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臭氧氧化技术在水处理中的应用
作者:景蓝环保  发布时间:2018-01-02  浏览次数:566

臭氧作为一种强氧化剂,在处理中得到了广泛的应用。本文详细论述了臭氧化技术在饮用水、工业废水及循环冷却水处理等方面的研究及应用现状,并介绍了包括生物活性炭(BAC)、臭氧一双氧水联用法(O3/H2O2)、光催化臭氧化法(O3/UV)等几种先进的复合臭氧化处理工艺。


臭氧具有很强的氧化性,可以氧化多种化合物,而且具有耗量小,反应速度快、不产生污泥等优点,因此被成功地应用于饮用水、工业废水及循环冷却水处理工艺中,特别是近二十年来,人们发现氯消毒会产生对人体有致癌作用的三氯甲烷(THMS),而臭氧杀灭活细菌和病毒的效率要远优于氯消毒,同时还可效地去除水中的色、臭、味、和铁、锰等无机物质,并能降低UV吸收值、TOC、COD及氨氮,所以臭氧氧化技术在水处理方面得到了越来越广泛的应用,并由此发展出多种更有效的复合处理工艺。


1、饮用水处理

臭氧化技术应用最广泛和最成功的领域是饮用水处理。目前全世界的臭氧化处理厂已有近两千家,主要分布在欧洲。臭氧在饮用水处理中的主要功能有: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。多年的研究和实践证明,臭氧与传统的氧化剂相比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。


1.1消毒杀菌

臭氧在水处理中的应用就是作为消毒剂,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,各种常规消毒剂的杀菌能力次序为O3>CIO:>HOCI>OCI>CI->CI->NHCI>NHCL3。当臭氧浓度为0.01mg/1时,1分钟以下的接触时间即可杀死纯水中大肠杆菌,对于饮用水,最佳的臭氧数量为1-4mg/1[1],若要是99.9%的细菌和病毒失活则接触时间约为10-12分钟[2]。


1.2有机物的氧化分解

臭氧在理论上可以彻底氧化绝大部分有机物,但所消耗的臭氧量很大,据研究,这种O3:TOC在15:1以上[7]。因此,实际应用中通常采用臭氧低投量法,将大分子分解为小分子,有害物分解为无害物,难降解物质转化为可降解物质,在辅以其它方法,使有机物的去除更为经济和有效。


1.3色、嗅、味的去除

臭氧具有很强的脱色、嗅、味能力,而且可以避免加氯而产生氯酚等异味。

目前,常用的去除色、嗅、味工艺是将03与其它技术联用,这样既能提高处理效率又可减少臭氧的用量。据研究,同样去除90%的C13H33O,若将臭氧与紫外光联用,则臭氧浓度只需4mg/1[11]。


1.4铁和锰的去除

由于铁和锰较易去除,空气即可将氧化,故单纯为去除铁、锰而采用臭氧的例子很少,一般只是一种附带效果,在实际应用中,如用臭氧处理地下水,则铁、锰完全氧化时与臭氧的用量出分别为0.48mgO3/mgFe和0.88mgO3/mgMn[1]。


1.5助凝作用

臭氧在低剂量下(0.5-1.5mg/1)可以起到良好的助凝作用,但浓度过高则会使效果恶化。臭氧凝作用的机理可能有:加强了铝与臭氧化的有机物之间的亲和力;对有机物起聚合作用;分解金属一有机物络合;与藻类反应等。在常规处理中,臭氧对明矾等有助凝剂效果,对于直接过滤法,臭氧化可以提高过滤速度。由于水中总有机碳决定了臭氧的助凝效果,所以用TOC/O3来表示臭氧的投量更合理些。


2、工业废水处理

臭氧在工业废水处理中的应用也十分广泛,常见的有对含酚、含氰及印染废水处理等。

臭氧能使氰络盐中的氰迅速分解(铁氰络盐除外)。其反应分为两步:臭氧首先将剧毒的CN-氧化为低毒的CNO-,然后再进一步氧化为CO2和N2。

含酚废水是一种最常见的工业废水,其与臭氧反应的速度很快。酚的降解速度与臭氧投量、接触时间及气泡大小有关,臭氧与酚类反应速度顺序是:间苯三酚>间苯二酚>邻苯二酚>苯酚,臭氧与酚的反应受PH影响很大,PH越高,反应速率越快,O3耗量越小。

臭氧对除分散染料以外的所有染料废水都有脱色能力[15]。它可以破坏这些染料的发色或助色基团,从而达到脱色效果,但臭氧对各种有机染料的作用是不同的。


3、循环冷却水的处理

近年来,由于在循环冷却水中发现了一种对人体危害极大的格兰氏阴性病原体(LDB)[21],使人们越来越关注循环冷却水的处理工艺,70年代末,美国宇航局(NASA)[22],进行了大量的利用臭氧处理冷却水的研究,证明O3是具有缓、阻、杀菌、灭藻、节水、无污染等诸多优点的最佳处理药剂,且其处理费用要低于传统方法,现已越来越多地应用于生产实践中,预计其应用前景将非常广泛。


4、复合臭氧化水处理技术

尽管臭氧具有极强的氧化性,但也存在一定的局限性。事实上,对于某些有机物或其中同产物,臭氧(特别是在低浓度时)很难将其完全氧化,此时单独使用臭氧并不是最佳的方法,于是,随着臭氧技术在处理中的广泛应用,人们开始研究一些更为有效的复合臭氧化水处理技术,并取得了令人满意的效果,其中主要包括生物活性炭法、臭氧一双氧水联合氧化法、光催化臭氧化法等。


4.1生物活性炭(BAC)法

生物活性炭法是一种将臭氧氧化、活性炭吸附及生物处理相结合的工艺,原水经预臭氧化,可以将大分子有机物分解成小分子有机物,提高有机物的可生化性并提供充足的氧气,从而使这些有机物更易被活性炭吸附,被吸附的有机物又为维持炭床中的微生物的生命活动提供了营养,同时,由于供氧充分,好气微生物在活性炭表面繁殖生长成生物膜,来降解吸附的小分子有机物。这就使炭床上活性炭吸和微生物降解同时进行,从而大大延长了活性炭的工作周期和效率;另外,由于炭粒比重小,在水、气同相流动的作用下处于微动状态,提供了臭氧进入炭孔隙中与被吸附的有机物相遇的机会。BAC法中活性炭的周期一般可以延长到两、三年以上。)


4.2臭氧一双氧水联合氧化(O3/H2O2)法

O3/H2O2法主要用于处理高浓度有机废水及含酚废水。O3与H2O2结合,其氧化能力不是简单的加,H2O2可强化水中基自由基(.OH)的产生,而.OH是水中氧化能力最强的氧化剂(氧化还原电位2.8)其氧化能力远强于O3。


4.3光催化臭氧化(O3/UV)法

O3/UV法是目前应用较广泛的复合臭氧化工艺,主要用于解决难降解物质(如铁氰络盐)的处理及饮用及饮用水的处理问题,一般认为,光催化臭氧化的机理是,臭氧在水中首先光解产生H2O2,H2O2在紫外光的照射下产生.OH,进入水中.OH的反应循环。

用O3/UV法氧化酚及小分子有机物(C1-C6),其氧化速度远远超过单独使用UV或O3,且可以迅速氧化O3难以降解的多氯联苯、THM等物质,目前O3/UV法已被美国环保局(EPA)定多氯联苯的最佳处理技术。

其它的复合臭氧化处理技术还有臭氧一金属催化氧化法、臭氧一辐射法等,其处理效果均优于单独使用臭氧。


总之,臭氧化法具有反应速度快、反应完全以及无二次污染等诸多优点,但其目前的使用费用普遍较高,随着臭氧发生装置的逐步改进和价格的降低,相信臭氧氧化处理技术必将会有更加广泛的应用前景。

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