偶看新闻用友财务软件公司:臭氧（O3）在水处理中的应用
来源：百度文库 编辑：偶看新闻 时间：2024/04/29 14:40:30
臭氧（O3）在水处理中的应用1.1 臭氧消毒原理 臭氧（O3）是氧的同素异形体，它是一种具有特殊气味的淡蓝色气体。分子结构呈三角形，键角为116°，其密度是氧气的1.5倍，在水中的溶解度是氧气的10倍。臭氧是一种强氧化剂，它在水中的氧化还原电位为2.07V，仅次于氟（2.5V），其氧化能力高于氯（1.36V）和二氧化氯（1.5V），能破坏分解细菌的细胞壁，很快地扩散透进细胞内，氧化分解细菌内部氧化葡萄糖所必须的葡萄糖氧化酶等，也可以直接与细菌、病毒发生作用，破坏细胞、核糖核酸（RNA），分解脱氧核糖核酸（DNA）、RNA、蛋白质、脂质类和多糖等大分子聚合物，使细菌的代谢和繁殖过程遭到破坏。细菌被臭氧杀死是由细胞膜的断裂所致，这一过程被称为细胞消散，是由于细胞质在水中被粉碎引起的，在消散的条件下细胞不可能再生。应当指出，与次氯酸类消毒剂不同，臭氧的杀菌能力不受PH值变化和氨的影响，其杀菌能力比氯大600-3000倍，它的灭菌、消毒作用几乎是瞬时发生的，在水中臭氧浓度0.3-2mg/L时，0.5-1min内就可以致死细菌。
①病毒 已经证明臭氧对病毒具有非常强的杀灭性，例如Poloi病毒在臭氧浓度为0.05-0.45mg/L时，2min就会失去活性。
②孢囊 在臭氧浓度为0.3mg/L下作用2.4min就被完全除掉。
③孢子 由于孢衣的保护，它比生长态菌的抗臭氧能力高出10-15倍。
④真菌 白色念珠菌（candida albicans）和青霉属菌（penicillium）能被杀灭。
⑤寄生生物 曼森氏血吸虫（schistosoma mansoni）在3min后被杀灭。
2.1 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。
2.2 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。
2.3 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。
2.4 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，但也有一定的选择性，如绿霉菌、青霉菌等对O3具有抗药性，须较长时间才能杀死。O3用于饮用水消毒时，水的浊度、色度对消毒灭菌效果有影响，将有相当一部分O3被用于无机物和有机物的氧化分解上。
（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。但从经济上考虑，O3投加量不可能太高，所以氧化并不彻底，如果后续工艺处理不当，也会产生三卤甲烷等有害物质。
（7） 在水处理过程中，应尽量不要生成新的三卤甲烷物质，因为三卤甲烷一旦形成，O3也很难将其氧化去除。
2.5 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的电耗约为另外两种方法的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。
2.6 使用臭氧存在的问题
O3氧化能力很强，但也并非十全十美。应用O3也存在着一些问题，O3化会带来副产物。
微污染水源中有机物种类繁多，O3?能与有机物反应生成一系列的中间产物。要对其全部进行检测是非常困难的。因此，世界卫生组织（WHO）采用溴酸根和甲醛作为O3副产物的指标。
由于经济方面等原因，O3投加量不可能大到将大分子有机物全部无机化；另外，即使过量投加O3，也会有其他物质出现，也不可能使有机物全部矿化，因为O3氧化大多数有机物产生的不完全氧化产物可能阻碍O3的进一步分解，导致O3不可能将这些中间产物完全氧化，如甘油、乙醇、乙酸等。同时，O3不能有效的去除氨氮，对水中有机氯化物无氧化效果。
O3处理时与有机物反应生成不饱和醛类、环氧化合物等有毒物质，对人体健康有不良影响。如果水中含有较多的溴离子，O3会将其氧化为次溴酸。次溴酸与卤化消毒副产物的前体物反应，会产生溴仿和其它溴化消毒副产物。溴离子还能被进一步氧化为溴酸盐离子，从而导致出水呈致突变阳性。臭氧化后水中可同化有机碳（AOC）上升，可能会造成水中细菌的再度繁殖。为了维持管网中有足量的剩余消毒剂，在臭氧处理后再加氯或氯胺处理会分别生成三氯硝基甲烷和氯化氰，成为新的消毒副产物，其毒性现尚不清楚。对某些农药，O3氧化后的产物可能更有害。
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。 臭氧发生器、空气净化装置与制氧机
臭氧发生器是产生臭氧的设备。气源有空气与氧气两种。氧气可由专门公司供液氧，也可由制氧机从空气制得。
臭氧发生器的放电单元有管式与板式两种。
1. 管式臭氧发生器
大型臭氧发生器现在有Ozonia、Wegeco、三菱电机、富士电机等在我国竞争，都是管式，原要价高，现已压低价竞标，平均产1kgO3/h，约20000美元（包括扩散头、臭氧测定仪表及尾气处理装置）。近3年我国自制的大型臭氧发生器也已生产。
青岛国林采用中频电源，氧气源，放电管采用钢管上涂搪瓷。2004年已由建设部验收、鉴定20kgO3/h发生器，当臭氧浓度80mg/L时电耗＜8kW，达到国际先进水平。该类发生器近年在化工行业得到应用，也进入小型自来水厂应用，还经常参加国内大型水厂对臭氧发生器的投标。
2. 板式臭氧发生器
青岛科脉公司采用高频电源、陶瓷板介质，放电间隔0.3mm，制成可组合板式臭氧发生器。建设部已于2005年通过验收，臭氧浓度80mg/L时电耗＜6kW，达到国际先进水平。单机产1kgO3/h，可按需要组合成5kgO3/h、10kgO3/h。因采用高频、效率高，1kgO3/h发生器约50kg重，两人就可抬起。每个放电单元产40gO3/h，单机中可多设几个单元作为备用，在组合中如单机需检修，则可更换单机，不影响组合机群工作，因此具有较高灵活性与安全性，前景看好，现已由清华同方水务公司接收，正由科研产品转入长期生产运行检验后，作为商品进行生产销售。
3. 气源
空气源需空压机（无油）、空气净化与除湿设备组成的机组，国内有多家合资公司生产。
氧气源可由专门公司供液氧，现场的液氧罐与蒸发装置可租用，液氧由专门公司定期供给。
氧气也可由制氧机制取，制氧机的关键是空分材料，北大先锋公司的空分材料质量好，提供的制氧机在炼钢工业中得到应用。
采取何种气源，需视当地具体情况而定。
日本有40多家水厂采用臭氧—活性炭，只有一家采用氧气，因该厂邻居产氧气。
如当地或附近有专门供液氧公司，可采用氧气源。减少了空气干燥装置，从水厂管理上较方便。如无供氧公司，则需采用空气源，购置全套空气净化干燥装置，增加了一次性投资与气体装置的运行管理。
大型自来水厂使用氧气多，考虑经济与安全，不受制于液氧公司的液氧价格与运输的安全，可以自备制氧机制氧供臭氧发生器制臭氧，虽然增加了管理难度与一次性投资，但运行费可节省。
4.当前采用国外臭氧发生器中的问题
外国臭氧发生器公司建议采用氧气源，这样按所需达到的供臭氧量发生器设备可小（气源与氧源产生的臭氧量差一倍），对供应方有利。按所需臭氧量（往往考虑了备用量，其实臭氧发生装置本身可调节）提供高浓度（臭氧浓度100mg/L以上）臭氧发生器，高浓度臭氧需要消耗的电能高，设备容易损坏，对水厂不利，同样地供应方可以供应小的发生器，对供应方有利。
在自来水厂应用臭氧氧化净化的是微污染原水，并不需要很大臭氧投量，一般采用3mg/L的投加量，因此不需要高浓度臭氧，浓度高了，需要高效传质设备使水与臭氧混合，如达不到均匀、快速传质，剩余臭氧尾气尚需焚烧或通过催化氧化处理后排入大气，一方面造成浪费，另方面又要强化处理尾气，对水厂不利。
关于售后服务，某些国外公司为了节省出差费用往往要“千呼万唤始出来”，而国内公司可及赶来解决问题，某外国公司所供臭氧发生器不少放电管被击穿，据分析认为是液氧质量有问题，可供应方在整个臭氧发生系统中事先没有提及这个问题。
5.应该注意的问题
首先自来水行业应该积极支持国内臭氧发生器的制造与应用。国内臭氧发生器价格便宜，售后服务到位，只有大量使用，不断发现问题，改进提高，才能使我国臭氧发生器逐步完善，适应发展需要。
自来水行业招标文件中应对国内臭氧发生器网开一面，不要提出过高要求（如需有10kgO3/h发生器的使用经验），应鼓励国内厂家参与竞争，对降低售价，改善售后服务有利。对国外的厂家要提出明确要求：如采用气源、要求浓度低些，电耗少些，并对出现问题要进行赔偿，售后服务应有通知后几日内到达等。
现国外公司不愿与国内联合生产臭氧发生器，只允许代理，只有我国自制臭氧发生器能被自来水行业接受，在竞标中获胜，对外国公司造成压力，他们才有可能考虑与我们合作生产。
国内公司应提高产品质量（关键在安全、然后是电耗），加强曝气头、尾气处理设备，臭氧浓度测定仪研制，选用先进的无油压缩机，空气干燥装置，制氧机等，成为能全套供应臭氧氧化技术的装备，并提高售后服务质量，保证安全使用，相信再有3～5年能全面赶上国外企业，以迎接我国深度处理高潮的来临。 他还介绍到，近来，对臭氧—生物活性炭工艺高效去除新型有机污染物（Pharmaceuticals and Personal Care Products，简称PPCPs）的研究工作已渐入正轨。PPCPs是一类普遍污染物，兽类医药、农用医药、人类服用医药以及化妆品的使用均是其导入环境的主要方式。浓度在ng/L水平时，PPCPs便可使浮游植物和动物多样性降低或丰度增加，说明对鱼类、植物的生长有重要的生态学影响。同时，作为城市污水是一种重要的资源，PPCPs处理的好坏将直接影响到人体的健康和受纳水体的水质。
王占生教授坦言，臭氧—生物活性炭工艺也存在着令人担忧的问题。如，水源水中Br-高时，臭氧氧化容易导致溴酸盐超标（>10μg/L）；生物炭池中滋生微生物与水生动物（红虫、水蚤等）并在出水中泄漏，增加消毒难度。
为此，通过多方面的协同努力，臭氧－生物活性炭工艺得到了有效的改进。谈及具体措施，王占生教授介绍到，在臭氧技术方面，通过在臭氧接触池设稳流装置，提高臭氧吸收效率；将臭氧接触池出水中余臭氧浓度宜控制在0.1mg/L，以免过量臭氧污染环境，造成溴酸盐超标；并为臭氧池出水设不锈钢筛（200目），筛除红虫、水蚤；当原水Br-高时，臭氧前预投加适量H2O2（H2O2/O3=0.5~1.5），可防止溴酸盐超标。
在生物炭池的改进方面，为滤池、炭池加盖，防止摇蚊产卵，也防止阳光照射，使水蚤、红虫生长；将传统降流式改成升流式，使之成为膨胀床，充分发挥吸附效率，并且微生物与红虫等不宜集积在炭层生长而可被水流带出；加强混凝沉淀效果，将滤池设于炭池后，并在炭池出水入滤池前设一搅拌设备，可以投加助滤剂或消毒剂，灭活和截留炭池出水中的微生物与红虫等；滤池不必采用均质滤料而应采用精细滤料（d=0.5~0.8mm）。
王占生教授相信，臭氧—生物活性炭工艺无论从技术层面还是经济层面，均具备可行性。该工艺在给水深度处理工艺中将得到广泛应用，为出水水质满足国家标准、为老百姓能够喝上“好水”做出应有的贡献。 随着我国经济建设的快速发展，人们对饮水质量的要求越来越高，使得自来水厂采用臭氧-生物活性炭(O3-BAC)工艺对水进行深度处理成为重要的技术手段。这同时意味着臭氧的发生技术和应用技术必定得到快速发展，目前国内水厂采用的大型臭氧发生设备主要依靠国外进口，因此研制和开发性能稳定、技术先进的臭氧发生设备来代替国外产品，对加快我国O3-BAC工艺的普及具有重要意义。针对同方水务工程公司自主研发的大型板式臭氧发生器，对长辛店自来水厂进行工艺改造，从臭氧发生器、O3-BAC工艺及运行成本三个方面来研究水厂运用O3-BAC工艺的可行性。 研究结果表明： 对同方大型板式臭氧发生器进行运行试验，当臭氧浓度在100mg/L以上时，臭氧产量大于1kg/h，平均电耗6.3kWh/kgO3，臭氧产率达到160gO3/kWh，在技术指标和经济指标上均达到了我国环保产品(臭氧发生器)技术要求中的优级水平，且运行期间产气量稳定，不随时间增长而大幅度下降，该臭氧发生器性能稳定可靠。对该板式臭氧发生器的运行参数进行优化，当气体流量为8m3/h、功率为6kW时，臭氧发生器各性能指标达到比较好的一个水平。并与国内外管式臭氧发生器进行对比，同方板式臭氧发生器具有较高的臭氧产率和较低的电耗，在技术上占有优势。 O3-BAC工艺可有效去除水中的有机污染物，对CODMn、UV254和TOC平均去除率分别高于单独活性炭(GAC)工艺15.6％、32.8％和14.5％。O3-BAC工艺可提高水中有机物质的可生物降解性，增强后续活性炭滤池的生物降解能力，生物活性炭(BAC)滤池对可生物降解溶解性有机碳(BDOC)的去除率比GAC工艺中活性炭滤池高出16.1％。O3-BAC工艺对氨氮(NH4+-N)、亚硝酸盐氮(NO2--N)、硝酸盐氮(NO3--N)的去除情况要优于GAC工艺。溴酸盐和甲醛是典型臭氧化副产物，不同臭氧投加量下各工艺单元出水含量均低于我国饮用水卫生标准中的规定值，长辛店自来水厂运用O3-BAC工艺不会产生臭氧化副产物的污染问题。 长辛店自来水厂增加臭氧工艺后，水成本增加0.034元/m3，远小于采用国外进口臭氧发生设备的水厂所增加的水成本价格0.2~0.3元/m3，在长辛店自来水厂运用O3-BAC工艺经济可行。
①病毒 已经证明臭氧对病毒具有非常强的杀灭性，例如Poloi病毒在臭氧浓度为0.05-0.45mg/L时，2min就会失去活性。
②孢囊 在臭氧浓度为0.3mg/L下作用2.4min就被完全除掉。
③孢子 由于孢衣的保护，它比生长态菌的抗臭氧能力高出10-15倍。
④真菌 白色念珠菌（candida albicans）和青霉属菌（penicillium）能被杀灭。
⑤寄生生物 曼森氏血吸虫（schistosoma mansoni）在3min后被杀灭。
2.1 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。
2.2 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。
2.3 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。
2.4 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，但也有一定的选择性，如绿霉菌、青霉菌等对O3具有抗药性，须较长时间才能杀死。O3用于饮用水消毒时，水的浊度、色度对消毒灭菌效果有影响，将有相当一部分O3被用于无机物和有机物的氧化分解上。
（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。但从经济上考虑，O3投加量不可能太高，所以氧化并不彻底，如果后续工艺处理不当，也会产生三卤甲烷等有害物质。
（7） 在水处理过程中，应尽量不要生成新的三卤甲烷物质，因为三卤甲烷一旦形成，O3也很难将其氧化去除。
2.5 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的电耗约为另外两种方法的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。
2.6 使用臭氧存在的问题
O3氧化能力很强，但也并非十全十美。应用O3也存在着一些问题，O3化会带来副产物。
微污染水源中有机物种类繁多，O3?能与有机物反应生成一系列的中间产物。要对其全部进行检测是非常困难的。因此，世界卫生组织（WHO）采用溴酸根和甲醛作为O3副产物的指标。
由于经济方面等原因，O3投加量不可能大到将大分子有机物全部无机化；另外，即使过量投加O3，也会有其他物质出现，也不可能使有机物全部矿化，因为O3氧化大多数有机物产生的不完全氧化产物可能阻碍O3的进一步分解，导致O3不可能将这些中间产物完全氧化，如甘油、乙醇、乙酸等。同时，O3不能有效的去除氨氮，对水中有机氯化物无氧化效果。
O3处理时与有机物反应生成不饱和醛类、环氧化合物等有毒物质，对人体健康有不良影响。如果水中含有较多的溴离子，O3会将其氧化为次溴酸。次溴酸与卤化消毒副产物的前体物反应，会产生溴仿和其它溴化消毒副产物。溴离子还能被进一步氧化为溴酸盐离子，从而导致出水呈致突变阳性。臭氧化后水中可同化有机碳（AOC）上升，可能会造成水中细菌的再度繁殖。为了维持管网中有足量的剩余消毒剂，在臭氧处理后再加氯或氯胺处理会分别生成三氯硝基甲烷和氯化氰，成为新的消毒副产物，其毒性现尚不清楚。对某些农药，O3氧化后的产物可能更有害。
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。 臭氧发生器、空气净化装置与制氧机
臭氧发生器是产生臭氧的设备。气源有空气与氧气两种。氧气可由专门公司供液氧，也可由制氧机从空气制得。
臭氧发生器的放电单元有管式与板式两种。
1. 管式臭氧发生器
大型臭氧发生器现在有Ozonia、Wegeco、三菱电机、富士电机等在我国竞争，都是管式，原要价高，现已压低价竞标，平均产1kgO3/h，约20000美元（包括扩散头、臭氧测定仪表及尾气处理装置）。近3年我国自制的大型臭氧发生器也已生产。
青岛国林采用中频电源，氧气源，放电管采用钢管上涂搪瓷。2004年已由建设部验收、鉴定20kgO3/h发生器，当臭氧浓度80mg/L时电耗＜8kW，达到国际先进水平。该类发生器近年在化工行业得到应用，也进入小型自来水厂应用，还经常参加国内大型水厂对臭氧发生器的投标。
2. 板式臭氧发生器
青岛科脉公司采用高频电源、陶瓷板介质，放电间隔0.3mm，制成可组合板式臭氧发生器。建设部已于2005年通过验收，臭氧浓度80mg/L时电耗＜6kW，达到国际先进水平。单机产1kgO3/h，可按需要组合成5kgO3/h、10kgO3/h。因采用高频、效率高，1kgO3/h发生器约50kg重，两人就可抬起。每个放电单元产40gO3/h，单机中可多设几个单元作为备用，在组合中如单机需检修，则可更换单机，不影响组合机群工作，因此具有较高灵活性与安全性，前景看好，现已由清华同方水务公司接收，正由科研产品转入长期生产运行检验后，作为商品进行生产销售。
3. 气源
空气源需空压机（无油）、空气净化与除湿设备组成的机组，国内有多家合资公司生产。
氧气源可由专门公司供液氧，现场的液氧罐与蒸发装置可租用，液氧由专门公司定期供给。
氧气也可由制氧机制取，制氧机的关键是空分材料，北大先锋公司的空分材料质量好，提供的制氧机在炼钢工业中得到应用。
采取何种气源，需视当地具体情况而定。
日本有40多家水厂采用臭氧—活性炭，只有一家采用氧气，因该厂邻居产氧气。
如当地或附近有专门供液氧公司，可采用氧气源。减少了空气干燥装置，从水厂管理上较方便。如无供氧公司，则需采用空气源，购置全套空气净化干燥装置，增加了一次性投资与气体装置的运行管理。
大型自来水厂使用氧气多，考虑经济与安全，不受制于液氧公司的液氧价格与运输的安全，可以自备制氧机制氧供臭氧发生器制臭氧，虽然增加了管理难度与一次性投资，但运行费可节省。
4.当前采用国外臭氧发生器中的问题
外国臭氧发生器公司建议采用氧气源，这样按所需达到的供臭氧量发生器设备可小（气源与氧源产生的臭氧量差一倍），对供应方有利。按所需臭氧量（往往考虑了备用量，其实臭氧发生装置本身可调节）提供高浓度（臭氧浓度100mg/L以上）臭氧发生器，高浓度臭氧需要消耗的电能高，设备容易损坏，对水厂不利，同样地供应方可以供应小的发生器，对供应方有利。
在自来水厂应用臭氧氧化净化的是微污染原水，并不需要很大臭氧投量，一般采用3mg/L的投加量，因此不需要高浓度臭氧，浓度高了，需要高效传质设备使水与臭氧混合，如达不到均匀、快速传质，剩余臭氧尾气尚需焚烧或通过催化氧化处理后排入大气，一方面造成浪费，另方面又要强化处理尾气，对水厂不利。
关于售后服务，某些国外公司为了节省出差费用往往要“千呼万唤始出来”，而国内公司可及赶来解决问题，某外国公司所供臭氧发生器不少放电管被击穿，据分析认为是液氧质量有问题，可供应方在整个臭氧发生系统中事先没有提及这个问题。
5.应该注意的问题
首先自来水行业应该积极支持国内臭氧发生器的制造与应用。国内臭氧发生器价格便宜，售后服务到位，只有大量使用，不断发现问题，改进提高，才能使我国臭氧发生器逐步完善，适应发展需要。
自来水行业招标文件中应对国内臭氧发生器网开一面，不要提出过高要求（如需有10kgO3/h发生器的使用经验），应鼓励国内厂家参与竞争，对降低售价，改善售后服务有利。对国外的厂家要提出明确要求：如采用气源、要求浓度低些，电耗少些，并对出现问题要进行赔偿，售后服务应有通知后几日内到达等。
现国外公司不愿与国内联合生产臭氧发生器，只允许代理，只有我国自制臭氧发生器能被自来水行业接受，在竞标中获胜，对外国公司造成压力，他们才有可能考虑与我们合作生产。
国内公司应提高产品质量（关键在安全、然后是电耗），加强曝气头、尾气处理设备，臭氧浓度测定仪研制，选用先进的无油压缩机，空气干燥装置，制氧机等，成为能全套供应臭氧氧化技术的装备，并提高售后服务质量，保证安全使用，相信再有3～5年能全面赶上国外企业，以迎接我国深度处理高潮的来临。 他还介绍到，近来，对臭氧—生物活性炭工艺高效去除新型有机污染物（Pharmaceuticals and Personal Care Products，简称PPCPs）的研究工作已渐入正轨。PPCPs是一类普遍污染物，兽类医药、农用医药、人类服用医药以及化妆品的使用均是其导入环境的主要方式。浓度在ng/L水平时，PPCPs便可使浮游植物和动物多样性降低或丰度增加，说明对鱼类、植物的生长有重要的生态学影响。同时，作为城市污水是一种重要的资源，PPCPs处理的好坏将直接影响到人体的健康和受纳水体的水质。
王占生教授坦言，臭氧—生物活性炭工艺也存在着令人担忧的问题。如，水源水中Br-高时，臭氧氧化容易导致溴酸盐超标（>10μg/L）；生物炭池中滋生微生物与水生动物（红虫、水蚤等）并在出水中泄漏，增加消毒难度。
为此，通过多方面的协同努力，臭氧－生物活性炭工艺得到了有效的改进。谈及具体措施，王占生教授介绍到，在臭氧技术方面，通过在臭氧接触池设稳流装置，提高臭氧吸收效率；将臭氧接触池出水中余臭氧浓度宜控制在0.1mg/L，以免过量臭氧污染环境，造成溴酸盐超标；并为臭氧池出水设不锈钢筛（200目），筛除红虫、水蚤；当原水Br-高时，臭氧前预投加适量H2O2（H2O2/O3=0.5~1.5），可防止溴酸盐超标。
在生物炭池的改进方面，为滤池、炭池加盖，防止摇蚊产卵，也防止阳光照射，使水蚤、红虫生长；将传统降流式改成升流式，使之成为膨胀床，充分发挥吸附效率，并且微生物与红虫等不宜集积在炭层生长而可被水流带出；加强混凝沉淀效果，将滤池设于炭池后，并在炭池出水入滤池前设一搅拌设备，可以投加助滤剂或消毒剂，灭活和截留炭池出水中的微生物与红虫等；滤池不必采用均质滤料而应采用精细滤料（d=0.5~0.8mm）。
王占生教授相信，臭氧—生物活性炭工艺无论从技术层面还是经济层面，均具备可行性。该工艺在给水深度处理工艺中将得到广泛应用，为出水水质满足国家标准、为老百姓能够喝上“好水”做出应有的贡献。 随着我国经济建设的快速发展，人们对饮水质量的要求越来越高，使得自来水厂采用臭氧-生物活性炭(O3-BAC)工艺对水进行深度处理成为重要的技术手段。这同时意味着臭氧的发生技术和应用技术必定得到快速发展，目前国内水厂采用的大型臭氧发生设备主要依靠国外进口，因此研制和开发性能稳定、技术先进的臭氧发生设备来代替国外产品，对加快我国O3-BAC工艺的普及具有重要意义。针对同方水务工程公司自主研发的大型板式臭氧发生器，对长辛店自来水厂进行工艺改造，从臭氧发生器、O3-BAC工艺及运行成本三个方面来研究水厂运用O3-BAC工艺的可行性。 研究结果表明： 对同方大型板式臭氧发生器进行运行试验，当臭氧浓度在100mg/L以上时，臭氧产量大于1kg/h，平均电耗6.3kWh/kgO3，臭氧产率达到160gO3/kWh，在技术指标和经济指标上均达到了我国环保产品(臭氧发生器)技术要求中的优级水平，且运行期间产气量稳定，不随时间增长而大幅度下降，该臭氧发生器性能稳定可靠。对该板式臭氧发生器的运行参数进行优化，当气体流量为8m3/h、功率为6kW时，臭氧发生器各性能指标达到比较好的一个水平。并与国内外管式臭氧发生器进行对比，同方板式臭氧发生器具有较高的臭氧产率和较低的电耗，在技术上占有优势。 O3-BAC工艺可有效去除水中的有机污染物，对CODMn、UV254和TOC平均去除率分别高于单独活性炭(GAC)工艺15.6％、32.8％和14.5％。O3-BAC工艺可提高水中有机物质的可生物降解性，增强后续活性炭滤池的生物降解能力，生物活性炭(BAC)滤池对可生物降解溶解性有机碳(BDOC)的去除率比GAC工艺中活性炭滤池高出16.1％。O3-BAC工艺对氨氮(NH4+-N)、亚硝酸盐氮(NO2--N)、硝酸盐氮(NO3--N)的去除情况要优于GAC工艺。溴酸盐和甲醛是典型臭氧化副产物，不同臭氧投加量下各工艺单元出水含量均低于我国饮用水卫生标准中的规定值，长辛店自来水厂运用O3-BAC工艺不会产生臭氧化副产物的污染问题。 长辛店自来水厂增加臭氧工艺后，水成本增加0.034元/m3，远小于采用国外进口臭氧发生设备的水厂所增加的水成本价格0.2~0.3元/m3，在长辛店自来水厂运用O3-BAC工艺经济可行。
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