臭氧氧化技術在廢水處理中應用研究

葉 曉

（山東中科恒源環境工程有限公司,山東 淄博 255000）

1 臭氧的物化性質

臭氧屬于一種不穩定活潑氣體，在常溫狀態下其會有一個特殊的臭味，并且氣體呈現出淡藍色。臭氧在水中的氧化還原電位為2.07V，目前是僅次于氟的強氧化劑。臭氧應用于廢水處理中主要是利用了該特征。

就目前的情況來看，臭氧在水溶液中的分解速度要快于氣相中的分解速度。臭氧在水中分解主要是受到了溫度以及pH值影響，隨著溫度的不斷升高，分解的速度也在逐漸的加快。當溫度達到了100℃以上時，分解就會非常的劇烈。當溫度達到了270℃以上時就會直接轉化為氧氣。pH值和分解速度也是成正比的關系。在常溫狀態下空氣中的分解半衰期的時間為15到30分鐘。

2 臭氧氧化機理

臭氧是一種強氧化劑，氧化能力要大大高于氯和二氧化氯。隨著社會的不斷發展，對于水資源的要求也是越來越高，在一些發達國家已經開始使用臭氧等一些氧化技術進行污水處理，從而能夠更好地確保水的質量。

目前臭氧化過程主要包括兩個方面：一直接進行臭氧反應。二間接進行催化反應。

在直接進行臭氧氧化反應的過程中主要采用兩種方式，即偶極加成反應以及親電取代反應。對于偶極加成反應主要是因為臭氧的具有偶極結構，因此在發生反應的過程中會和含不飽和鍵的有機物進行加成反應，從而達到要求。對于親電取代反應主要是因為帶有吸電子基團的芳香族類化合物，包括－COOH、－NO2、－Cl等基團，他們和臭氧很難進行反應，因此在發生該類反應的時候會具有一定的選擇性。通常情況下，臭氧直接氧化有機物最好是在酸性的條件下發生，其雖然反應非常慢，但是具有很好的選擇功能，氧化產物也為有機酸類，再次發生氧化比較困難，同時每一個有機物的反應速度也相差很大。

雖然臭氧的氧化性非常強，但是因為具有很高的選擇性，因此在發生反應的過程中很難進行污水的去除。隨著科學技術的不斷發展，對于這方面的研究也是越來越多，在進行臭氧水處理方面也不斷地進行完善，目前會使用均相催化和非均相催化臭氧來達到有機物降解的目的。

間接催化反應主要是臭氧能夠直接或者是通過觸發反應、增殖反應以及終結反應產生的自由基氧化許多種化合物，對于每一種反應都會有不同的自由基產生。自由基和水中有機物反應的速度非常快，同時不需要進行選擇，在其中非常關鍵部分是羥基自由基。羥基自由基是最為常見的一種氧化劑，其氧化電極電位只小于氯，其優點是能夠快速的和有機物發生反應，并且不需要進行選擇，容易和氣不同位置的有機物進行反應，產生易氧化的中間產物。對于這些自由基因為速度反應速度非常快，目前反應的速率已經達到了106～109L/mol·s，因此每一種有機物的催化臭氧反應速度都差不多，因此也就造成了自由基型反應選擇性低。

3 臭氧催化氧化技術處理廢水的影響因素

3.1 PH值的影響

水溶液中臭氧分解非常重要的一個影響因素是PH值，在發生O3和H2O2/O3反應體系中，需要合理的控制PH值，因為如果pH值太低會直接影響到臭氧氧化反應，使得反應具有一定的選擇性，不能有效的將有機物的去除，隨著PH值的不斷增加，溶液中的OH-不斷增加，其也會進一步加強氧化能力的反應，不斷提高整體的反應效率。但是因為PH值過高，會使得其中存在OH捕獲劑，消耗其中的羥基自由基，從而對整個過程的有機污染物的氧化產生很大影響。

在非均相催化臭氧化體系中，溶液的pH值會直接對其中的一些催化劑的性質產生影響，從而使得OH產生途徑發生變化，如下：

當羥基基團受到中性或者負電荷的影響，會直接成為臭氧降解產生OH的活性位點，當PH值接近催化劑的等點時，會充分的發揮出催化氧化體系的具有的優點。但是這個時候需要充分的控制PH值，如果其太高會直接使得促使其中的發生臭氧分解，使得整體催化劑表面羥基基團的密度受到影響，會使得整體的催化效率大大降低。

3.2 臭氧投加量、投加方式、反應器的影響

在發生反應的時候臭氧用量不斷增加，會使得氣液界面產生很大影響，使得整體過程中的氣膜阻力受到影響，增加臭氧濃度。臭氧濃度太高會使得氣液傳質速率大大降低，降低了整體的臭氧利用率，增加了應用成本。

在整個反應過程中臭氧的投加方式也是非常重要的部分，其直接影響著整個反應過程，肖春景等使用Ni-Cu-Mn-K/AC催化臭氧化深度處理煉化廢水，得到了在進行臭氧的投加的時候選擇使用分段投加的方法最好，該方法在投加的過程中需要有效的控制比例，即6:3:1，這個時候COD的去除率也能夠得到提高。

通過處理微氣泡臭氧催化氧化，能夠進一步提高廢水的COD去除率，能夠充分的利用臭氧利用率。一般情況下使用該種方法進行預處理的時候會有效的和別的方法進行結合，例如曝氣生物濾池（BAF），從而能夠進一步提高廢水有機物的去除效率，同時也能夠確保后期工作的有序開展。

3.3 溫度的影響

通過阿侖尼烏斯公式（式3），能夠進一步提高整體溫度，同時也能夠進一步提高反應速率，確保臭氧催化氧化反應能夠有效的開展。在這個過程中溫度的不斷升高，臭氧的溶解度也在不斷降低，從而會進一步降低氣液傳質推動力，降低速率。可以知道溫度的升高和反應速率與氣液傳質速率存在反比。在實際應用中需要有效的進行廢水溫度的調節，其會進一步增加消耗率，因此對于每一種催化反應體系，其都需要結合實際情況進行操作。

4 臭氧氧化技術在廢水處理中應用

4.1 在煉油廢水處理中的應用

使用臭氧催化氧化技術進行實驗研究，能夠進一步調控整體的去污效果。

就目前的情況來看，雙膜工藝已經得到了廣泛應用，其被應用于深度處理中，但是因為其濃水鹽含量不斷升高，從而進一步增加了處理難度。而自制的催化劑及其臭氧催化氧化反應器與雙膜裝置組合深度處理煉油得到了很好的效果，并結合實際情況進行工業化裝置確定，從而能夠使其滿足相關要求。

4.2 在工業廢水處理中的應用

4.2.1 在有機廢水處理中的應用

目前會選擇研究含染料中間體和醫藥中間體為主的精細化工有機廢水，其主要是針對其中處理效率低問題進場實驗控制，對其中的反應條件進行有效選擇，對于其中的COD去除率、脫色率、BOD5/COD等指標方面進行研究。從結果中可以知道，Mn/C協同臭氧的效果是最好的，其在時間消耗少，在這個過程中pH值達到9，同時香港去除效率也達到了91.6%和34.9%。通過分析我們可以知道，因為臭氧氧化會使得廢水中的不飽和集團進行破壞，是化合物進行轉換。通過處理后會金玉比提高原水的BOD5/COD，對于后續的生物處理具有非常重要的作用。

4.2.2 在印染廢水處理中的應用

將堇青石蜂窩陶瓷、硅藻土、活性氧化鋁和活性炭作為整體實驗的載體，其中的主要成分是FexOy、CuO、NiO、MnxOy、BaO，然后將其進行實驗對比，同時重點分析載鐵型活性炭催化劑臭氧催化氧化印染廢水方面。從研究結果中可以知道，載鐵型的催化劑具有很大的活性，當焙燒溫度達到了750℃的時候，其催化性能達到最佳狀態。

4.3 在食品工業廢水處理中的應用

通過分析食品工業廢水的研究可以知道，其水質變化非常大，因此提出了“水解酸化－接觸氧化－臭氧催化氧化－曝氣生物濾池(BAF)”的組合工藝。廢水COD逐漸的下降，從2000～7000mg/L到100mg/L，并一直處于下降狀態，直到達到相關標準。從實驗中可以知道，水解酸化系統和臭氧催化氧化(負載MnO2的陶粒為催化劑)－曝氣生物濾池深度處理系統是確保該系統運行非常關鍵的部分，需要重點加強研究。

總之，就目前的情況來看，臭氧的優勢是高效，同時也不會有二次污染，但是其也存在缺點，主要是用量大，并且成本高，因此對于一些分子量較大、結構穩定的有機物降解只能起到轉換的作用，不能徹底進行優化，因此加強對這方面的研究還是非常有必要，需要引起我們的重視。

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