再生水臭氧消毒技術(shù)的研究和應(yīng)用

潘觀連+黃滿(mǎn)紅

摘要：臭氧已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飲用水消毒，但在再生水消毒中的研究和應(yīng)用相對(duì)較少。本文主要綜述了再生水臭氧消毒的特點(diǎn)以及再生水臭氧消毒的影響因素。同時(shí)，提出了再生水臭氧消毒未來(lái)的研究與應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：再生水；臭氧消毒；影響因素；研究和應(yīng)用前景

中圖分類(lèi)號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)： 1674-0432（2014）-10-93-2

水資源短缺是制約我國(guó)社會(huì)與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一，因此尋找到可利用水源迫在眉睫。城市污水是一種水量穩(wěn)定、水質(zhì)變化幅度小、可穩(wěn)定供應(yīng)的非常規(guī)水源。城市污水再生利用可減輕水體污染，同時(shí)提高水資源綜合利用率，是解決水資源短缺的有效途徑。但城市污水水質(zhì)復(fù)雜，特別是存在種類(lèi)繁多、對(duì)人體健康危害很大的病原微生物。因此，消毒是城市污水再生利用的關(guān)鍵。臭氧消毒具有廣譜、高效、清潔等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能有效去除色度、嗅味，降解部分溶解性有機(jī)物。因此，在再生水消毒領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

1 臭氧消毒的特點(diǎn)

1.1 廣譜性

臭氧可滅活多種微生物。當(dāng)臭氧濃度較高時(shí)，臭氧可滅活芽孢、病毒、真菌、原蟲(chóng)胞囊等其他消毒劑難以滅活的微生物。

1.2 高效性

臭氧具有強(qiáng)氧化性，且臭氧存在水溶液中易生成二級(jí)氧化產(chǎn)物羥基自由基，

其氧化性比分子態(tài)的臭氧強(qiáng)，從而加強(qiáng)了臭氧水溶液的氧化能力。

1.3 快速性

相比于氯消毒和紫外消毒，臭氧可以在很短的接觸時(shí)間取得相同的消毒效果。

1.4 多功能性

臭氧不僅對(duì)病原微生物有高效的滅活效果，同時(shí)臭氧有助于微絮凝過(guò)程、去除鐵離子和錳離子、降解微污染物質(zhì)、去除色度濁度及臭味。

1.5 清潔性

氯消毒過(guò)程中會(huì)生成對(duì)人體有害的二次副產(chǎn)物，而臭氧消毒過(guò)程不生成此類(lèi)二次副產(chǎn)物。出水中的殘余臭氧通過(guò)自分解生成氧氣，可提高受納水體的溶解氧。

2 再生水臭氧消毒的影響因素

2.1 水質(zhì)的影響

2.1.1 pH值一般情況下，臭氧在酸性溶液里的衰減慢于堿性溶液中的衰減。當(dāng)水中pH較高時(shí)，O3分子自分解的速率加快，生成更多地羥基自由基，從而影響臭氧的消毒效果。Makky對(duì)去離子水中枯草芽孢桿菌的臭氧消毒試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)pH由5升高至9時(shí)，停滯期后的滅活速率k提高了100%，停滯期的長(zhǎng)短沒(méi)有明顯變化。但Driedger對(duì)天然水中枯草芽孢桿菌的臭氧消毒研究表明，當(dāng)pH為6～8時(shí)，對(duì)停滯期以及停滯期后的滅活速率不存在顯著地影響。

2.1.2 無(wú)機(jī)離子 NO2--N、Fe2-、Mn2-、Br-等還原態(tài)的離子會(huì)與微生物競(jìng)爭(zhēng)消耗臭氧，其中Br-的存在可能形成有機(jī)溴化物和溴酸根等消毒副產(chǎn)物。氨與臭氧的反應(yīng)相當(dāng)緩慢, 然而在Br-存在的條件下, 氨能掩蔽臭氧化過(guò)程中形成的次溴酸根離子，從而延緩了溴酸根、溴仿和有機(jī)溴化物的形成。冉治霖等對(duì)賈第鞭毛蟲(chóng)的臭氧滅活試驗(yàn)顯示，當(dāng)pH為7.2，溫度22℃，CT值為9分·毫克/升時(shí)，投加20毫克/升 NO3-,滅活率由99.1%升至99.3%；投加5毫摩爾/升 HCO3-,滅活率由99.1%降至91.7%；投加3毫摩爾/升 SO42-,滅活率由99.1%降至94.2%；投加Ca2+、毫克2+，滅活率由99.1%分別升至99.5%。結(jié)果表明，NO3-、Ca2+、毫克2+對(duì)臭氧消毒效果影響不大，HCO3-對(duì)自由基有抑制作用，增加了有機(jī)物對(duì)臭氧分子的消耗，從而削弱了臭氧分子對(duì)微生物的滅活效果。

2.1.3 有機(jī)化合物 再生水中反應(yīng)活性較大的還原性物質(zhì)會(huì)迅速與臭氧反應(yīng)，將大分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為小分子物質(zhì)，與病原微生物競(jìng)爭(zhēng)消耗臭氧，從而影響微生物的滅活效果。Sonia等對(duì)污水臭氧消毒廠的進(jìn)出水水質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)，伴隨著糞大腸菌群的高效滅活，臭氧對(duì)COD、BOD5、SS的去除率最高可分別達(dá)到88%、68%、75%。李夏青等對(duì)某再生水水廠的臭氧氧化研究結(jié)果顯示，當(dāng)進(jìn)水色度為50倍，臭氧投加量不超過(guò)5.7毫克/升，色度、UV254的去除率分別可達(dá)35%、10%。這些表征有機(jī)物含量的水質(zhì)指標(biāo)的去除都表明再生水的消毒過(guò)程中必然伴隨著有機(jī)物對(duì)臭氧的消耗，繼而影響臭氧的消毒效果。許多研究表明，隨著有機(jī)物含量的增加，臭氧對(duì)微生物的滅活率降低。孫興濱等對(duì)不同有機(jī)物含量下?lián)u蚊幼蟲(chóng)滅活率變化的試驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)CODMn為1毫克/升時(shí)，滅活率為46.7%，CODMn為2毫克/升時(shí)，臭氧的滅活率僅為13.3%，CODMn為3毫克/升時(shí)，滅活率為0[5_ENREF_25]。Ran等對(duì)隱孢子蟲(chóng)的臭氧滅活規(guī)律研究顯示，當(dāng)DOM濃度由0毫克/升增加為1毫克/升時(shí)，滅活率由99.1%降為98.3%；當(dāng)DOM濃度由2毫克/升增加為10毫克/升時(shí)，滅活率由84.9%降為62.1%。

2.2 臭氧消耗量

再生水中存在多種消耗臭氧的污染物，導(dǎo)致用于滅活病原微生物的有效臭氧濃度降低。針對(duì)不同水質(zhì)，臭氧消耗量不同。一般而言，臭氧消耗量越大、接觸時(shí)間越長(zhǎng)，出水水質(zhì)越好。但臭氧過(guò)量時(shí)，不僅降低其經(jīng)濟(jì)性，且剩余臭氧易與再生水中的溴離子、有機(jī)物等污染物發(fā)生反應(yīng)，生成溴酸鹽等具有生物毒性的消毒副產(chǎn)物。因此需根據(jù)實(shí)際需要和水質(zhì)情況確定臭氧消耗量，并經(jīng)常調(diào)整和校正，保證在殺滅水中病原微生物的前提下盡量降低臭氧消耗量。

2.3 臭氧濃度

齊愛(ài)玲等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雖然投加的初始臭氧濃度不同，但在CT 值相同的情況下，低濃度和高濃度臭氧具有相同或者近似的消毒效率，說(shuō)明病原微生物的滅活受臭氧濃度影響較小，僅與CT 值相關(guān)。消毒過(guò)程的CT 值相同，消毒效果也就相同,且臭氧濃度越高，衰減越快。

3 再生水臭氧消毒的研究及應(yīng)用前景

國(guó)外對(duì)于污水臭氧消毒的研究開(kāi)展較早，積累了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和豐富的經(jīng)驗(yàn)。但國(guó)內(nèi)污水臭氧消毒研究?jī)H限于實(shí)驗(yàn)室的間歇實(shí)驗(yàn)以及連續(xù)小試實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)的連續(xù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較少。污水及再生水臭氧消毒的研究還存在許多不足，以下為再生水臭氧消毒領(lǐng)域未來(lái)的研究方向及應(yīng)用前景。

3.1 消毒工藝中控制參數(shù)的選取

飲用水的臭氧消毒工藝中一般采用CT值來(lái)評(píng)價(jià)消毒效果，但CT值用于評(píng)價(jià)再生水的臭氧消毒效果存在一定的問(wèn)題。因此，選取適用于再生水臭氧消毒工藝的控制參數(shù)成為必要。再生水消毒工藝中所涉及到的參數(shù)有臭氧投加量、瞬時(shí)臭氧需求量、余臭氧濃度、水質(zhì)指標(biāo)以及微生物指標(biāo)等，這些參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性以及最佳控制參數(shù)的選取等相關(guān)問(wèn)題有待進(jìn)一步的研究。

3.2 再生水臭氧消毒模型的建立

目前常見(jiàn)的幾個(gè)臭氧消毒模型已經(jīng)廣泛用于飲用水的臭氧消毒，但這些模型運(yùn)用于再生水的臭氧消毒存在一定的問(wèn)題。因而，有必要建立以實(shí)際再生水消毒工藝為理論支撐的臭氧消毒模型，從而更好地評(píng)價(jià)再生水的臭氧消毒過(guò)程。

3.3 消毒工藝中臭氧傳質(zhì)效率的提高

提高消毒工藝中臭氧的傳質(zhì)效率可有效提高臭氧的利用率，從而節(jié)約消毒工藝的成本。因此，尋找合適的臭氧投加方式以提高傳質(zhì)效率是解決成本問(wèn)題的有效方法之一。常用的臭氧投加方式有鼓泡法、射流法、渦輪混合法、尼可尼混合法等，投加方式不同，則臭氧的傳質(zhì)效率不同。將微氣泡原理應(yīng)用于臭氧的傳質(zhì)過(guò)程可能成為未來(lái)的研究熱點(diǎn)。

3.4 臭氧與其他消毒技術(shù)組合工藝的應(yīng)用

再生水臭氧消毒過(guò)程中，臭氧消耗量較大，這大大增加了臭氧消毒工藝的成本。為節(jié)約成本，可利用催化氧化的方式提高臭氧的利用率，或者采用超聲波工藝對(duì)微生物的滅活作用以降低臭氧消耗量。將催化氧化或超聲波工藝與臭氧工藝聯(lián)用，不僅可以提高消毒效果，還能有效降低消毒工藝的能耗。

4 結(jié)語(yǔ)

臭氧能殺滅一般消毒劑不能殺滅的細(xì)菌病毒，能有效脫色除嗅，且具有高效、快速、清潔等優(yōu)點(diǎn)。因此，臭氧在再生水回用領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。但目前再生水臭氧消毒工藝的應(yīng)用中還存在以下問(wèn)題有待進(jìn)一步解決：一是再生水消毒工藝中所涉及到的參數(shù)有臭氧投加量、瞬時(shí)臭氧需求量、余臭氧濃度、水質(zhì)指標(biāo)以及微生物指標(biāo)等，這些參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)性以及如何選取最佳控制參數(shù)還有待進(jìn)一步的研究；二是再生水臭氧消毒工藝的成本較高、能耗較大，成本問(wèn)題是制約臭氧消毒實(shí)際應(yīng)用的瓶頸。尋找傳質(zhì)效率較高的接觸方式，從而提高臭氧的利用率是再生水臭氧消毒的技術(shù)所需；三是對(duì)于臭氧消毒副產(chǎn)物的研究較少，其消毒副產(chǎn)物的種類(lèi)及生態(tài)毒性仍不清楚，增加了使用臭氧消毒的風(fēng)險(xiǎn)；四是有必要建立以實(shí)際再生水消毒工藝為理論支撐的臭氧消毒模型，從而更好地評(píng)價(jià)再生水的臭氧消毒過(guò)程；五是臭氧與其他消毒方法的復(fù)合消毒將是再生水消毒技術(shù)今后發(fā)展的趨勢(shì)。

作者簡(jiǎn)介：潘觀連，東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，研究方向：水污染控制工程。

通訊作者：黃滿(mǎn)紅，東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院。