臭氧氧化技术在废水处理中应用研究

叶 晓

（山东中科恒源环境工程有限公司,山东 淄博 255000）

1 臭氧的物化性质

臭氧属于一种不稳定活泼气体，在常温状态下其会有一个特殊的臭味，并且气体呈现出淡蓝色。臭氧在水中的氧化还原电位为2.07V，目前是仅次于氟的强氧化剂。臭氧应用于废水处理中主要是利用了该特征。

就目前的情况来看，臭氧在水溶液中的分解速度要快于气相中的分解速度。臭氧在水中分解主要是受到了温度以及pH值影响，随着温度的不断升高，分解的速度也在逐渐的加快。当温度达到了100℃以上时，分解就会非常的剧烈。当温度达到了270℃以上时就会直接转化为氧气。pH值和分解速度也是成正比的关系。在常温状态下空气中的分解半衰期的时间为15到30分钟。

2 臭氧氧化机理

臭氧是一种强氧化剂，氧化能力要大大高于氯和二氧化氯。随着社会的不断发展，对于水资源的要求也是越来越高，在一些发达国家已经开始使用臭氧等一些氧化技术进行污水处理，从而能够更好地确保水的质量。

目前臭氧化过程主要包括两个方面：一直接进行臭氧反应。二间接进行催化反应。

在直接进行臭氧氧化反应的过程中主要采用两种方式，即偶极加成反应以及亲电取代反应。对于偶极加成反应主要是因为臭氧的具有偶极结构，因此在发生反应的过程中会和含不饱和键的有机物进行加成反应，从而达到要求。对于亲电取代反应主要是因为带有吸电子基团的芳香族类化合物，包括－COOH、－NO2、－Cl等基团，他们和臭氧很难进行反应，因此在发生该类反应的时候会具有一定的选择性。通常情况下，臭氧直接氧化有机物最好是在酸性的条件下发生，其虽然反应非常慢，但是具有很好的选择功能，氧化产物也为有机酸类，再次发生氧化比较困难，同时每一个有机物的反应速度也相差很大。

虽然臭氧的氧化性非常强，但是因为具有很高的选择性，因此在发生反应的过程中很难进行污水的去除。随着科学技术的不断发展，对于这方面的研究也是越来越多，在进行臭氧水处理方面也不断地进行完善，目前会使用均相催化和非均相催化臭氧来达到有机物降解的目的。

间接催化反应主要是臭氧能够直接或者是通过触发反应、增殖反应以及终结反应产生的自由基氧化许多种化合物，对于每一种反应都会有不同的自由基产生。自由基和水中有机物反应的速度非常快，同时不需要进行选择，在其中非常关键部分是羟基自由基。羟基自由基是最为常见的一种氧化剂，其氧化电极电位只小于氯，其优点是能够快速的和有机物发生反应，并且不需要进行选择，容易和气不同位置的有机物进行反应，产生易氧化的中间产物。对于这些自由基因为速度反应速度非常快，目前反应的速率已经达到了106～109L/mol·s，因此每一种有机物的催化臭氧反应速度都差不多，因此也就造成了自由基型反应选择性低。

3 臭氧催化氧化技术处理废水的影响因素

3.1 PH值的影响

水溶液中臭氧分解非常重要的一个影响因素是PH值，在发生O3和H2O2/O3反应体系中，需要合理的控制PH值，因为如果pH值太低会直接影响到臭氧氧化反应，使得反应具有一定的选择性，不能有效的将有机物的去除，随着PH值的不断增加，溶液中的OH-不断增加，其也会进一步加强氧化能力的反应，不断提高整体的反应效率。但是因为PH值过高，会使得其中存在OH捕获剂，消耗其中的羟基自由基，从而对整个过程的有机污染物的氧化产生很大影响。

在非均相催化臭氧化体系中，溶液的pH值会直接对其中的一些催化剂的性质产生影响，从而使得OH产生途径发生变化，如下：

当羟基基团受到中性或者负电荷的影响，会直接成为臭氧降解产生OH的活性位点，当PH值接近催化剂的等点时，会充分的发挥出催化氧化体系的具有的优点。但是这个时候需要充分的控制PH值，如果其太高会直接使得促使其中的发生臭氧分解，使得整体催化剂表面羟基基团的密度受到影响，会使得整体的催化效率大大降低。

3.2 臭氧投加量、投加方式、反应器的影响

在发生反应的时候臭氧用量不断增加，会使得气液界面产生很大影响，使得整体过程中的气膜阻力受到影响，增加臭氧浓度。臭氧浓度太高会使得气液传质速率大大降低，降低了整体的臭氧利用率，增加了应用成本。

在整个反应过程中臭氧的投加方式也是非常重要的部分，其直接影响着整个反应过程，肖春景等使用Ni-Cu-Mn-K/AC催化臭氧化深度处理炼化废水，得到了在进行臭氧的投加的时候选择使用分段投加的方法最好，该方法在投加的过程中需要有效的控制比例，即6:3:1，这个时候COD的去除率也能够得到提高。

通过处理微气泡臭氧催化氧化，能够进一步提高废水的COD去除率，能够充分的利用臭氧利用率。一般情况下使用该种方法进行预处理的时候会有效的和别的方法进行结合，例如曝气生物滤池（BAF），从而能够进一步提高废水有机物的去除效率，同时也能够确保后期工作的有序开展。

3.3 温度的影响

通过阿仑尼乌斯公式（式3），能够进一步提高整体温度，同时也能够进一步提高反应速率，确保臭氧催化氧化反应能够有效的开展。在这个过程中温度的不断升高，臭氧的溶解度也在不断降低，从而会进一步降低气液传质推动力，降低速率。可以知道温度的升高和反应速率与气液传质速率存在反比。在实际应用中需要有效的进行废水温度的调节，其会进一步增加消耗率，因此对于每一种催化反应体系，其都需要结合实际情况进行操作。

4 臭氧氧化技术在废水处理中应用

4.1 在炼油废水处理中的应用

使用臭氧催化氧化技术进行实验研究，能够进一步调控整体的去污效果。

就目前的情况来看，双膜工艺已经得到了广泛应用，其被应用于深度处理中，但是因为其浓水盐含量不断升高，从而进一步增加了处理难度。而自制的催化剂及其臭氧催化氧化反应器与双膜装置组合深度处理炼油得到了很好的效果，并结合实际情况进行工业化装置确定，从而能够使其满足相关要求。

4.2 在工业废水处理中的应用

4.2.1 在有机废水处理中的应用

目前会选择研究含染料中间体和医药中间体为主的精细化工有机废水，其主要是针对其中处理效率低问题进场实验控制，对其中的反应条件进行有效选择，对于其中的COD去除率、脱色率、BOD5/COD等指标方面进行研究。从结果中可以知道，Mn/C协同臭氧的效果是最好的，其在时间消耗少，在这个过程中pH值达到9，同时香港去除效率也达到了91.6%和34.9%。通过分析我们可以知道，因为臭氧氧化会使得废水中的不饱和集团进行破坏，是化合物进行转换。通过处理后会金玉比提高原水的BOD5/COD，对于后续的生物处理具有非常重要的作用。

4.2.2 在印染废水处理中的应用

将堇青石蜂窝陶瓷、硅藻土、活性氧化铝和活性炭作为整体实验的载体，其中的主要成分是FexOy、CuO、NiO、MnxOy、BaO，然后将其进行实验对比，同时重点分析载铁型活性炭催化剂臭氧催化氧化印染废水方面。从研究结果中可以知道，载铁型的催化剂具有很大的活性，当焙烧温度达到了750℃的时候，其催化性能达到最佳状态。

4.3 在食品工业废水处理中的应用

通过分析食品工业废水的研究可以知道，其水质变化非常大，因此提出了“水解酸化－接触氧化－臭氧催化氧化－曝气生物滤池(BAF)”的组合工艺。废水COD逐渐的下降，从2000～7000mg/L到100mg/L，并一直处于下降状态，直到达到相关标准。从实验中可以知道，水解酸化系统和臭氧催化氧化(负载MnO2的陶粒为催化剂)－曝气生物滤池深度处理系统是确保该系统运行非常关键的部分，需要重点加强研究。

总之，就目前的情况来看，臭氧的优势是高效，同时也不会有二次污染，但是其也存在缺点，主要是用量大，并且成本高，因此对于一些分子量较大、结构稳定的有机物降解只能起到转换的作用，不能彻底进行优化，因此加强对这方面的研究还是非常有必要，需要引起我们的重视。

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