臭氧技术在污水处理领域的拓展应用
一、前言
水资源匮乏、水体污染严重是目前世界普遍面临的俩大难题。如何节省水资源的消耗、如何减少污染物的排放、如何更大限度的污水再生是很多人正在思考和解决的问题。
本人通过在国家级给排水技术研究机构的实习、通过在市政设计院的沟通和调研、通过对多个污水处理厂的参观和调查，特别是实际参与了咨询公司在江苏、新疆等地项目实施方案的论证，就臭氧技术的拓展应用提出了自己的观点并且已经部分得以实施。
二、臭氧的特性：
1、强氧化性
臭氧的氧化能力几乎是目前所知氧化剂中最强的。同时臭氧在水中的分解速度很快．在含有杂质的水溶液中能迅速回复到氧气的状态，其衰期为5．30min，若水温接近0℃时能更稳定些。另外还有研究表明，臭氧在水中的分解速度随水温和pH值的提高而加快，由于臭氧具有强氧化性，因此能与除了金、铂外的所有金属发生反应，能氧化许多有机物。
2、易分解性
臭氧的化学性质比较活跃，在常温下就可以分解为氧气，并在分解的过程中释放出284kJ／mol的热量，具体用化学式来表示就是：
2O3=3O2
臭氧在空气中的分解速度跟温度和臭氧自身的浓度有关，研究证明，当外在空间的温度越高、臭氧的浓度越大，其分解的速度也就越快；而臭氧在水中分解的速度是跟水温与酸碱度(pH)有关，水温越高时臭氧的分解速度越高，而pH值越高，也就是水的碱性越强使，臭氧的分解也就越快[3][4]。
3、强腐蚀性
由于臭氧具有很高的氧化性，所以除了铂和金以外，臭氧几乎可以氧化在空气中的所有金属，所以这也体现了臭氧的腐蚀性。而且臭氧对非金属材料也有强烈的腐蚀作用。基于这种原因，在实际的生产中常使用25％的铬铁合金来制造臭氧发生设备．而且在发生设备和计量设备中，不能用普遍的橡胶作密封材料，必须采用耐腐蚀的硅胶或者耐酸橡胶[3][4]。
三、臭氧的作用
基于以上臭氧的特性，在污水处理及再生水领域我们可以利用臭氧技术实现以下目标：
1、臭氧消毒
1.1臭氧消毒的机理
臭氧在水中灭菌有两种方式：一种是臭氧直接作用于细菌的细胞壁，将其破坏并导致细胞的死亡；另一种是臭氧在水中分解时释放出自由基态氧[5]。自由基态氧具有强氧化能力，可以穿透细胞壁，氧化分解细菌内部氧化葡萄糖所必须的葡萄糖氧化酶，也可以直接与细菌、病毒发生作用，破坏其细胞器和核糖核酸，分解DNA、RNA、蛋白质、脂质类和多糖等大分子聚合物，使细菌的物质代谢和繁殖过程遭到破坏；还可以渗透细胞膜组织，侵入细胞膜内作用于外膜脂蛋白和内部的脂多糖，促进细胞的溶解死亡，并且将死亡菌体内的遗传基因、寄生菌种、寄生病毒粒子、噬菌体、支原体及热原(细菌病毒代谢产物、内毒素)等溶解变性灭亡。也有学者认为，臭氧作用于细胞的表面，改变了细胞膜的渗透特性，最终导致细胞组分泄露到中间介质中[2]。
臭氧对细菌的灭活反应总是进行得很迅速。与其他杀菌剂不同的是，臭氧能与细菌细胞壁脂类双键反应，穿入菌体内部，作用于蛋白和脂多糖，改变细胞的通透性，从而导致细菌死亡。臭氧还作用于细胞内的核物质，如核酸中的嘌呤和嘧啶破坏DNA。臭氧对病毒的作用首先是作用于病毒衣体壳蛋白的四条多肽链，并使RNA受到损伤，特别是形成蛋白质。噬菌体被臭氧氧化后，电镜观察可见其表皮被破碎成许多碎片，从中释放出许多核糖核酸，干扰其吸附到寄存体上，臭氧杀菌彻底[6]。
1.2影响臭氧消毒的因素
臭氧在用于饮用水消毒时具有极高的杀菌效率，但在污水消毒时往往需要较大的臭氧投加量和较长的接触时间。影响消毒效果的主要因素总结如下。
1.2.1原水pH的影响
通过动力学实验，在固定气体流量(Q=10L／h)的条件下，考查了在不同pH值时，臭氧对实验用水的消毒效果。以pH=6.7和pH=8.0时为例[7]。实验结果表明，时间相同的条件下，在水质呈酸性时臭氧的存在时间要长于水质偏碱性时的存在时间，故水质显酸性时的消毒效果优于碱性条件下的消毒效果。
1.2.2水中其他物质的影响
主要是水中含COD、NO2-N、悬浮固体、色度等，这些物质会消耗水中的臭氧。有时还出现污水臭氧消毒后COD增加的现象，这主要是因为臭氧将水中难降解的惰性物质氧化为小分子物质或者将一些环状有机物开环，从而提高了原BDOC[8]，在臭氧消毒之前对原水进行预处理，尽量彻底的去除有机物是十分必要的。
1.2.3臭氧投加量和剩余臭氧量的影响
不同水质所需的臭氧投加量不同，臭氧的投加剂量越大、接触时间越长，出水水质越好[10-11]。MPetala对普通活性污泥法二级出水进行深度处理，再经臭氧消毒后出水达到美国EPA回用水质标准。
1.2.4臭氧接触方式的影响
臭氧在水中分解迅速，根据气液传质原理，增加臭氧的传质效率可提高臭氧的利用率，因此选用不同的投加方式，臭氧的利用率不同。
2、臭氧技术在污水处理中的脱色作用
臭氧的强氧化性也可用于降低BOD、COD、脱色、除臭、除味、杀藻，除铁、锰、氰、酚等[15]。目前臭氧氧化法主要用于印染废水处理等。其中以脱色应用由为重要。
按照国家2003年7月1日正式实施的《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918—2002)4.1.2.1款规定，当污水处理厂出水作为城镇景观用水和一般回用水等用途时，污水处理厂出水水质执行一级标准的A标准，色度≤30。要求对再生水进行脱色、除嗅、灭菌处理[16]。
臭氧对水体中的着色有机物具有氧化分解作用微量的臭氧就能起到良好的效果。着色有机物一般是具有不饱和键的多环有机物，用臭氧进行处理时能够打开不饱和化学键，使分子断键．从而使水变清。
四、实例及应用：
1、笔者对江苏沭阳化工园区污水处理厂及北京延庆污水处理厂的进出水分别进行了采样比对：
采样结论(在水样采集期间)：
(1)脱色效果明显，出水水质指标稳定。
(2)污水处理厂出水水质均符合设计标准要求。
2、笔者同美国赛莱默(Xylem)公司技术人员进行了沟通和交流，特别是桐乡凤栖水处理项目中臭氧技术利用的可靠性进行了详细了解。目前，在水处理行业臭氧设备已经形成产业化规模，特别是设备的集约化大大方便了偏远地区、经济欠发达地区的建设和运营。也为本文方案的提出拓展了思路。
五、存在的问题：
(1)臭氧的制备成本较高、能耗较大。
(2)消毒效果受水质影响较大。
(3)对于臭氧消毒副产物的研究较少，增加了使用臭氧消毒的风险。
随着污水深度处理技术和污水回用的普及，臭氧消毒的研究和应用将会越来越多，臭氧与其它消毒方法的复合消毒将是今后发展的趋势。
六、结论
臭氧特性明确、机理清晰、技术成熟。既能有效的应用于高污染企业污水处理，又能够很好的脱色、消毒应用于再生水的处理。可以设想：在中国西部地区(例如新疆)这样的石油矿产丰富，相关产业兴起，由此产生大量高污染废水，同时新疆又是水资源严重匮乏的地区之一。如果利用臭氧技术从治理高浓度水污染开始，作为一个流程直接将污水处理成为再生水标准，这样，及解决了高污染水的处理问题，又同时解决了当地水资源匮乏问题。这应该是明智之举。
目前，这个由高浓度污染废水直接利用臭氧技术达到再生水标准的方案路线已经应用于新疆五五工业园污水处理厂项目中。
参考文献：
[1]杨基成，曾抗美，梁宏，等.城市污水臭氧消毒宏观动力学探索[J].四川环境，2003,22(3):23-25.
[2]王祥勇，陈洪斌，阮久丽.污水和再生水臭氧消毒的研究和应用[J].水处理技术，2010,36(4):19-23.
[3]谢文军.臭氧在市政污水处理中的应用[J].城市建设，2010(5):103.
[4]PeiXu,Marie-LaureJanexb,PhilippeSavoyeb,etal.Wastewaterdisinfectionbyozone:mainparametersforprocessdesign[J].WaterResearch,2002,36(4):1043-1055.
[5]夏志清，杨君，丁从文.臭氧消毒简介[J].化学教育，2006(10):7-9.
[6]朱巧英.臭氧消毒技术在舰船生活污水处理中的应用[J].船海工程，2010,39(6):24-28.
[7]刘存礼，徐富春.水的臭氧消毒数学模型和优化设计的研究[J].环境科学与技术，1989,(3):33-38.
[8]Baird,RodgerBSmith,Roy-Keith.ThirdCenturyofBiochemicalOxygenDemand[M].Virginia:WaterEnvironmentFederation(WEF),2002.
[9]VCamel,ABermond.Theuseofozoneandassociatedoxidationprocessesindrinkingwatertreatment[J].WaterResearch,1998,32(11):3208-3222.
[10]蒋以元.城市污水再生利用中的消毒问题研究[J].环境工程学报，2008,2(1):16-18.
[11]陈真贤,张朝升,荣宏伟,等.中水消毒技术研究[J].中国农村水利电，2008(4):60-62.
[12]MPetala,VTsiridis,PSamaras,etal.Wastewaterreclamationbyadvancedtreatmentofsecondaryeffluents[J].Desalination,2006,195(1-3):109-118.
[13]李涛，谭欣，赵林.臭氧消毒的控制参数选取和数学模型[J].工业用水与废水，2005,36(1):35-37.
[14]Marc-OlivierBuffle,JochenSchumacher,ElisabethSalhi,etal.Measurementoftheinitialphaseofozonedecompositioninwaterandwastewaterbymeansofacontinuousquench-flowsystem:applicationtodisinfectionandpharmaceuticaloxidation[J].WaterResearch,2006,40(9):1884-1894.
[15]高南飞.臭氧技术在处理生活污水方面的应用研究[D].长春:吉林大学环境与资源学院,2004.
[16]张林生，杨广平，王薇.臭氧化法在水处理中的应用[J].净水技术，2003,22(1):12-14,34.
[17]刘运红，李春国，刘昆.再生水厂臭氧系统的工艺设计[J].供水技术，2008,4(2):62-64.
[18]冉冉.臭氧-生物活性炭技术在给水处理中的应用[J].广西轻工业，2011(1):79-80.
[19]WilliamH.Glaze.EvaluatingtheformationofbrominatedDBPsduringozonation[J].JournaloftheAmericanWaterWorksAssociation,1993,85(1):96-104.
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