再生水臭氧消毒技术的研究和应用

潘观连+黄满红

摘要：臭氧已经广泛应用于饮用水消毒，但在再生水消毒中的研究和应用相对较少。本文主要综述了再生水臭氧消毒的特点以及再生水臭氧消毒的影响因素。同时，提出了再生水臭氧消毒未来的研究与应用前景。

关键词：再生水；臭氧消毒；影响因素；研究和应用前景

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号： 1674-0432（2014）-10-93-2

水资源短缺是制约我国社会与经济可持续发展的重要因素之一，因此寻找到可利用水源迫在眉睫。城市污水是一种水量稳定、水质变化幅度小、可稳定供应的非常规水源。城市污水再生利用可减轻水体污染，同时提高水资源综合利用率，是解决水资源短缺的有效途径。但城市污水水质复杂，特别是存在种类繁多、对人体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关键。臭氧消毒具有广谱、高效、清洁等优势，同时能有效去除色度、嗅味，降解部分溶解性有机物。因此，在再生水消毒领域有着广阔的应用前景。

1 臭氧消毒的特点

1.1 广谱性

臭氧可灭活多种微生物。当臭氧浓度较高时，臭氧可灭活芽孢、病毒、真菌、原虫胞囊等其他消毒剂难以灭活的微生物。

1.2 高效性

臭氧具有强氧化性，且臭氧存在水溶液中易生成二级氧化产物羟基自由基，

其氧化性比分子态的臭氧强，从而加强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触时间取得相同的消毒效果。

1.4 多功能性

臭氧不仅对病原微生物有高效的灭活效果，同时臭氧有助于微絮凝过程、去除铁离子和锰离子、降解微污染物质、去除色度浊度及臭味。

1.5 清洁性

氯消毒过程中会生成对人体有害的二次副产物，而臭氧消毒过程不生成此类二次副产物。出水中的残余臭氧通过自分解生成氧气，可提高受纳水体的溶解氧。

2 再生水臭氧消毒的影响因素

2.1 水质的影响

2.1.1 pH值一般情况下，臭氧在酸性溶液里的衰减慢于碱性溶液中的衰减。当水中pH较高时，O3分子自分解的速率加快，生成更多地羟基自由基，从而影响臭氧的消毒效果。Makky对去离子水中枯草芽孢杆菌的臭氧消毒试验结果显示，当pH由5升高至9时，停滞期后的灭活速率k提高了100%，停滞期的长短没有明显变化。但Driedger对天然水中枯草芽孢杆菌的臭氧消毒研究表明，当pH为6～8时，对停滞期以及停滞期后的灭活速率不存在显著地影响。

2.1.2 无机离子 NO2--N、Fe2-、Mn2-、Br-等还原态的离子会与微生物竞争消耗臭氧，其中Br-的存在可能形成有机溴化物和溴酸根等消毒副产物。氨与臭氧的反应相当缓慢, 然而在Br-存在的条件下, 氨能掩蔽臭氧化过程中形成的次溴酸根离子，从而延缓了溴酸根、溴仿和有机溴化物的形成。冉治霖等对贾第鞭毛虫的臭氧灭活试验显示，当pH为7.2，温度22℃，CT值为9分·毫克/升时，投加20毫克/升 NO3-,灭活率由99.1%升至99.3%；投加5毫摩尔/升 HCO3-,灭活率由99.1%降至91.7%；投加3毫摩尔/升 SO42-,灭活率由99.1%降至94.2%；投加Ca2+、毫克2+，灭活率由99.1%分别升至99.5%。结果表明，NO3-、Ca2+、毫克2+对臭氧消毒效果影响不大，HCO3-对自由基有抑制作用，增加了有机物对臭氧分子的消耗，从而削弱了臭氧分子对微生物的灭活效果。

2.1.3 有机化合物 再生水中反应活性较大的还原性物质会迅速与臭氧反应，将大分子物质转化为小分子物质，与病原微生物竞争消耗臭氧，从而影响微生物的灭活效果。Sonia等对污水臭氧消毒厂的进出水水质分析发现，伴随着粪大肠菌群的高效灭活，臭氧对COD、BOD5、SS的去除率最高可分别达到88%、68%、75%。李夏青等对某再生水水厂的臭氧氧化研究结果显示，当进水色度为50倍，臭氧投加量不超过5.7毫克/升，色度、UV254的去除率分别可达35%、10%。这些表征有机物含量的水质指标的去除都表明再生水的消毒过程中必然伴随着有机物对臭氧的消耗，继而影响臭氧的消毒效果。许多研究表明，随着有机物含量的增加，臭氧对微生物的灭活率降低。孙兴滨等对不同有机物含量下摇蚊幼虫灭活率变化的试验结果显示，当CODMn为1毫克/升时，灭活率为46.7%，CODMn为2毫克/升时，臭氧的灭活率仅为13.3%，CODMn为3毫克/升时，灭活率为0[5_ENREF_25]。Ran等对隐孢子虫的臭氧灭活规律研究显示，当DOM浓度由0毫克/升增加为1毫克/升时，灭活率由99.1%降为98.3%；当DOM浓度由2毫克/升增加为10毫克/升时，灭活率由84.9%降为62.1%。

2.2 臭氧消耗量

再生水中存在多种消耗臭氧的污染物，导致用于灭活病原微生物的有效臭氧浓度降低。针对不同水质，臭氧消耗量不同。一般而言，臭氧消耗量越大、接触时间越长，出水水质越好。但臭氧过量时，不仅降低其经济性，且剩余臭氧易与再生水中的溴离子、有机物等污染物发生反应，生成溴酸盐等具有生物毒性的消毒副产物。因此需根据实际需要和水质情况确定臭氧消耗量，并经常调整和校正，保证在杀灭水中病原微生物的前提下尽量降低臭氧消耗量。

2.3 臭氧浓度

齐爱玲等的实验结果表明，虽然投加的初始臭氧浓度不同，但在CT 值相同的情况下，低浓度和高浓度臭氧具有相同或者近似的消毒效率，说明病原微生物的灭活受臭氧浓度影响较小，仅与CT 值相关。消毒过程的CT 值相同，消毒效果也就相同,且臭氧浓度越高，衰减越快。

3 再生水臭氧消毒的研究及应用前景

国外对于污水臭氧消毒的研究开展较早，积累了大量的实验数据和丰富的经验。但国内污水臭氧消毒研究仅限于实验室的间歇实验以及连续小试实验，现场的连续实验数据较少。污水及再生水臭氧消毒的研究还存在许多不足，以下为再生水臭氧消毒领域未来的研究方向及应用前景。

3.1 消毒工艺中控制参数的选取

饮用水的臭氧消毒工艺中一般采用CT值来评价消毒效果，但CT值用于评价再生水的臭氧消毒效果存在一定的问题。因此，选取适用于再生水臭氧消毒工艺的控制参数成为必要。再生水消毒工艺中所涉及到的参数有臭氧投加量、瞬时臭氧需求量、余臭氧浓度、水质指标以及微生物指标等，这些参数之间的关联性以及最佳控制参数的选取等相关问题有待进一步的研究。

3.2 再生水臭氧消毒模型的建立

目前常见的几个臭氧消毒模型已经广泛用于饮用水的臭氧消毒，但这些模型运用于再生水的臭氧消毒存在一定的问题。因而，有必要建立以实际再生水消毒工艺为理论支撑的臭氧消毒模型，从而更好地评价再生水的臭氧消毒过程。

3.3 消毒工艺中臭氧传质效率的提高

提高消毒工艺中臭氧的传质效率可有效提高臭氧的利用率，从而节约消毒工艺的成本。因此，寻找合适的臭氧投加方式以提高传质效率是解决成本问题的有效方法之一。常用的臭氧投加方式有鼓泡法、射流法、涡轮混合法、尼可尼混合法等，投加方式不同，则臭氧的传质效率不同。将微气泡原理应用于臭氧的传质过程可能成为未来的研究热点。

3.4 臭氧与其他消毒技术组合工艺的应用

再生水臭氧消毒过程中，臭氧消耗量较大，这大大增加了臭氧消毒工艺的成本。为节约成本，可利用催化氧化的方式提高臭氧的利用率，或者采用超声波工艺对微生物的灭活作用以降低臭氧消耗量。将催化氧化或超声波工艺与臭氧工艺联用，不仅可以提高消毒效果，还能有效降低消毒工艺的能耗。

4 结语

臭氧能杀灭一般消毒剂不能杀灭的细菌病毒，能有效脱色除嗅，且具有高效、快速、清洁等优点。因此，臭氧在再生水回用领域有着广阔的应用前景。但目前再生水臭氧消毒工艺的应用中还存在以下问题有待进一步解决：一是再生水消毒工艺中所涉及到的参数有臭氧投加量、瞬时臭氧需求量、余臭氧浓度、水质指标以及微生物指标等，这些参数之间的关联性以及如何选取最佳控制参数还有待进一步的研究；二是再生水臭氧消毒工艺的成本较高、能耗较大，成本问题是制约臭氧消毒实际应用的瓶颈。寻找传质效率较高的接触方式，从而提高臭氧的利用率是再生水臭氧消毒的技术所需；三是对于臭氧消毒副产物的研究较少，其消毒副产物的种类及生态毒性仍不清楚，增加了使用臭氧消毒的风险；四是有必要建立以实际再生水消毒工艺为理论支撑的臭氧消毒模型，从而更好地评价再生水的臭氧消毒过程；五是臭氧与其他消毒方法的复合消毒将是再生水消毒技术今后发展的趋势。

作者简介：潘观连，东华大学环境科学与工程学院，研究方向：水污染控制工程。

通讯作者：黄满红，东华大学环境科学与工程学院。