水處理中臭氧氧化技術(shù)的探討
摘要：概述了臭氧氧化技術(shù)的發(fā)展及特點(diǎn),介紹了臭氧氧化技術(shù)的產(chǎn)生與作用機(jī)理。臭氧作為一種強(qiáng)氧化劑,在水處理中得到了廣泛的應(yīng)用。主要體現(xiàn)在飲用水處理、游泳池水處理、污水和尾氣排放、活性炭過(guò)濾前的臭氧氧化以及混凝與臭氧氧化技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。
關(guān)鍵詞：水處理;臭氧氧化;強(qiáng)氧化劑;活性炭過(guò)濾;混凝
水是人類社會(huì)賴以生存與發(fā)展、文明與進(jìn)步的基本保障,與我們每個(gè)人息息相關(guān)。二十一世紀(jì)是世界經(jīng)濟(jì)全球化和科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的時(shí)期,隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展和人民生活水平的提高,城市化規(guī)模的不斷擴(kuò)大,使水污染問(wèn)題日益加劇,導(dǎo)致水質(zhì)問(wèn)題日益突出,已成為甚于洪澇災(zāi)害的“水質(zhì)災(zāi)害”。面臨全球性水資源短缺、水環(huán)境污染嚴(yán)重、城市和工業(yè)發(fā)展對(duì)水質(zhì)水量要求不斷提高的挑戰(zhàn), 我們已進(jìn)入一個(gè)極其緊迫、相當(dāng)復(fù)雜、全球性的生態(tài)與經(jīng)濟(jì)相互依賴的時(shí)期。這就要求水處理技術(shù)要不斷提高與完善,推陳出新,以滿足快速發(fā)展的環(huán)境變化需要。隨著水質(zhì)分析技術(shù)逐漸改進(jìn),水源和飲用水中能夠測(cè)得的微量污染物質(zhì)的種類也在不斷增加,針對(duì)源水中出現(xiàn)的新污染問(wèn)題,人們已著手對(duì)水質(zhì)凈化的新技術(shù)進(jìn)行了研究,并取得了較好的效果。臭氧氧化技術(shù)是在水處理中受到普遍關(guān)注的氯消毒副產(chǎn)品對(duì)人體具有致命危害之后開(kāi)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(duì)凈化污染的水和空氣也是必不可少的。
1 臭氧氧化技術(shù)的發(fā)展及特點(diǎn)
臭氧(O3)是一種發(fā)現(xiàn)較早的物質(zhì),具有較強(qiáng)的氧化性和可消毒性,但由于價(jià)格高于普遍使用的氯氧化劑,所以沒(méi)有被廣泛使用。隨著人們發(fā)現(xiàn)氯具有對(duì)味道的破壞,氯酚、氯胺的產(chǎn)生,以及產(chǎn)生高揮發(fā)性鹵代烴等缺點(diǎn),臭氧又有了被得以使用的新空間。人們發(fā)展了臭氧生產(chǎn)技術(shù),尋找到了新的工藝流程;同時(shí)。臭氧的應(yīng)用領(lǐng)域、化學(xué)性質(zhì)以及反應(yīng)物也得到進(jìn)一步的研究。
臭氧具有很強(qiáng)的氧化性,可以氧化多種化合物,因此,臭氧氧化技術(shù)在水處理中被廣泛應(yīng)用。臭氧氧化技術(shù)具有如下特點(diǎn):
(1)臭氧不僅有很好的快速殺菌、消毒性質(zhì), 而且具有極高的氧化有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物的氧化力, 可去除其它水處理工藝難以去除的物質(zhì)。
(2)臭氧的反應(yīng)完全、速度快,從而可以減小構(gòu)筑物體積。
(3)剩余臭氧會(huì)迅速轉(zhuǎn)化為氧氣,能增加水中溶解氧,效率高,不產(chǎn)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(shí),可除嗅、除味。
(5)制備臭氧用的電和空氣不必儲(chǔ)存和運(yùn)輸, 臭氧化裝置占地小,運(yùn)行操作管理簡(jiǎn)單,特別適用干原有水廠的提高水質(zhì)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(zhǎng)時(shí)間維持剩余臭氧;必須在使用現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生;水質(zhì)水量發(fā)生變化時(shí),調(diào)節(jié)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(qiáng);水溫越高,殺菌作用越強(qiáng);水中pH值較高時(shí),殺菌效果不好,需增大臭氧投放量;水的濁度對(duì)臭氧殺菌效果也有一定的影響,當(dāng)水中濁度在 5mg/l以下時(shí),這種影響則不明顯。
2 臭氧氧化技術(shù)的作用機(jī)理
2·1 臭氧的產(chǎn)生
目前,生產(chǎn)臭氧的方法大致有:無(wú)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(shè)備復(fù)雜、能耗較大、投資高等缺點(diǎn)。一般工業(yè)上采用的方法大多是在氣相中放電的無(wú)聲放電法。
無(wú)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(xiàn)場(chǎng)制備,工業(yè)生產(chǎn)采用的介質(zhì)無(wú)聲放電以臭氧發(fā)生器實(shí)現(xiàn),它具有產(chǎn)量大、濃度高、易于操控而應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。衡量無(wú)聲放電臭氧發(fā)生器效果的指標(biāo)是單位放電面積的臭氧產(chǎn)量和耗電量。其主要影響因素有氣源、電源和發(fā)生器構(gòu)造。
氣源:氣源含氧量與臭氧產(chǎn)生量的一般關(guān)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(chǎn)量。但二者增加,也造成設(shè)備造價(jià)的提高。
臭氧發(fā)生器構(gòu)造:發(fā)生器的構(gòu)造和臭氧產(chǎn)量, 電耗關(guān)系密切,其中主要是電介質(zhì),放電間隙、電極及其冷卻方式等因素。
我國(guó)生產(chǎn)臭氧的實(shí)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(dāng)?shù)睦鋮s方法、及時(shí)排除熱量,是提高臭氧濃度、降低電耗的有效措施。國(guó)外現(xiàn)代臭氧發(fā)生器可達(dá)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(jī)理
臭氧的物理性質(zhì)。臭氧是一種不穩(wěn)定的物質(zhì), 在空氣中會(huì)慢慢地連續(xù)自行分解成氧,同時(shí)放出大量熱,其濃度為25%以上時(shí)很容易爆炸。但一般臭氧化空氣中臭氧濃度不超過(guò)l0%,故不會(huì)發(fā)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(xué)性質(zhì)。臭氧是氧氣的同素異構(gòu)體, 呈無(wú)色或淡藍(lán)色氣體,氧化、殺菌能力極強(qiáng)且非常不穩(wěn)定,無(wú)法貯存。臭氧可以進(jìn)攻有機(jī)物負(fù)電原子,進(jìn)行親電反應(yīng);臭氧還可以進(jìn)攻有機(jī)物分子中帶正電原子核,進(jìn)行親核反應(yīng)。工業(yè)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(yīng)生成臭氧。
臭氧在水溶液中的氧化反應(yīng)。由于臭氧是一種不穩(wěn)定的強(qiáng)氧化劑, O3及其在水中分解的中間產(chǎn)物游離基具有很強(qiáng)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(jī)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(jī)理。臭氧在水中能形成具有強(qiáng)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(jīng)常加入堿以保持適當(dāng)?shù)膒H值,同時(shí)也使HCN、H2S等有害物形成不易揮發(fā)的離子,并反應(yīng)降解。
3 臭氧氧化技術(shù)的有效利用
臭氧氧化技術(shù)在水處理方面的應(yīng)用越來(lái)越被人們所接受和認(rèn)同,并由此而產(chǎn)生多種更有效的復(fù)合處理工藝。結(jié)合常規(guī)的水處理工藝,應(yīng)用預(yù)臭氧氧化技術(shù)會(huì)帶來(lái)事半功倍的效果。
在飲用水處理中,臭氧氧化技術(shù)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(jī)物和絮凝作用等。在大多數(shù)水處理廠中,臭氧均是多功能的。臭氧作為新型強(qiáng)氧化劑勝于傳統(tǒng)的氧化劑在于它不僅可以避免產(chǎn)生有機(jī)氯化物,而且還具有能提高過(guò)濾速度,減少濾池?cái)?shù)量,促進(jìn)絮凝,較少絮凝池?cái)?shù)量和絮凝劑用量,延長(zhǎng)濾池使用時(shí)間,減少?zèng)_洗水耗量,提高水質(zhì)水感等優(yōu)點(diǎn)。
臭氧氧化技術(shù)的氧化、消毒效應(yīng)也被應(yīng)用在游泳池水水處理技術(shù)中。臭氧在水處理中的應(yīng)用主要就是作為消毒劑,它對(duì)一般細(xì)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(qiáng)幾十倍到數(shù)百倍。在活性碳過(guò)濾之前進(jìn)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(shù)中同樣也起著重要作用,用以惡臭物除臭。在化學(xué)試劑廠,臭氧化工藝應(yīng)用越來(lái)越多,且應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣。
在常規(guī)的水處理工藝中,混凝與臭氧氧化技術(shù)得到了有效地結(jié)合；炷A段所處理的對(duì)象,主要是水中懸浮物和膠體物質(zhì),它是水質(zhì)凈化工藝中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。實(shí)踐證明,混凝過(guò)程的完善程度對(duì)后續(xù)處理、沉淀、過(guò)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(guò)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(wǎng)捕作用,而能互相聚合,增大至能自然沉淀的程度,從而達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。對(duì)于含有天然有機(jī)物的水,在混凝前進(jìn)行預(yù)臭氧化會(huì)有助于減少混凝劑投量,增加過(guò)濾效率。
4 結(jié)語(yǔ)
綜上所述,在上述應(yīng)用領(lǐng)域中,臭氧氧化技術(shù)具有反應(yīng)速度快、反應(yīng)完全以及無(wú)二次污染等諸多優(yōu)點(diǎn),但其所利用的化學(xué)性質(zhì)也有其相反方面的作用。比如,臭氧具有相當(dāng)強(qiáng)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(lái),人們對(duì)臭氧的使用是本著揚(yáng)長(zhǎng)避短的原則。臭氧氧化技術(shù)多用于與其它技術(shù)的聯(lián)合使用以及各種催化臭氧氧化技術(shù), 其處理效果均優(yōu)于單獨(dú)使用臭氧。相信不遠(yuǎn)的將來(lái),在廣大科研工作者的共同努力下,臭氧氧化技術(shù)必將會(huì)有更大的應(yīng)用空間和發(fā)展前景。
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