再生水臭氧消毒技術的研究和應用

潘觀連+黃滿紅

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

關鍵詞：再生水；臭氧消毒；影響因素；研究和應用前景

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號： 1674-0432（2014）-10-93-2

水資源短缺是制約我國社會與經濟可持續發展的重要因素之一，因此尋找到可利用水源迫在眉睫。城市污水是一種水量穩定、水質變化幅度小、可穩定供應的非常規水源。城市污水再生利用可減輕水體污染，同時提高水資源綜合利用率，是解決水資源短缺的有效途徑。但城市污水水質復雜，特別是存在種類繁多、對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鍵。臭氧消毒具有廣譜、高效、清潔等優勢，同時能有效去除色度、嗅味，降解部分溶解性有機物。因此，在再生水消毒領域有著廣闊的應用前景。

1 臭氧消毒的特點

1.1 廣譜性

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

1.2 高效性

臭氧具有強氧化性，且臭氧存在水溶液中易生成二級氧化產物羥基自由基，

其氧化性比分子態的臭氧強，從而加強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間取得相同的消毒效果。

1.4 多功能性

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

1.5 清潔性

氯消毒過程中會生成對人體有害的二次副產物，而臭氧消毒過程不生成此類二次副產物。出水中的殘余臭氧通過自分解生成氧氣，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。當水中pH較高時，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對去離子水中枯草芽孢桿菌的臭氧消毒試驗結果顯示，當pH由5升高至9時，停滯期后的滅活速率k提高了100%，停滯期的長短沒有明顯變化。但Driedger對天然水中枯草芽孢桿菌的臭氧消毒研究表明，當pH為6～8時，對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 無機離子 NO2--N、Fe2-、Mn2-、Br-等還原態的離子會與微生物競爭消耗臭氧，其中Br-的存在可能形成有機溴化物和溴酸根等消毒副產物。氨與臭氧的反應相當緩慢, 然而在Br-存在的條件下, 氨能掩蔽臭氧化過程中形成的次溴酸根離子，從而延緩了溴酸根、溴仿和有機溴化物的形成。冉治霖等對賈第鞭毛蟲的臭氧滅活試驗顯示，當pH為7.2，溫度22℃，CT值為9分·毫克/升時，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%。結果表明，NO3-、Ca2+、毫克2+對臭氧消毒效果影響不大，HCO3-對自由基有抑制作用，增加了有機物對臭氧分子的消耗，從而削弱了臭氧分子對微生物的滅活效果。

2.1.3 有機化合物 再生水中反應活性較大的還原性物質會迅速與臭氧反應，將大分子物質轉化為小分子物質，與病原微生物競爭消耗臭氧，從而影響微生物的滅活效果。Sonia等對污水臭氧消毒廠的進出水水質分析發現，伴隨著糞大腸菌群的高效滅活，臭氧對COD、BOD5、SS的去除率最高可分別達到88%、68%、75%。李夏青等對某再生水水廠的臭氧氧化研究結果顯示，當進水色度為50倍，臭氧投加量不超過5.7毫克/升，色度、UV254的去除率分別可達35%、10%。這些表征有機物含量的水質指標的去除都表明再生水的消毒過程中必然伴隨著有機物對臭氧的消耗，繼而影響臭氧的消毒效果。許多研究表明，隨著有機物含量的增加，臭氧對微生物的滅活率降低。孫興濱等對不同有機物含量下搖蚊幼蟲滅活率變化的試驗結果顯示，當CODMn為1毫克/升時，滅活率為46.7%，CODMn為2毫克/升時，臭氧的滅活率僅為13.3%，CODMn為3毫克/升時，滅活率為0[5_ENREF_25]。Ran等對隱孢子蟲的臭氧滅活規律研究顯示，當DOM濃度由0毫克/升增加為1毫克/升時，滅活率由99.1%降為98.3%；當DOM濃度由2毫克/升增加為10毫克/升時，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，導致用于滅活病原微生物的有效臭氧濃度降低。針對不同水質，臭氧消耗量不同。一般而言，臭氧消耗量越大、接觸時間越長，出水水質越好。但臭氧過量時，不僅降低其經濟性，且剩余臭氧易與再生水中的溴離子、有機物等污染物發生反應，生成溴酸鹽等具有生物毒性的消毒副產物。因此需根據實際需要和水質情況確定臭氧消耗量，并經常調整和校正，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

齊愛玲等的實驗結果表明，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，說明病原微生物的滅活受臭氧濃度影響較小，僅與CT 值相關。消毒過程的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用前景

國外對于污水臭氧消毒的研究開展較早，積累了大量的實驗數據和豐富的經驗。但國內污水臭氧消毒研究僅限于實驗室的間歇實驗以及連續小試實驗，現場的連續實驗數據較少。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域未來的研究方向及應用前景。

3.1 消毒工藝中控制參數的選取

飲用水的臭氧消毒工藝中一般采用CT值來評價消毒效果，但CT值用于評價再生水的臭氧消毒效果存在一定的問題。因此，選取適用于再生水臭氧消毒工藝的控制參數成為必要。再生水消毒工藝中所涉及到的參數有臭氧投加量、瞬時臭氧需求量、余臭氧濃度、水質指標以及微生物指標等，這些參數之間的關聯性以及最佳控制參數的選取等相關問題有待進一步的研究。

3.2 再生水臭氧消毒模型的建立

目前常見的幾個臭氧消毒模型已經廣泛用于飲用水的臭氧消毒，但這些模型運用于再生水的臭氧消毒存在一定的問題。因而，有必要建立以實際再生水消毒工藝為理論支撐的臭氧消毒模型，從而更好地評價再生水的臭氧消毒過程。

3.3 消毒工藝中臭氧傳質效率的提高

提高消毒工藝中臭氧的傳質效率可有效提高臭氧的利用率，從而節約消毒工藝的成本。因此，尋找合適的臭氧投加方式以提高傳質效率是解決成本問題的有效方法之一。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，則臭氧的傳質效率不同。將微氣泡原理應用于臭氧的傳質過程可能成為未來的研究熱點。

3.4 臭氧與其他消毒技術組合工藝的應用

再生水臭氧消毒過程中，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 結語

臭氧能殺滅一般消毒劑不能殺滅的細菌病毒，能有效脫色除嗅，且具有高效、快速、清潔等優點。因此，臭氧在再生水回用領域有著廣闊的應用前景。但目前再生水臭氧消毒工藝的應用中還存在以下問題有待進一步解決：一是再生水消毒工藝中所涉及到的參數有臭氧投加量、瞬時臭氧需求量、余臭氧濃度、水質指標以及微生物指標等，這些參數之間的關聯性以及如何選取最佳控制參數還有待進一步的研究；二是再生水臭氧消毒工藝的成本較高、能耗較大，成本問題是制約臭氧消毒實際應用的瓶頸。尋找傳質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所需；三是對于臭氧消毒副產物的研究較少，其消毒副產物的種類及生態毒性仍不清楚，增加了使用臭氧消毒的風險；四是有必要建立以實際再生水消毒工藝為理論支撐的臭氧消毒模型，從而更好地評價再生水的臭氧消毒過程；五是臭氧與其他消毒方法的復合消毒將是再生水消毒技術今后發展的趨勢。

作者簡介：潘觀連，東華大學環境科學與工程學院，研究方向：水污染控制工程。

通訊作者：黃滿紅，東華大學環境科學與工程學院。