臭氧技術(shù)在污水處理領(lǐng)域的拓展應(yīng)用
李辰浩（北京師范大學(xué)第二附屬中學(xué) 北京 100192） 賈旭原（原國(guó)家城市給水排水工程技術(shù)研究中心常務(wù)副主任 原中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究院副院長(zhǎng)
2017/1/13 9:58:20
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李辰浩（北京師范大學(xué)第二附屬中學(xué) 北京 100192）
賈旭原（原國(guó)家城市給水排水工程技術(shù)研究中心常務(wù)副主任 原中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究院副院長(zhǎng) 教授；現(xiàn)任北京中恒聯(lián)合投資管理有限公司 董事長(zhǎng) 北京 100048）
摘要：本文對(duì)臭氧技術(shù)的性質(zhì)、氧化機(jī)理、作用做了介紹。特別對(duì)高污染企業(yè)污水處理和水資源匱乏地區(qū)的污水再生提出了穩(wěn)定有效的、相輔相成的技術(shù)方案。
關(guān)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(yán)重是目前世界普遍面臨的倆大難題。如何節(jié)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(wèn)題。
本人通過(guò)在國(guó)家級(jí)給排水技術(shù)研究機(jī)構(gòu)的實(shí)習(xí)、通過(guò)在市政設(shè)計(jì)院的溝通和調(diào)研、通過(guò)對(duì)多個(gè)污水處理廠的參觀和調(diào)查，特別是實(shí)際參與了咨詢(xún)公司在江蘇、新疆等地項(xiàng)目實(shí)施方案的論證，就臭氧技術(shù)的拓展應(yīng)用提出了自己的觀點(diǎn)并且已經(jīng)部分得以實(shí)施。
二、臭氧的特性：
1、強(qiáng)氧化性
臭氧的氧化能力幾乎是目前所知氧化劑中最強(qiáng)的。同時(shí)臭氧在水中的分解速度很快．在含有雜質(zhì)的水溶液中能迅速回復(fù)到氧氣的狀態(tài)，其衰期為5．30min，若水溫接近0℃時(shí)能更穩(wěn)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(qiáng)氧化性，因此能與除了金、鉑外的所有金屬發(fā)生反應(yīng)，能氧化許多有機(jī)物。
2、易分解性
臭氧的化學(xué)性質(zhì)比較活躍，在常溫下就可以分解為氧氣，并在分解的過(guò)程中釋放出284 kJ／mol的熱量，具體用化學(xué)式來(lái)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(guān)，研究證明，當(dāng)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(guān)，水溫越高時(shí)臭氧的分解速度越高，而pH值越高，也就是水的堿性越強(qiáng)使，臭氧的分解也就越快[3] [4]。
3、強(qiáng)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(xiàn)了臭氧的腐蝕性。而且臭氧對(duì)非金屬材料也有強(qiáng)烈的腐蝕作用。基于這種原因，在實(shí)際的生產(chǎn)中常使用25％的鉻鐵合金來(lái)制造臭氧發(fā)生設(shè)備．而且在發(fā)生設(shè)備和計(jì)量設(shè)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(lǐng)域我們可以利用臭氧技術(shù)實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：
1、臭氧消毒
1.1臭氧消毒的機(jī)理
臭氧在水中滅菌有兩種方式：一種是臭氧直接作用于細(xì)菌的細(xì)胞壁，將其破壞并導(dǎo)致細(xì)胞的死亡；另一種是臭氧在水中分解時(shí)釋放出自由基態(tài)氧[5]。自由基態(tài)氧具有強(qiáng)氧化能力，可以穿透細(xì)胞壁，氧化分解細(xì)菌內(nèi)部氧化葡萄糖所必須的葡萄糖氧化酶，也可以直接與細(xì)菌、病毒發(fā)生作用，破壞其細(xì)胞器和核糖核酸，分解DNA、RNA、蛋白質(zhì)、脂質(zhì)類(lèi)和多糖等大分子聚合物，使細(xì)菌的物質(zhì)代謝和繁殖過(guò)程遭到破壞；還可以滲透細(xì)胞膜組織，侵入細(xì)胞膜內(nèi)作用于外膜脂蛋白和內(nèi)部的脂多糖，促進(jìn)細(xì)胞的溶解死亡，并且將死亡菌體內(nèi)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(xì)菌病毒代謝產(chǎn)物、內(nèi)毒素）等溶解變性滅亡。也有學(xué)者認(rèn)為，臭氧作用于細(xì)胞的表面，改變了細(xì)胞膜的滲透特性，最終導(dǎo)致細(xì)胞組分泄露到中間介質(zhì)中[2]。
臭氧對(duì)細(xì)菌的滅活反應(yīng)總是進(jìn)行得很迅速。與其他殺菌劑不同的是，臭氧能與細(xì)菌細(xì)胞壁脂類(lèi)雙鍵反應(yīng)，穿入菌體內(nèi)部，作用于蛋白和脂多糖，改變細(xì)胞的通透性，從而導(dǎo)致細(xì)菌死亡。臭氧還作用于細(xì)胞內(nèi)的核物質(zhì)，如核酸中的嘌呤和嘧啶破壞DNA。臭氧對(duì)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(zhì)。噬菌體被臭氧氧化后，電鏡觀察可見(jiàn)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(shí)具有極高的殺菌效率，但在污水消毒時(shí)往往需要較大的臭氧投加量和較長(zhǎng)的接觸時(shí)間。影響消毒效果的主要因素總結(jié)如下。
1.2.1原水pH的影響
通過(guò)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，在固定氣體流量(Q=10 L／h)的條件下，考查了在不同pH值時(shí)，臭氧對(duì)實(shí)驗(yàn)用水的消毒效果。以pH=6.7和pH=8.0時(shí)為例[7]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，時(shí)間相同的條件下，在水質(zhì)呈酸性時(shí)臭氧的存在時(shí)間要長(zhǎng)于水質(zhì)偏堿性時(shí)的存在時(shí)間，故水質(zhì)顯酸性時(shí)的消毒效果優(yōu)于堿性條件下的消毒效果。
1.2.2水中其他物質(zhì)的影響
主要是水中含COD、NO2-N、懸浮固體、色度等，這些物質(zhì)會(huì)消耗水中的臭氧。有時(shí)還出現(xiàn)污水臭氧消毒后COD 增加的現(xiàn)象，這主要是因?yàn)槌粞鯇⑺须y降解的惰性物質(zhì)氧化為小分子物質(zhì)或者將一些環(huán)狀有機(jī)物開(kāi)環(huán)，從而提高了原BDOC[8]，在臭氧消毒之前對(duì)原水進(jìn)行預(yù)處理，盡量徹底的去除有機(jī)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(zhì)所需的臭氧投加量不同，臭氧的投加劑量越大、接觸時(shí)間越長(zhǎng)，出水水質(zhì)越好[10-11]。M Petala對(duì)普通活性污泥法二級(jí)出水進(jìn)行深度處理，再經(jīng)臭氧消毒后出水達(dá)到美國(guó)EPA回用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
1.2.4臭氧接觸方式的影響
臭氧在水中分解迅速，根據(jù)氣液傳質(zhì)原理，增加臭氧的傳質(zhì)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(shù)在污水處理中的脫色作用
臭氧的強(qiáng)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(yīng)用由為重要。
按照國(guó)家2003年7月1日正式實(shí)施的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918—2002）4.1.2.1款規(guī)定，當(dāng)污水處理廠出水作為城鎮(zhèn)景觀用水和一般回用水等用途時(shí)，污水處理廠出水水質(zhì)執(zhí)行一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的A標(biāo)準(zhǔn)，色度≤30。要求對(duì)再生水進(jìn)行脫色、除嗅、滅菌處理[16]。
臭氧對(duì)水體中的著色有機(jī)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(jī)物一般是具有不飽和鍵的多環(huán)有機(jī)物，用臭氧進(jìn)行處理時(shí)能夠打開(kāi)不飽和化學(xué)鍵，使分子斷鍵．從而使水變清。
四、實(shí)例及應(yīng)用：
1、筆者對(duì)江蘇沭陽(yáng)化工園區(qū)污水處理廠及北京延慶污水處理廠的進(jìn)出水分別進(jìn)行了采樣比對(duì)：
采樣結(jié)論（在水樣采集期間）：
（1）脫色效果明顯，出水水質(zhì)指標(biāo)穩(wěn)定。
（2）污水處理廠出水水質(zhì)均符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。
2、筆者同美國(guó)賽萊默（Xylem）公司技術(shù)人員進(jìn)行了溝通和交流，特別是桐鄉(xiāng)鳳棲水處理項(xiàng)目中臭氧技術(shù)利用的可靠性進(jìn)行了詳細(xì)了解。目前，在水處理行業(yè)臭氧設(shè)備已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，特別是設(shè)備的集約化大大方便了偏遠(yuǎn)地區(qū)、經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)。也為本文方案的提出拓展了思路。
五、存在的問(wèn)題：
（1）臭氧的制備成本較高、能耗較大。
（2）消毒效果受水質(zhì)影響較大。
（3）對(duì)于臭氧消毒副產(chǎn)物的研究較少，增加了使用臭氧消毒的風(fēng)險(xiǎn)。
隨著污水深度處理技術(shù)和污水回用的普及，臭氧消毒的研究和應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越多，臭氧與其它消毒方法的復(fù)合消毒將是今后發(fā)展的趨勢(shì)。
六、結(jié)論
臭氧特性明確、機(jī)理清晰、技術(shù)成熟。既能有效的應(yīng)用于高污染企業(yè)污水處理，又能夠很好的脫色、消毒應(yīng)用于再生水的處理。可以設(shè)想：在中國(guó)西部地區(qū)（例如新疆）這樣的石油礦產(chǎn)豐富，相關(guān)產(chǎn)業(yè)興起，由此產(chǎn)生大量高污染廢水，同時(shí)新疆又是水資源嚴(yán)重匱乏的地區(qū)之一。如果利用臭氧技術(shù)從治理高濃度水污染開(kāi)始，作為一個(gè)流程直接將污水處理成為再生水標(biāo)準(zhǔn)，這樣，及解決了高污染水的處理問(wèn)題，又同時(shí)解決了當(dāng)?shù)厮Y源匱乏問(wèn)題。這應(yīng)該是明智之舉。
目前，這個(gè)由高濃度污染廢水直接利用臭氧技術(shù)達(dá)到再生水標(biāo)準(zhǔn)的方案路線已經(jīng)應(yīng)用于新疆五五工業(yè)園污水處理廠項(xiàng)目中。
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