臭氧在星級洗衣用水中的運用

一、臭氧簡介

1.臭氧的應用

    1840年瑞士化學家Schōnbein證實了臭氧的存在。1886年法國人Meritenus發現臭氧具有殺菌作用。1893年荷蘭首先將臭氧應用于水的消毒處理。1906年法國的Nice城將臭氧用于大規模 凈水廠的水處理，至今已有近百年歷史。

    臭氧氧化能力強，用于消毒殺菌殺傷力大，速度快；臭氧可氧化溶解性鐵、錳，形成高價沉淀物，使之易于去除；可將氰化物、酚等有毒有害物質氧化為無害物質；可氧化致嗅和致色 物質，從而減少嗅味，降低色度；可將生物難分解的大分子有機物氧化分解為中小分子量有機物，使之易于生物降解；使用臭氧預處理，還可以起到微絮凝作用，提高出水水質；應用臭氧，不會在處理 過程中產生有害的三致物質。 

    目前，世界上有上千家水廠使用臭氧進行處理、消毒。在歐洲主要城市已把臭氧作為去除水中污染的一種主要手段用于飲用水的深度凈化。20世紀70年代初以來，許多國家還對臭氧應 用于城市污水、工業廢水、循環冷卻水處理進行了研究并有很多成功的例子。70年代中期開始，我國也開始了利用臭氧氧化工藝處理受污染飲用水水源的試驗研究工作?，F在國內已有數十家水廠應用于 實際生產。 

2.臭氧的物理性質

    O3是一種具有特殊的刺激性氣味的不穩定氣體，常溫下為淺藍色，液態呈深藍色。O3是常用氧化劑中氧化能力最強的，在水中的氧化還原電位為2.07V，而氯為1.36V，二氧化氯為1.50V 。另外，O3具有較強腐蝕性。

    O3在空氣中會慢慢自行分解為O2，同時放出大量的熱量，當其濃度超過25%時，很容易爆炸。但一般臭氧化空氣中O3的濃度不超過10%，不會發生爆炸。

    在標準壓力和溫度下，純臭氧的溶解度比氧大10倍，比空氣大25倍。0℃時，純臭氧在水中的溶解度可達1.371g/L。O3在水中不穩定，在含雜質的水溶液中迅速分解為O2，并產生氧化能 力極強的單原子氧（O）和羥基（OH）等具有極強滅菌作用的物質。其中羥基的氧化還原電位為2.80V。20℃時，O3在自來水中的半衰期約為20分鐘。

3.臭氧的氧化消毒機理

    O3溶于水后會發生兩種反應：一種是直接氧化，反應速度慢，選擇性高，易與苯酚等芳香族化合物及乙醇、胺等反應。另一種是O3分解產生羥基自由基從而引發的鏈反應，此反應還會 產生十分活潑的、具有強氧化能力的單原子氧（O），可瞬時分解水中有機物質、細菌和微生物.

O3→O2+（O）   （O）+H2O→2OH 

羥基是強氧化劑、催化劑，引起的連鎖反應可使水中有機物充分降解。 

當溶液pH值高于7時，O3自分解加劇，自由基型反應占主導地位，這種反應速度快，選擇性低。 

由上述機理可知，O3在水處理中能氧化水中的多數有機物使之降解，并能氧化酚、氨氮、鐵、錳等無機還原物質。此外，由于O3具有很高的氧化還原電位，能破壞或分解細菌的細胞壁，容易通過微生物細胞膜迅速擴散到細胞內并氧化其中的酶等有機物；或破壞其細胞膜、組織結構的蛋白質、核糖核酸等從而導致細胞死亡。因此，O3能夠除藻殺菌，對病毒、芽孢等生命力較強的微生 物也能起到很好的滅活作用。 

4.臭氧的氧化消毒特性 

（1）O3作為高效的無二次污染的氧化劑，是常用氧化劑中氧化能力最強的（O3>ClO2>Cl2>NH2Cl），其氧化能力是氯的2倍，殺菌能力是氯的數百倍，能夠氧化分解水中的有機物，氧化 去除無機還原物質，能極迅速地殺滅水中的細菌、藻類、病原體等。 

（2）O3消毒受pH值、水溫及水中含氨量影響較小。

（3）O3去除微生物、水草、藻類等有機物產生的嗅、味，效果良好，脫色能力比Cl2和ClO2更為有效和迅速。 

（4）投加O3能改變小粒徑顆粒表面電荷的性質和大小，使帶電的小顆粒聚集；同時O3氧化溶解性有機物的過程中，還存在“微絮凝作用”，對提高混凝效果有一定作用。 

（5）O3消毒效果好，劑量小，作用快，不產生三氯甲烷等有害物質，同時還可使水具有較好的感官指標。O3對一些頑強病毒的滅活作用遠遠高于氯，但水中O3分解速度快，無法維持管網中有一定量的剩余消毒劑水平，故通常在O3消毒后的水中投加少量的氯系消毒劑。 

（6）O3能將水中不易降解的大分子有機物氧化分解為小分子有機物，并向水中充氧使水中溶解氧增加，為后續處理（特別是生物處理）提供了更好的條件。 

5.臭氧的制備及經濟性分析 

    生產O3的方法有無聲放電法、放射法、紫外線法、電解法等。在實際凈水廠應用中都采用無聲放電法。

    使氧氣（O2）轉變O3，首先需要有很大的能量將O—O鍵裂解為氧原子。無聲放電就是利用高速電子來轟擊氧氣，使其分解成氧原子： O2＝2O  離解后的氧原子有些合成臭氧：3O＝O3 

有些重新合成為氧氣，有些則和氧氣合成為O3：O+O2＝O3 

上述反應都是可逆的，生成的O3也會分解成為氧原子活氧氣。所以，通過放電區域的氧氣中只有一部分能夠變成O3，因此生產出來的O3通常指含一定濃度O3的空氣，稱為臭氧化空氣， 并非純臭氧氣。 

每生產1千克O3理論上需要耗能0.836kW·h；而用空氣生產O3時，只有4～6%的電能作了有效功，實際每千克O3耗電15～20kW·h。用純氧氣生產O3的電耗大約可降低一半左右。               

根據目前的技術水平，O3的生產原料分為空氣、純氧氣、液氧三種。 

  采用液氧一般適用于中小規模（臭氧量<50kg/h）。采用變壓吸附法或負壓吸附法現場制取純氧，適用于臭氧量>50kg/h的規模。利用干燥空氣制取O3，獲得的臭氧濃度一般在1～3%；而 利用純氧或液氧生產的臭氧濃度可達10%左右，而且空氣制取O3的電耗約為另2種方法的2倍。

    據有關報道，利用干燥空氣、現場制純氧、購買液氧三種方法制取O3，每千克O3的生產成本分別約為16.0元、12.0元和17.3元?？梢姮F場制取純氧的辦法成本最低。若按投加量5mg/L計 ，每噸水采用O3的處理成本為0.06元。 

    實際工程中，O3多不單獨使用，常與顆?；钚蕴柯撚脤︼嬘盟M行深度處理，即臭氧——活性炭水處理工藝，效果良好。對其生產成本進行分析，水廠規模在5～40萬噸/天時，因采用 臭氧——活性炭工藝而增加的制水成本在0.10～0.15元/噸之間。根據我國各自來水廠的供水狀況，從提高水質和人們的生活水平考慮，這種工藝是完全可以接受的。

    總體上說，雖然應用O3時有副產物生成，但一般情況下濃度不高，毒性問題也不嚴重。根據目前的研究，無論在副產物的生成量和毒性，還是在出水的致突變活性方面，O3都比Cl2和ClO2理想。 

結論 

（1）ClO2和O3都是高效的氧化消毒劑,其氧化消毒能力受pH值及水中氨氮的影響均較小，消毒都不會產生三氯甲烷，，是液氯消毒的理想替代產品，。 

（2）ClO2比O3具有更高的穩定性，同時又比氯具有更強的消毒能力；但氧化能力比O3差。但用臭氧消毒時，為了維持管網中的持續消毒能力，需要采用氯、氯胺、二氧化氯等作為輔助消 毒劑。 

（3）為避免生成三鹵甲烷難以去除，在原水腐殖質、藻類、酚含量高的水廠，建議使用ClO2或O3進行預處理。 

（4）水處理中采用O3要比采用ClO2成本略高，但從水質來講，采用臭氧——活性炭工藝要比采用ClO2好。就經濟水平而言，這兩種改進水質的方法都是可以接受的，各水廠可以根據具體 情況采用相應的的措施。 

（5）由于ClO2和O3氧化能力都很強，并都具有毒性和腐蝕性，在使用中宜注意安全防護措施。

二、臭氧運用于水處理的投加量參考

三、臭氧運用于水消毒的特點：

1.反應快、投量少，臭氧能迅速殺滅擴散在水中的細菌、芽孢、病毒且在很低的濃度時既有殺菌滅活作用；

2.適應能力強，在PH5.6-9.8，水溫0-37℃的范圍內，對臭氧的消毒性能影響很??；

3.在水中不產生持久性殘余，無二次污染；

4.臭氧的半衰期很短，僅二十分鐘；

5.能破壞水中有機物，改善水的物理性質和器官感覺，進行脫色和去嗅去味作用，使水呈蔚藍色，而又不改變水的自然性質。

四、生產工藝流程圖

1、礦泉水的生產工藝流程：

2、純凈水的生產工藝流程：

五、臭氧投加方式

1、傳統的曝氣法---曝氣頭、曝氣盤

1.1運行方式---曝氣法。即把臭氧發生器所產生的臭氧氣體通過管道通入到臭氧反應罐的底部，經曝氣頭、曝氣盤散發出微氣泡，氣泡在上升的過程中把臭氧溶解于水。采用曝氣法混合臭氧的效率一般為20-30%：

a反應罐一般采用不銹鋼材質。

b反應罐帶有防倒流裝置，以防水回流到臭氧發生器。

c反應罐底部布氣，且曝氣濾孔徑要小，以便產生微氣泡。

d反應罐上端側部進水，下端側部出水，與臭氧氣泡形成逆流，提高混合效率。

e中上部應裝有液位顯示，便于觀察氧化塔內的水位。

1.2優缺點：

優點：方便、能耗較低。

缺點：噴頭易堵塞，氣液混合率低，水中臭氧濃度很難達到0.4mg/l。

2、文丘里射流混合法

2.1運行方式---射流法。即是在射流器內的氣腔在高速水流作用下形成負壓，吸進臭氧氣體，高速水流再把臭氧氣體粉碎，形成微氣泡而與水充分接觸混合。采用射流法混合臭氧的效率一般為25-40%。

如下圖：

2.2注意事項：

a安裝止回閥并確保臭氧輸送管最高處高于反應罐頂50CM以上，以防回水。

b射流器最好的應用方式是和反應罐連用，增壓泵從反應罐下部一側進水供給射流器，射流器的出水從反應罐的下側的切面方向再進入反應灌，循環投加臭氧，且水流帶有臭氧氣泡在反應罐內螺旋式上升，增加了混合效率。

c送水管道應采用PVC、不銹鋼等耐氧化的材質，增壓泵應選用不銹鋼材質。

優點：投資少，混合好，接觸時間短，混合率為曝氣法的數倍，是主流的混合方法。

3、氣液混合泵

3.1混合泵：一般為渦流式，在泵內形成負壓，吸氣口吸入氣體（或液體），并通過多個葉輪的攪拌可以進行氣-液、液-液混合。采用混合泵溶解臭氧的效率較高，一般在40-70%。

3.2安裝方法：將氣液混合泵連接到水路管道上面，再接入比例的臭氧氣體，打到容器里面直接測臭氧水的濃度，如果需要更高濃度的可以直接打循環，重復投加臭氧進入水中，從而提高水中的臭氧濃度。

3.3優缺點：

優點：使用方便，更美觀，混合效率比以上的裝置更高一些。

缺點：氣液比規定范圍太苛刻,導至小泵不能作用大氣量的臭氧發生器,導至使用成本順氣體的流量的增加而增加.

3.4注意事項：

a氣-液比例在1：9時，混合泵的混合效率最佳。

b混合泵的實際出水量為額定出水量與吸氣量之差，當增加混合泵的吸氣量時，泵的出水量相應減少。

c混合泵安裝時進水與出水段要加調節閥和壓力表，以便調節出最佳吸氣量。

d混合泵出水后需加排氣罐或反應罐，以便排出溶于水的微氣泡。

e混合泵不宜接在主路中，這樣混合泵承擔供水和混合兩種責任，難以同時保證兩種效果。

4、臭氧混合塔

4.1臭氧是通過管道進入混合塔底部，經過曝氣器，經微孔鼓泡器散發另微氣泡，氣泡在上升的過程中把臭氧充分溶解于水。水是由臭氧塔的頂部散落下來，在從臭氧塔的頂部自然流走。保證了臭氧與水混合的充分時間。使殺菌效果更測底，頂部又配有尾氣排放和溢流口，保證多余的臭氧不會滯留在室內。影響工作人員生產。溢流口保證混合塔內部水滿后，水不會倒流回到臭氧發生器，損壞臭氧發生器。

4.2優缺點：

4.2.1優點：混合率高比射流器投加方式更高，臭氧塔實質為一次性投資。免去了使用射流器增加增壓泵與使用氣液混合泵浪費電的費用，整體形像較美觀大方

4.2.2缺點：一次性投資成本高，隨便著水底的壓強越大，那臭氧的進氣壓力驅動水底曝氣氣壓就要越強，一般大型的制水工程都用得很少，或者是取一部分水來混合后再進一步投加入主管道水，不過臭氧混合塔在一定接觸時間內的混合率還是較低，除非給足有效接觸時間。

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