臭氧在星级洗衣用水中的运用

一、臭氧简介

1.臭氧的应用

    1840年瑞士化学家Schōnbein证实了臭氧的存在。1886年法国人Meritenus发现臭氧具有杀菌作用。1893年荷兰首先将臭氧应用于水的消毒处理。1906年法国的Nice城将臭氧用于大规模 净水厂的水处理，至今已有近百年历史。

    臭氧氧化能力强，用于消毒杀菌杀伤力大，速度快；臭氧可氧化溶解性铁、锰，形成高价沉淀物，使之易于去除；可将氰化物、酚等有毒有害物质氧化为无害物质；可氧化致嗅和致色 物质，从而减少嗅味，降低色度；可将生物难分解的大分子有机物氧化分解为中小分子量有机物，使之易于生物降解；使用臭氧预处理，还可以起到微絮凝作用，提高出水水质；应用臭氧，不会在处理 过程中产生有害的三致物质。 

    目前，世界上有上千家水厂使用臭氧进行处理、消毒。在欧洲主要城市已把臭氧作为去除水中污染的一种主要手段用于饮用水的深度净化。20世纪70年代初以来，许多国家还对臭氧应 用于城市污水、工业废水、循环冷却水处理进行了研究并有很多成功的例子。70年代中期开始，我国也开始了利用臭氧氧化工艺处理受污染饮用水水源的试验研究工作。现在国内已有数十家水厂应用于 实际生产。 

2.臭氧的物理性质

    O3是一种具有特殊的刺激性气味的不稳定气体，常温下为浅蓝色，液态呈深蓝色。O3是常用氧化剂中氧化能力最强的，在水中的氧化还原电位为2.07V，而氯为1.36V，二氧化氯为1.50V 。另外，O3具有较强腐蚀性。

    O3在空气中会慢慢自行分解为O2，同时放出大量的热量，当其浓度超过25%时，很容易爆炸。但一般臭氧化空气中O3的浓度不超过10%，不会发生爆炸。

    在标准压力和温度下，纯臭氧的溶解度比氧大10倍，比空气大25倍。0℃时，纯臭氧在水中的溶解度可达1.371g/L。O3在水中不稳定，在含杂质的水溶液中迅速分解为O2，并产生氧化能 力极强的单原子氧（O）和羟基（OH）等具有极强灭菌作用的物质。其中羟基的氧化还原电位为2.80V。20℃时，O3在自来水中的半衰期约为20分钟。

3.臭氧的氧化消毒机理

    O3溶于水后会发生两种反应：一种是直接氧化，反应速度慢，选择性高，易与苯酚等芳香族化合物及乙醇、胺等反应。另一种是O3分解产生羟基自由基从而引发的链反应，此反应还会 产生十分活泼的、具有强氧化能力的单原子氧（O），可瞬时分解水中有机物质、细菌和微生物.

O3→O2+（O）   （O）+H2O→2OH 

羟基是强氧化剂、催化剂，引起的连锁反应可使水中有机物充分降解。 

当溶液pH值高于7时，O3自分解加剧，自由基型反应占主导地位，这种反应速度快，选择性低。 

由上述机理可知，O3在水处理中能氧化水中的多数有机物使之降解，并能氧化酚、氨氮、铁、锰等无机还原物质。此外，由于O3具有很高的氧化还原电位，能破坏或分解细菌的细胞壁，容易通过微生物细胞膜迅速扩散到细胞内并氧化其中的酶等有机物；或破坏其细胞膜、组织结构的蛋白质、核糖核酸等从而导致细胞死亡。因此，O3能够除藻杀菌，对病毒、芽孢等生命力较强的微生 物也能起到很好的灭活作用。 

4.臭氧的氧化消毒特性 

（1）O3作为高效的无二次污染的氧化剂，是常用氧化剂中氧化能力最强的（O3>ClO2>Cl2>NH2Cl），其氧化能力是氯的2倍，杀菌能力是氯的数百倍，能够氧化分解水中的有机物，氧化 去除无机还原物质，能极迅速地杀灭水中的细菌、藻类、病原体等。 

（2）O3消毒受pH值、水温及水中含氨量影响较小。

（3）O3去除微生物、水草、藻类等有机物产生的嗅、味，效果良好，脱色能力比Cl2和ClO2更为有效和迅速。 

（4）投加O3能改变小粒径颗粒表面电荷的性质和大小，使带电的小颗粒聚集；同时O3氧化溶解性有机物的过程中，还存在“微絮凝作用”，对提高混凝效果有一定作用。 

（5）O3消毒效果好，剂量小，作用快，不产生三氯甲烷等有害物质，同时还可使水具有较好的感官指标。O3对一些顽强病毒的灭活作用远远高于氯，但水中O3分解速度快，无法维持管网中有一定量的剩余消毒剂水平，故通常在O3消毒后的水中投加少量的氯系消毒剂。 

（6）O3能将水中不易降解的大分子有机物氧化分解为小分子有机物，并向水中充氧使水中溶解氧增加，为后续处理（特别是生物处理）提供了更好的条件。 

5.臭氧的制备及经济性分析 

    生产O3的方法有无声放电法、放射法、紫外线法、电解法等。在实际净水厂应用中都采用无声放电法。

    使氧气（O2）转变O3，首先需要有很大的能量将O—O键裂解为氧原子。无声放电就是利用高速电子来轰击氧气，使其分解成氧原子： O2＝2O  离解后的氧原子有些合成臭氧：3O＝O3 

有些重新合成为氧气，有些则和氧气合成为O3：O+O2＝O3 

上述反应都是可逆的，生成的O3也会分解成为氧原子活氧气。所以，通过放电区域的氧气中只有一部分能够变成O3，因此生产出来的O3通常指含一定浓度O3的空气，称为臭氧化空气， 并非纯臭氧气。 

每生产1千克O3理论上需要耗能0.836kW·h；而用空气生产O3时，只有4～6%的电能作了有效功，实际每千克O3耗电15～20kW·h。用纯氧气生产O3的电耗大约可降低一半左右。               

根据目前的技术水平，O3的生产原料分为空气、纯氧气、液氧三种。 

  采用液氧一般适用于中小规模（臭氧量<50kg/h）。采用变压吸附法或负压吸附法现场制取纯氧，适用于臭氧量>50kg/h的规模。利用干燥空气制取O3，获得的臭氧浓度一般在1～3%；而 利用纯氧或液氧生产的臭氧浓度可达10%左右，而且空气制取O3的电耗约为另2种方法的2倍。

    据有关报道，利用干燥空气、现场制纯氧、购买液氧三种方法制取O3，每千克O3的生产成本分别约为16.0元、12.0元和17.3元。可见现场制取纯氧的办法成本最低。若按投加量5mg/L计 ，每吨水采用O3的处理成本为0.06元。 

    实际工程中，O3多不单独使用，常与颗粒活性炭联用对饮用水进行深度处理，即臭氧——活性炭水处理工艺，效果良好。对其生产成本进行分析，水厂规模在5～40万吨/天时，因采用 臭氧——活性炭工艺而增加的制水成本在0.10～0.15元/吨之间。根据我国各自来水厂的供水状况，从提高水质和人们的生活水平考虑，这种工艺是完全可以接受的。

    总体上说，虽然应用O3时有副产物生成，但一般情况下浓度不高，毒性问题也不严重。根据目前的研究，无论在副产物的生成量和毒性，还是在出水的致突变活性方面，O3都比Cl2和ClO2理想。 

结论 

（1）ClO2和O3都是高效的氧化消毒剂,其氧化消毒能力受pH值及水中氨氮的影响均较小，消毒都不会产生三氯甲烷，，是液氯消毒的理想替代产品，。 

（2）ClO2比O3具有更高的稳定性，同时又比氯具有更强的消毒能力；但氧化能力比O3差。但用臭氧消毒时，为了维持管网中的持续消毒能力，需要采用氯、氯胺、二氧化氯等作为辅助消 毒剂。 

（3）为避免生成三卤甲烷难以去除，在原水腐殖质、藻类、酚含量高的水厂，建议使用ClO2或O3进行预处理。 

（4）水处理中采用O3要比采用ClO2成本略高，但从水质来讲，采用臭氧——活性炭工艺要比采用ClO2好。就经济水平而言，这两种改进水质的方法都是可以接受的，各水厂可以根据具体 情况采用相应的的措施。 

（5）由于ClO2和O3氧化能力都很强，并都具有毒性和腐蚀性，在使用中宜注意安全防护措施。

二、臭氧运用于水处理的投加量参考

三、臭氧运用于水消毒的特点：

1.反应快、投量少，臭氧能迅速杀灭扩散在水中的细菌、芽孢、病毒且在很低的浓度时既有杀菌灭活作用；

2.适应能力强，在PH5.6-9.8，水温0-37℃的范围内，对臭氧的消毒性能影响很小；

3.在水中不产生持久性残余，无二次污染；

4.臭氧的半衰期很短，仅二十分钟；

5.能破坏水中有机物，改善水的物理性质和器官感觉，进行脱色和去嗅去味作用，使水呈蔚蓝色，而又不改变水的自然性质。

四、生产工艺流程图

1、矿泉水的生产工艺流程：

2、纯净水的生产工艺流程：

五、臭氧投加方式

1、传统的曝气法---曝气头、曝气盘

1.1运行方式---曝气法。即把臭氧发生器所产生的臭氧气体通过管道通入到臭氧反应罐的底部，经曝气头、曝气盘散发出微气泡，气泡在上升的过程中把臭氧溶解于水。采用曝气法混合臭氧的效率一般为20-30%：

a反应罐一般采用不锈钢材质。

b反应罐带有防倒流装置，以防水回流到臭氧发生器。

c反应罐底部布气，且曝气滤孔径要小，以便产生微气泡。

d反应罐上端侧部进水，下端侧部出水，与臭氧气泡形成逆流，提高混合效率。

e中上部应装有液位显示，便于观察氧化塔内的水位。

1.2优缺点：

优点：方便、能耗较低。

缺点：喷头易堵塞，气液混合率低，水中臭氧浓度很难达到0.4mg/l。

2、文丘里射流混合法

2.1运行方式---射流法。即是在射流器内的气腔在高速水流作用下形成负压，吸进臭氧气体，高速水流再把臭氧气体粉碎，形成微气泡而与水充分接触混合。采用射流法混合臭氧的效率一般为25-40%。

如下图：

2.2注意事项：

a安装止回阀并确保臭氧输送管最高处高于反应罐顶50CM以上，以防回水。

b射流器最好的应用方式是和反应罐连用，增压泵从反应罐下部一侧进水供给射流器，射流器的出水从反应罐的下侧的切面方向再进入反应灌，循环投加臭氧，且水流带有臭氧气泡在反应罐内螺旋式上升，增加了混合效率。

c送水管道应采用PVC、不锈钢等耐氧化的材质，增压泵应选用不锈钢材质。

优点：投资少，混合好，接触时间短，混合率为曝气法的数倍，是主流的混合方法。

3、气液混合泵

3.1混合泵：一般为涡流式，在泵内形成负压，吸气口吸入气体（或液体），并通过多个叶轮的搅拌可以进行气-液、液-液混合。采用混合泵溶解臭氧的效率较高，一般在40-70%。

3.2安装方法：将气液混合泵连接到水路管道上面，再接入比例的臭氧气体，打到容器里面直接测臭氧水的浓度，如果需要更高浓度的可以直接打循环，重复投加臭氧进入水中，从而提高水中的臭氧浓度。

3.3优缺点：

优点：使用方便，更美观，混合效率比以上的装置更高一些。

缺点：气液比规定范围太苛刻,导至小泵不能作用大气量的臭氧发生器,导至使用成本顺气体的流量的增加而增加.

3.4注意事项：

a气-液比例在1：9时，混合泵的混合效率最佳。

b混合泵的实际出水量为额定出水量与吸气量之差，当增加混合泵的吸气量时，泵的出水量相应减少。

c混合泵安装时进水与出水段要加调节阀和压力表，以便调节出最佳吸气量。

d混合泵出水后需加排气罐或反应罐，以便排出溶于水的微气泡。

e混合泵不宜接在主路中，这样混合泵承担供水和混合两种责任，难以同时保证两种效果。

4、臭氧混合塔

4.1臭氧是通过管道进入混合塔底部，经过曝气器，经微孔鼓泡器散发另微气泡，气泡在上升的过程中把臭氧充分溶解于水。水是由臭氧塔的顶部散落下来，在从臭氧塔的顶部自然流走。保证了臭氧与水混合的充分时间。使杀菌效果更测底，顶部又配有尾气排放和溢流口，保证多余的臭氧不会滞留在室内。影响工作人员生产。溢流口保证混合塔内部水满后，水不会倒流回到臭氧发生器，损坏臭氧发生器。

4.2优缺点：

4.2.1优点：混合率高比射流器投加方式更高，臭氧塔实质为一次性投资。免去了使用射流器增加增压泵与使用气液混合泵浪费电的费用，整体形像较美观大方

4.2.2缺点：一次性投资成本高，随便着水底的压强越大，那臭氧的进气压力驱动水底曝气气压就要越强，一般大型的制水工程都用得很少，或者是取一部分水来混合后再进一步投加入主管道水，不过臭氧混合塔在一定接触时间内的混合率还是较低，除非给足有效接触时间。

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