、速度快,从而可以减小构筑物体积。
(3)剩余臭氧会迅速转化为氧气,能增加水中溶解氧,效率高,不产生污泥,不造成二次污染。
(4)在提高净化效果、杀菌、消毒的同时,可除嗅、除味。
(5)制备臭氧用的电和空气不必储存和运输, 臭氧化装置占地小,运行操作管理简单,特别适用干原有水厂的提高水质和水量。
(6)臭氧有助于提高絮凝效果,减少混凝剂的投加量,可以提高滤速。
但臭氧消毒也存在着一定的弊端,如:不能长时间维持剩余臭氧;必须在使用现场产生;水质水量发生变化时,调节投加量困难等等。另外,臭氧杀菌受臭氧浓度、水温、pH值、水的浊度等因素影响。一般情况下,随臭氧浓度的提高,杀菌作用加强;水温越高,杀菌作用越强;水中pH值较高时,杀菌效果不好,需增大臭氧投放量;水的浊度对臭氧杀菌效果也有一定的影响,当水中浊度在 5mg/l以下时,这种影响则不明显。
2 臭氧氧化技术的作用机理
2·1 臭氧的产生
目前,生产臭氧的方法大致有:无声放电法、放射法、紫外线法、等离子射流法和电解法等等。由于后四种制备方法设备复杂、能耗较大、投资高等缺点。一般工业上采用的方法大多是在气相中放电的无声放电法。
无声放电就是利用高速电子轰击氧分子,使其分解成氧原子,离解后的氧原子有些合成为臭氧。臭氧需要现场制备,工业生产采用的介质无声放电以臭氧发生器实现,它具有产量大、浓度高、易于操控而应用于工业生产。衡量无声放电臭氧发生器效果的指标是单位放电面积的臭氧产量和耗电量。其主要影响因素有气源、电源和发生器构造。
气源:气源含氧量与臭氧产生量的一般关系为 O3∝(O2)0·5,可供作气源的有三种:空气、纯氧气和富氧空气。
电源:加大电压和提高交流电频率,均能提高臭氧产量。但二者增加,也造成设备造价的提高。
臭氧发生器构造:发生器的构造和臭氧产量, 电耗关系密切,其中主要是电介质,放电间隙、电极及其冷却方式等因素。
我国生产臭氧的实际水平是每公斤臭氧耗电量为l0~20kW·h,即只有4%~8%的电能作有效功,大部分则变成光能和热能被损耗掉。因此,采用适当的冷却方法、及时排除热量,是提高臭氧浓度、降低电耗的有效措施。国外现代臭氧发生器可达到:空气为气源的l0kW·h/kg臭氧,氧气为气源的4kW·h/kg臭氧。
2·2 臭氧的作用机理
臭氧的物理性质。臭氧是一种不稳定的物质, 在空气中会慢慢地连续自行分解成氧,同时放出大量热,其浓度为25%以上时很容易爆炸。但一般臭氧化空气中臭氧浓度不超过l0%,故不会发生爆炸。浓度为l%以下的臭氧,在常温常压下的空气中分解,半衰期为16h左右。而在水中,其分解速度比在空气中快得多,水中臭氧浓度为3mg/l,其半衰期仅l5~30min。臭氧在水中分解速度随水温、pH值提高而加快。故臭氧一般都就地制造、就地利用。
臭氧的化学性质。臭氧是氧气的同素异构体, 呈无色或淡蓝色气体,氧化、杀菌能力极强且非常不稳定,无法贮存。臭氧可以进攻有机物负电原子,进行亲电反应;臭氧还可以进攻有机物分子中带正电原子核,进行亲核反应。工业上常使用电晕放电法。在放电间隙,氧被电离成离子,高活性的氧离子同氧分子反应生成臭氧。
臭氧在水溶液中的氧化反应。由于臭氧是一种不稳定的强氧化剂, O3及其在水中分解的中间产物游离基具有很强氧化性。因此,它能迅速而广泛地氧化水溶液中某些元素和有机化合物,即使在低浓度下,也能瞬间完成。
臭氧在水溶液中的氧化作用取决于其分解条件和机理。臭氧在水中能形成具有强氧化作用的羟基自由基HO-,不仅可以消毒杀菌,还可以氧化分解水中污染物。臭氧化处理中由于小分子酸的生成使水溶液酸度不断升高,因此被处理液经常加入碱以保持适当的pH值,同时也使HCN、H2S等有害物形成不易挥发的离子,并反应降解。
3 臭氧氧化技术的有效利用
臭氧氧化技术在水处理方面的应用越来越被人们所接受和认同,并由此而产生多种更有效的复合处理工艺。结合常规的水处理工艺,应用预臭氧氧化技术会带来事半功倍的效果。
在饮用水处理中,臭氧氧化技术的重要性正在提高。它被选用处理较难处理的水,如:用臭氧化空气处理矿物水中硫氢化合物。其主要功能有:消毒杀菌,脱色,除嗅、味,去除铁、锰、氧化分解有机物和絮凝作用等。在大多数水处理厂中,臭氧均是多功能的。臭氧作为新型强氧化剂胜于传统的氧化剂在于它不仅可以避免产生有机氯化物,而且还具有能提高过滤速度,减少滤池数量,促进絮凝,较少絮凝池数量和絮凝剂用量,延长滤池使用时间,减少冲洗水耗量,提高水质水感等优点。
臭氧氧化技术的氧化、消毒效应也被应用在游泳池水水处理技术中。臭氧在水处理中的应用主要就是作为消毒剂,它对一般细菌、大肠菌、病毒等特别有效,其杀菌能力比氯系列消毒剂要强几十倍到数百倍。在活性碳过滤之前进行臭氧氧化,而后用含氯氧化剂,这在瑞士是官方许可的工艺。臭氧在污水和尾气排放技术中同样也起着重要作用,用以恶臭物除臭。在化学试剂厂,臭氧化工艺应用越来越多,且应用范围也越来越广。
在常规的水处理工艺中,混凝与臭氧氧化技术得到了有效地结合。混凝阶段所处理的对象,主要是水中悬浮物和胶体物质,它是水质净化工艺中十分重要的一个环节。实践证明,混凝过程的完善程度对后续处理、沉淀、过滤等影响很大。混凝目的在于向水中投加混凝剂,使水中难以自然沉降的胶体颗粒。通过混凝剂与胶体颗粒间的压缩双电层作用、吸附电中和作用、吸附架桥作用,或者沉淀物网捕作用,而能互相聚合,增大至能自然沉淀的程度,从而达到净化水质的目的。对于含有天然有机物的水,在混凝前进行预臭氧化会有助于减少混凝剂投量,增加过滤效率。
4 结语
综上所述,在上述应用领域中,臭氧氧化技术具有反应速度快、反应完全以及无二次污染等诸多优点,但其所利用的化学性质也有其相反方面的作用。比如,臭氧具有相当强的毒性,在西德工作间最大允许浓度0·1ppm;在0·2ppm情况下,即可引起草木的损害。因此,近年来,人们对臭氧的使用是本着扬长避短的原则。臭氧氧化技术多用于与其它技术的联合使用以及各种催化臭氧氧化技术, 其处理效果均优于单独使用臭氧。相信不远的将来,在广大科研工作者的共同努力下,臭氧氧化技术必将会有更大的应用空间和发展前景。
参考文献:
[1]许建华等·水的特种处理·同济大学出版社
[2]张林生·水的深度处理与回用技术·化学工业出版社
[3]陈亚萍,徐新·城市水处理工程技术·全国水利水电类高职高专统编教材
[4]严煦世.给水处理·中国建筑工业出版社
[5]水工业工程设计手册·之水资源及给水处理2
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