水處理中臭氧氧化技術的探討
摘要：概述了臭氧氧化技術的發展及特點,介紹了臭氧氧化技術的產生與作用機理。臭氧作為一種強氧化劑,在水處理中得到了廣泛的應用。主要體現在飲用水處理、游泳池水處理、污水和尾氣排放、活性炭過濾前的臭氧氧化以及混凝與臭氧氧化技術的有機結合。
關鍵詞：水處理;臭氧氧化;強氧化劑;活性炭過濾;混凝
水是人類社會賴以生存與發展、文明與進步的基本保障,與我們每個人息息相關。二十一世紀是世界經濟全球化和科學技術迅猛發展的時期,隨著社會生產力的發展和人民生活水平的提高,城市化規模的不斷擴大,使水污染問題日益加劇,導致水質問題日益突出,已成為甚于洪澇災害的“水質災害”。面臨全球性水資源短缺、水環境污染嚴重、城市和工業發展對水質水量要求不斷提高的挑戰, 我們已進入一個極其緊迫、相當復雜、全球性的生態與經濟相互依賴的時期。這就要求水處理技術要不斷提高與完善,推陳出新,以滿足快速發展的環境變化需要。隨著水質分析技術逐漸改進,水源和飲用水中能夠測得的微量污染物質的種類也在不斷增加,針對源水中出現的新污染問題,人們已著手對水質凈化的新技術進行了研究,并取得了較好的效果。臭氧氧化技術是在水處理中受到普遍關注的氯消毒副產品對人體具有致命危害之后開始重視并廣泛采用的方法。臭氧可以處理飲用水、污水、游泳池水、污染的空氣等,同防止人們被紫外線輻射一樣,臭氧對凈化污染的水和空氣也是必不可少的。
1 臭氧氧化技術的發展及特點
臭氧(O3)是一種發現較早的物質,具有較強的氧化性和可消毒性,但由于價格高于普遍使用的氯氧化劑,所以沒有被廣泛使用。隨著人們發現氯具有對味道的破壞,氯酚、氯胺的產生,以及產生高揮發性鹵代烴等缺點,臭氧又有了被得以使用的新空間。人們發展了臭氧生產技術,尋找到了新的工藝流程;同時。臭氧的應用領域、化學性質以及反應物也得到進一步的研究。
臭氧具有很強的氧化性,可以氧化多種化合物,因此,臭氧氧化技術在水處理中被廣泛應用。臭氧氧化技術具有如下特點:
(1)臭氧不僅有很好的快速殺菌、消毒性質, 而且具有極高的氧化有機和無機化合物的氧化力, 可去除其它水處理工藝難以去除的物質。
(2)臭氧的反應完全、速度快,從而可以減小構筑物體積。
(3)剩余臭氧會迅速轉化為氧氣,能增加水中溶解氧,效率高,不產生污泥,不造成二次污染。
(4)在提高凈化效果、殺菌、消毒的同時,可除嗅、除味。
(5)制備臭氧用的電和空氣不必儲存和運輸, 臭氧化裝置占地小,運行操作管理簡單,特別適用干原有水廠的提高水質和水量。
(6)臭氧有助于提高絮凝效果,減少混凝劑的投加量,可以提高濾速。
但臭氧消毒也存在著一定的弊端,如:不能長時間維持剩余臭氧;必須在使用現場產生;水質水量發生變化時,調節投加量困難等等。另外,臭氧殺菌受臭氧濃度、水溫、pH值、水的濁度等因素影響。一般情況下,隨臭氧濃度的提高,殺菌作用加強;水溫越高,殺菌作用越強;水中pH值較高時,殺菌效果不好,需增大臭氧投放量;水的濁度對臭氧殺菌效果也有一定的影響,當水中濁度在 5mg/l以下時,這種影響則不明顯。
2 臭氧氧化技術的作用機理
2·1 臭氧的產生
目前,生產臭氧的方法大致有:無聲放電法、放射法、紫外線法、等離子射流法和電解法等等。由于后四種制備方法設備復雜、能耗較大、投資高等缺點。一般工業上采用的方法大多是在氣相中放電的無聲放電法。
無聲放電就是利用高速電子轟擊氧分子,使其分解成氧原子,離解后的氧原子有些合成為臭氧。臭氧需要現場制備,工業生產采用的介質無聲放電以臭氧發生器實現,它具有產量大、濃度高、易于操控而應用于工業生產。衡量無聲放電臭氧發生器效果的指標是單位放電面積的臭氧產量和耗電量。其主要影響因素有氣源、電源和發生器構造。
氣源:氣源含氧量與臭氧產生量的一般關系為 O3∝(O2)0·5,可供作氣源的有三種:空氣、純氧氣和富氧空氣。
電源:加大電壓和提高交流電頻率,均能提高臭氧產量。但二者增加,也造成設備造價的提高。
臭氧發生器構造:發生器的構造和臭氧產量, 電耗關系密切,其中主要是電介質,放電間隙、電極及其冷卻方式等因素。
我國生產臭氧的實際水平是每公斤臭氧耗電量為l0~20kW·h,即只有4%~8%的電能作有效功,大部分則變成光能和熱能被損耗掉。因此,采用適當的冷卻方法、及時排除熱量,是提高臭氧濃度、降低電耗的有效措施。國外現代臭氧發生器可達到:空氣為氣源的l0kW·h/kg臭氧,氧氣為氣源的4kW·h/kg臭氧。
2·2 臭氧的作用機理
臭氧的物理性質。臭氧是一種不穩定的物質, 在空氣中會慢慢地連續自行分解成氧,同時放出大量熱,其濃度為25%以上時很容易爆炸。但一般臭氧化空氣中臭氧濃度不超過l0%,故不會發生爆炸。濃度為l%以下的臭氧,在常溫常壓下的空氣中分解,半衰期為16h左右。而在水中,其分解速度比在空氣中快得多,水中臭氧濃度為3mg/l,其半衰期僅l5~30min。臭氧在水中分解速度隨水溫、pH值提高而加快。故臭氧一般都就地制造、就地利用。
臭氧的化學性質。臭氧是氧氣的同素異構體, 呈無色或淡藍色氣體,氧化、殺菌能力極強且非常不穩定,無法貯存。臭氧可以進攻有機物負電原子,進行親電反應;臭氧還可以進攻有機物分子中帶正電原子核,進行親核反應。工業上常使用電暈放電法。在放電間隙,氧被電離成離子,高活性的氧離子同氧分子反應生成臭氧。
臭氧在水溶液中的氧化反應。由于臭氧是一種不穩定的強氧化劑, O3及其在水中分解的中間產物游離基具有很強氧化性。因此,它能迅速而廣泛地氧化水溶液中某些元素和有機化合物,即使在低濃度下,也能瞬間完成。
臭氧在水溶液中的氧化作用取決于其分解條件和機理。臭氧在水中能形成具有強氧化作用的羥基自由基HO-,不僅可以消毒殺菌,還可以氧化分解水中污染物。臭氧化處理中由于小分子酸的生成使水溶液酸度不斷升高,因此被處理液經常加入堿以保持適當的pH值,同時也使HCN、H2S等有害物形成不易揮發的離子,并反應降解。
3 臭氧氧化技術的有效利用
臭氧氧化技術在水處理方面的應用越來越被人們所接受和認同,并由此而產生多種更有效的復合處理工藝。結合常規的水處理工藝,應用預臭氧氧化技術會帶來事半功倍的效果。
在飲用水處理中,臭氧氧化技術的重要性正在提高。它被選用處理較難處理的水,如:用臭氧化空氣處理礦物水中硫氫化合物。其主要功能有: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。臭氧作為新型強氧化劑勝于傳統的氧化劑在于它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。
臭氧氧化技術的氧化、消毒效應也被應用在游泳池水水處理技術中。臭氧在水處理中的應用主要就是作為消毒劑,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。在活性碳過濾之前進行臭氧氧化,而后用含氯氧化劑,這在瑞士是官方許可的工藝。臭氧在污水和尾氣排放技術中同樣也起著重要作用,用以惡臭物除臭。在化學試劑廠,臭氧化工藝應用越來越多,且應用范圍也越來越廣。
在常規的水處理工藝中,混凝與臭氧氧化技術得到了有效地結合。混凝階段所處理的對象,主要是水中懸浮物和膠體物質,它是水質凈化工藝中十分重要的一個環節。實踐證明,混凝過程的完善程度對后續處理、沉淀、過濾等影響很大。混凝目的在于向水中投加混凝劑,使水中難以自然沉降的膠體顆粒。通過混凝劑與膠體顆粒間的壓縮雙電層作用、吸附電中和作用、吸附架橋作用,或者沉淀物網捕作用,而能互相聚合,增大至能自然沉淀的程度,從而達到凈化水質的目的。對于含有天然有機物的水,在混凝前進行預臭氧化會有助于減少混凝劑投量,增加過濾效率。
4 結語
綜上所述,在上述應用領域中,臭氧氧化技術具有反應速度快、反應完全以及無二次污染等諸多優點,但其所利用的化學性質也有其相反方面的作用。比如,臭氧具有相當強的毒性,在西德工作間最大允許濃度0·1ppm;在0·2ppm情況下,即可引起草木的損害。因此,近年來,人們對臭氧的使用是本著揚長避短的原則。臭氧氧化技術多用于與其它技術的聯合使用以及各種催化臭氧氧化技術, 其處理效果均優于單獨使用臭氧。相信不遠的將來,在廣大科研工作者的共同努力下,臭氧氧化技術必將會有更大的應用空間和發展前景。
參考文獻:
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