臭氧氧化技术在微污染水中的应用范文

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《能源与环境杂志》2014年第三期

1臭氧氧化技术的研究进展

1.1国外研究进展臭氧（O3）是一种发现较早的物质，具有较强的氧化性和消毒性，但由于价格高于普通使用的氯氧化剂，所以没被广泛应用。伴随着人们生活水平的提高，以及检测水平的提高，发现氯消毒具有对嗅味的破坏，产生消毒副产物等负面影响［4］，而臭氧作为氧化剂产生的副产物少，故具有新的发展空间。早在1781年，VanMarum就第1次报道了臭氧，到1871年，臭氧分子式才得到确定。臭氧具有极强的氧化性，在酸性介质中，其标准电极电位E=2.07V，在碱性介质中，E=1.27V。因其强氧化性，臭氧得到广泛研究和应用。在水处理实践中，早在1893年荷兰的Schneller.V等用臭氧对Rhine河进行消毒处理；1905年法国Nice市将臭氧用于饮用水消毒。微污染水源水含有少量或痕量的溶解性有机物，或难检测的内分泌干扰物。造纸厂的废水中含有大量有机污染物，DanielR.Medeiros等人研究造纸厂废水处理时，利用臭氧氧化将大分子量的有机物降解转化成小分子量的有机物，同时废水的色度也得到大幅度降低［5］。消毒与杀菌是饮用水水质的最后保障，M.Lanao等人在Ebro河基于臭氧、臭氧/过氧化氢和臭氧/二氧化钛在野生菌株的梭状芽孢杆菌方面做出研究并得出除菌效果都极高，但有效程度臭氧/过氧化氢>臭氧>臭氧/二氧化钛［6］。内分泌干扰物的出现及检测是现阶段饮用水水源水中新发现的微污染物质，由于其浓度的痕量性，增加了检测和去除的难度。MaureenNakonechny等人利用臭氧/过氧化氢批量处理雌激素类物质，发现pH值对臭氧/过氧化氢进行氧化去除激素的反应速率的影响最大［7］。

1.2国内研究进展（1）臭氧作为消毒剂的研究进展。随着生活水平的提高，人们对水质的要求也越来越高，各国尤其是欧洲和美国都制定了十分严格的饮用水水质标准。相比较我国的饮用水水质标准，检测项目多，阈值限制也严格。目前饮用水处理关注的问题有2个：①消毒的安全性；②微污染水源水的处理。传统水处理工艺不能满足水质处理要求，故需要研究更适合处理微污染水源水的处理工艺和产生少量或不产生消毒副产物的消毒剂。在传统水处理中为保证控制微生物的量，通常在清水池前加氯，并且管网中一般存在一定的余氯量来保证管网中消毒剂的量。但研究发现液氯作为消毒剂可以产生消毒副产物，如三卤甲烷等有机卤化物。这些物质具有一定的毒性，有些还致癌、致畸、致突变［5］。作为液氯消毒剂的替代物，臭氧逐渐被用作水厂的初级消毒剂，从而减少消毒副产物DBPs的前提物的产生，二级消毒再采用液氯、二氧化氯、氯胺等。臭氧对一般细菌、大肠杆菌、病毒等的杀菌能力比氯系列的消毒剂要强几十倍到几百倍，各种常见的消毒剂的杀菌能力次序如下：O3>ClO>HOCl>OCl->Cl->NHCl>NHCl3。当臭氧浓度为0.01mg/L时，1min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量为1～4mg/L。若对99.9%的细菌和病毒灭活，则接触时间约为10～12min［8］。（2）臭氧作为氧化剂的研究进展。微污染水源水，指微量和衡量有毒有害的有机污染物或无机物质进入水体后被污染的水。有机污染物包括各类可溶解性有机物、氮、磷等营养元素。在我国，微污染水源的污染程度比西方国家的高的多，处理难度也大，处理方法分为常规处理和深度处理。常规处理处理的是有机物含量少的原水，而对于有机物含量过高微污染水可采用臭氧氧化与生物活性炭联用工艺。它是活性炭物理化学吸附、臭氧化学氧化、生物氧化降解及臭氧灭菌消毒4种技术合为一体的工艺。臭氧-生物活性炭工艺主要针对微污染水中的有机物、氨氮、色度、浊度、嗅，能够有效地去除水中的有机物和氨氮，使有机物浓度降低至700μg/L～1600μg/L。在不同的臭氧投加量下，孟建斌等做的主臭氧投加量的优化显示：当以CODMn为评价指标时，最佳主臭氧投加量为1.7～2.1mg/L，整个系统对CODMn的最大去除率为69%［9］。

济南的鹊华水厂技改示范工程设计采用了中置式高密度沉淀池/臭氧生物活性炭/V型滤池处理工艺［10］。随着鹊山水库的建成和黄河上游原水水质的变化，导致进厂的原水呈现低温低浊、有机污染和含藻类等特性，为达到新颁布的国家饮用水标准，鹊华水厂进行了技术改造，工艺流程图如图1。沉淀池出水进入臭氧接触池，在其中实现臭氧氧化，改变水中有机物的性质，使有机物更容易被活性炭吸附降解。（3）臭氧氧化与其它工艺的联用。针对富营养化水体的水质特征，彭明国等［11］构建了臭氧预氧化/改性粘土/臭氧-生物活性炭组合工艺，并用其处理常州的景观河水。结果显示在预臭氧投量为1.2mg/L、改性粘土投量为1.2g/L、臭氧-生物活性炭段的臭氧投量为2mg/L的条件下，对浊度、CODMn、TN、TP和藻类的去除率分别为97.5%、77.7%、81.9%、95.4%和99.2%，出水水质达到了地表水环境质量标准（GB3838-2002）的Ⅰ类或Ⅱ类水质标准，为富营养化地表水的治理提供了切实可行的方法。随着饮用水水源污染的日益加重，为满足不断提高的饮用水水质标准的要求，采用饮用水深度处理工艺已越来越重要，其中臭氧/活性炭工艺将臭氧氧化、活性炭吸附、臭氧消毒等合为一体，以其除污独特高效而成为各国饮用水处理的最佳选择。高级氧化技术对高浓度、高毒性、可生化性差的工业废水具有很好的降解效果。高级氧化技术包括Fenton氧化法、光催化氧化法、臭氧氧化法、超声氧化法、湿式氧化法和超临界水氧化法等。严高峰等［12］对活性炭吸附-催化臭氧氧化造纸废水特征污染物进行了研究，结果显示联合工艺的处理效果优于单独的活性炭吸附和臭氧氧化，并研究了渗氮活性炭对吸附-催化臭氧氧化技术的强化作用。魏东洋等［13］则对O3、UV/O3降解六氯苯的效果进行了比较，结果表明，采用组合技术可显著提高氧化速率和处理效果、缩短反应时间、降低O3耗量。胡俊生等［14］探讨了O3/H2O2和O3/MnOx-GAC工艺对印染废水的处理效果，发现2种工艺的降解效率相对于单独的O3氧化都明显提高。

2臭氧氧化技术在微污染水处理中的应用

微污染水源水处理给传统水处理工艺提出挑战，传统的工艺不再满足新颁布的水质标准指标。为达到水质标准，在充分结合水质特点的同时对传统工艺的改造是很有必要的。臭氧作为一种强的氧化剂，同时还可以作为消毒剂使用。臭氧氧化技术在微污染水源水处理中的应用是臭氧和其它工艺的联用。臭氧与其它处理方法联合的工艺流程在许多形式，如：①O3+生化单元（活性污泥法、生物活性炭法）；②O3+絮凝+膜处理；③O3+膜处理；④O3+气浮（吹脱）；⑤O3+活性炭吸附单元；⑥O3+絮凝+O3。臭氧处理单元自身则有以下几种形式：①O3；②O3/H2O2；③O3/H2O2/UV；④O3/UV；⑤O3/固体催化剂（固体催化剂如活性炭、金属及其氧化物）。

3结语

臭氧氧化技术作为较早的一种技术，因由于臭氧产生与储存的局限性没有被广泛应用，而在人们对水质要求更高的时代被广泛应用。臭氧作为一种强氧化剂将传统工艺难去除的有机物氧化并改变其分子结构，生成小分子物质或CO2和H2O，并与其它的工艺联合，如活性炭，双氧水，催化剂等。微污染水源水的处理是针对传统工艺的不足进行技术改造，臭氧氧化可以弥补传统工艺的不足，可以作为在原有水厂基础上增添的工艺而推广应用。针对水质要求的不断提高及微污染水源水质的不断恶化，建议进一步加强对臭氧氧化及其联用技术的理论与应用研究。

作者：王喆王龙张亮单位：山东建筑大学市政与环境工程学院济南市规划设计研究院