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臭氧氧化技術在水處理中的應用
作者:景藍環?! “l布時間:2018-01-02  瀏覽次數:1084

臭氧作為一種強氧化劑,在處理中得到了廣泛的應用。本文詳細論述了臭氧化技術在飲用水、工業廢水及循環冷卻水處理等方面的研究及應用現狀,并介紹了包括生物活性炭(BAC)、臭氧一雙氧水聯用法(O3/H2O2)、光催化臭氧化法(O3/UV)等幾種先進的復合臭氧化處理工藝。


臭氧具有很強的氧化性,可以氧化多種化合物,而且具有耗量小,反應速度快、不產生污泥等優點,因此被成功地應用于飲用水、工業廢水及循環冷卻水處理工藝中,特別是近二十年來,人們發現氯消毒會產生對人體有致癌作用的三氯甲烷(THMS),而臭氧殺滅活細菌和病毒的效率要遠優于氯消毒,同時還可效地去除水中的色、臭、味、和鐵、錳等無機物質,并能降低UV吸收值、TOC、COD及氨氮,所以臭氧氧化技術在水處理方面得到了越來越廣泛的應用,并由此發展出多種更有效的復合處理工藝。


1、飲用水處理

臭氧化技術應用最廣泛和最成功的領域是飲用水處理。目前全世界的臭氧化處理廠已有近兩千家,主要分布在歐洲。臭氧在飲用水處理中的主要功能有:消毒殺菌,脫色,除嗅、味,去除鐵、錳、氧化分解有機物和絮凝作用等。在大多數水處理廠中,臭氧均是多功能的。多年的研究和實踐證明,臭氧與傳統的氧化劑相比不僅可以避免產生有機氯化物,而且還具有能提高過濾速度,減少濾池數量,促進絮凝,較少絮凝池數量和絮凝劑用量,延長濾池使用時間,減少沖洗水耗量,提高水質水感等優點。


1.1消毒殺菌

臭氧在水處理中的應用就是作為消毒劑,它對一般細菌、大腸菌、病毒等特別有效,其殺菌能力比氯系列消毒劑要強幾十倍到數百倍,各種常規消毒劑的殺菌能力次序為O3>CIO:>HOCI>OCI>CI->CI->NHCI>NHCL3。當臭氧濃度為0.01mg/1時,1分鐘以下的接觸時間即可殺死純水中大腸桿菌,對于飲用水,最佳的臭氧數量為1-4mg/1[1],若要是99.9%的細菌和病毒失活則接觸時間約為10-12分鐘[2]。


1.2有機物的氧化分解

臭氧在理論上可以徹底氧化絕大部分有機物,但所消耗的臭氧量很大,據研究,這種O3:TOC在15:1以上[7]。因此,實際應用中通常采用臭氧低投量法,將大分子分解為小分子,有害物分解為無害物,難降解物質轉化為可降解物質,在輔以其它方法,使有機物的去除更為經濟和有效。


1.3色、嗅、味的去除

臭氧具有很強的脫色、嗅、味能力,而且可以避免加氯而產生氯酚等異味。

目前,常用的去除色、嗅、味工藝是將03與其它技術聯用,這樣既能提高處理效率又可減少臭氧的用量。據研究,同樣去除90%的C13H33O,若將臭氧與紫外光聯用,則臭氧濃度只需4mg/1[11]。


1.4鐵和錳的去除

由于鐵和錳較易去除,空氣即可將氧化,故單純為去除鐵、錳而采用臭氧的例子很少,一般只是一種附帶效果,在實際應用中,如用臭氧處理地下水,則鐵、錳完全氧化時與臭氧的用量出分別為0.48mgO3/mgFe和0.88mgO3/mgMn[1]。


1.5助凝作用

臭氧在低劑量下(0.5-1.5mg/1)可以起到良好的助凝作用,但濃度過高則會使效果惡化。臭氧凝作用的機理可能有:加強了鋁與臭氧化的有機物之間的親和力;對有機物起聚合作用;分解金屬一有機物絡合;與藻類反應等。在常規處理中,臭氧對明礬等有助凝劑效果,對于直接過濾法,臭氧化可以提高過濾速度。由于水中總有機碳決定了臭氧的助凝效果,所以用TOC/O3來表示臭氧的投量更合理些。


2、工業廢水處理

臭氧在工業廢水處理中的應用也十分廣泛,常見的有對含酚、含氰及印染廢水處理等。

臭氧能使氰絡鹽中的氰迅速分解(鐵氰絡鹽除外)。其反應分為兩步:臭氧首先將劇毒的CN-氧化為低毒的CNO-,然后再進一步氧化為CO2和N2。

含酚廢水是一種最常見的工業廢水,其與臭氧反應的速度很快。酚的降解速度與臭氧投量、接觸時間及氣泡大小有關,臭氧與酚類反應速度順序是:間苯三酚>間苯二酚>鄰苯二酚>苯酚,臭氧與酚的反應受PH影響很大,PH越高,反應速率越快,O3耗量越小。

臭氧對除分散染料以外的所有染料廢水都有脫色能力[15]。它可以破壞這些染料的發色或助色基團,從而達到脫色效果,但臭氧對各種有機染料的作用是不同的。


3、循環冷卻水的處理

近年來,由于在循環冷卻水中發現了一種對人體危害極大的格蘭氏陰性病原體(LDB)[21],使人們越來越關注循環冷卻水的處理工藝,70年代末,美國宇航局(NASA)[22],進行了大量的利用臭氧處理冷卻水的研究,證明O3是具有緩、阻、殺菌、滅藻、節水、無污染等諸多優點的最佳處理藥劑,且其處理費用要低于傳統方法,現已越來越多地應用于生產實踐中,預計其應用前景將非常廣泛。


4、復合臭氧化水處理技術

盡管臭氧具有極強的氧化性,但也存在一定的局限性。事實上,對于某些有機物或其中同產物,臭氧(特別是在低濃度時)很難將其完全氧化,此時單獨使用臭氧并不是最佳的方法,于是,隨著臭氧技術在處理中的廣泛應用,人們開始研究一些更為有效的復合臭氧化水處理技術,并取得了令人滿意的效果,其中主要包括生物活性炭法、臭氧一雙氧水聯合氧化法、光催化臭氧化法等。


4.1生物活性炭(BAC)法

生物活性炭法是一種將臭氧氧化、活性炭吸附及生物處理相結合的工藝,原水經預臭氧化,可以將大分子有機物分解成小分子有機物,提高有機物的可生化性并提供充足的氧氣,從而使這些有機物更易被活性炭吸附,被吸附的有機物又為維持炭床中的微生物的生命活動提供了營養,同時,由于供氧充分,好氣微生物在活性炭表面繁殖生長成生物膜,來降解吸附的小分子有機物。這就使炭床上活性炭吸和微生物降解同時進行,從而大大延長了活性炭的工作周期和效率;另外,由于炭粒比重小,在水、氣同相流動的作用下處于微動狀態,提供了臭氧進入炭孔隙中與被吸附的有機物相遇的機會。BAC法中活性炭的周期一般可以延長到兩、三年以上。)


4.2臭氧一雙氧水聯合氧化(O3/H2O2)法

O3/H2O2法主要用于處理高濃度有機廢水及含酚廢水。O3與H2O2結合,其氧化能力不是簡單的加,H2O2可強化水中基自由基(.OH)的產生,而.OH是水中氧化能力最強的氧化劑(氧化還原電位2.8)其氧化能力遠強于O3。


4.3光催化臭氧化(O3/UV)法

O3/UV法是目前應用較廣泛的復合臭氧化工藝,主要用于解決難降解物質(如鐵氰絡鹽)的處理及飲用及飲用水的處理問題,一般認為,光催化臭氧化的機理是,臭氧在水中首先光解產生H2O2,H2O2在紫外光的照射下產生.OH,進入水中.OH的反應循環。

用O3/UV法氧化酚及小分子有機物(C1-C6),其氧化速度遠遠超過單獨使用UV或O3,且可以迅速氧化O3難以降解的多氯聯苯、THM等物質,目前O3/UV法已被美國環保局(EPA)定多氯聯苯的最佳處理技術。

其它的復合臭氧化處理技術還有臭氧一金屬催化氧化法、臭氧一輻射法等,其處理效果均優于單獨使用臭氧。


總之,臭氧化法具有反應速度快、反應完全以及無二次污染等諸多優點,但其目前的使用費用普遍較高,隨著臭氧發生裝置的逐步改進和價格的降低,相信臭氧氧化處理技術必將會有更加廣泛的應用前景。

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