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紫外與臭氧(UV∕O3)組合工藝在給水處理中的應(yīng)用

文檔作者：范太興1李德生2洪飛字3 文檔來源： 1蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院甘肅蘭州730070 2北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院北京100044 3鄭州市市政工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年04月26日
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范太興1李德生2洪飛字3
(1蘭州交通大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院甘肅蘭州730070
2北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院北京100044
3鄭州市市政工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院河南鄭州450046)
摘要介紹紫外線消毒的現(xiàn)狀、特點(diǎn)以及紫外，臭氧組合工藝的組合機(jī)理，指出污染物特性、堿度、臭氧濃度和水流速度是
影響UV／03組合工藝處理效果的4個(gè)主要因素；分析UV／03組合工藝對(duì)細(xì)菌、有機(jī)物、有機(jī)優(yōu)先污染物的去除效果；指出UVI
03組合工藝存在的主要問題和可能的改進(jìn)方向。
關(guān)鍵詞紫外線臭氧組合工藝消毒給水
中圈分類號(hào)：TU991．2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672—9064(2010)03-0068—03
近年來。由于飲用水水源污染程度的加劇和公眾健康意
識(shí)的提高．人們被迫在傳統(tǒng)給水消毒處理T藝的基礎(chǔ)上尋找
效率更高效果更好的方法．以保證符合更高安全標(biāo)準(zhǔn)的供水
水質(zhì)。紫外線與臭氧組成的復(fù)合應(yīng)用技術(shù)(UV／O，)，以其良好
的處理效果和出水水質(zhì)成為新型給水凈化技術(shù)的首選。
l 紫外消毒(Ultraviolet Disinfection)
1．1紫外消毒的現(xiàn)狀
紫外線最早應(yīng)用于供水工藝是在荷蘭的鹿特丹水廠．目
前在兩歐和北美等發(fā)達(dá)國(guó)家已被廣泛應(yīng)用。紫外線消毒技術(shù)
具有廣譜殺菌能力。作用快、效果好；經(jīng)過多年的不斷改進(jìn)。
已經(jīng)發(fā)展為成熟高效的消毒技術(shù)。隨著三鹵甲烷(THMs)等
“三致”消毒副產(chǎn)物的出現(xiàn)以及人們對(duì)飲用水水質(zhì)要求的提
高．以紫外線為主的新型處理技術(shù)得到了廣泛推廣。根據(jù)其
自身的消毒特點(diǎn)．預(yù)計(jì)會(huì)成為取代傳統(tǒng)化學(xué)消毒方法的主流
技術(shù)。
1．2紫外線的消毒原理
紫外線殺菌消毒的原理?是利用適當(dāng)波長(zhǎng)的紫外線．破
壞微生物細(xì)胞中DNA和RNA的分子結(jié)構(gòu)．導(dǎo)致核酸鍵和鏈
的斷裂、股間交聯(lián)形成光化產(chǎn)物，阻斷其復(fù)制過程，進(jìn)而造成
生長(zhǎng)性細(xì)胞死亡或再生性死亡，以達(dá)到殺菌消毒的效果。
另一種機(jī)理是水及其中的溶解氧在紫外線的照射下．產(chǎn)
生超氧負(fù)離子(02_)、激發(fā)基態(tài)氧分子(0a、過氧化氫(H20：)，
羥基自由基(．OH)等氧化性極強(qiáng)的激發(fā)態(tài)物質(zhì)。這些物質(zhì)對(duì)
水中微生物病原體有毀滅性的破壞作用．通過改變微生物體
內(nèi)DNA活性．破壞復(fù)制過程，造成細(xì)胞代謝發(fā)生紊亂從而導(dǎo)
致死亡．達(dá)到消毒目的。
I．3紫外線消毒的特點(diǎn)
1．3．1紫外線消毒的優(yōu)點(diǎn)
跟其他化學(xué)消毒方法相比，紫外消毒具有使用安全、作
用廣泛、消毒性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。由于不向水中增加任何物質(zhì)。
因此無需化學(xué)藥品，沒有其他副作用．也不會(huì)產(chǎn)生THMs類
消毒副產(chǎn)物。同時(shí)消毒效果不受水溫、酸堿度等環(huán)境因素影
響。紫外消毒工藝主要靠紫外光的照射。一般采用成套裝置，
不產(chǎn)生臭味，無噪聲，不影響出水水質(zhì)。而且自動(dòng)化程度高。操
作容易，管理簡(jiǎn)單。因此具有殺菌效率高，作用快等特點(diǎn)(2J。
1．3．2紫外線消毒的缺點(diǎn)
(1)受濁度影響較大。原水濁度較高時(shí)，燈管容易結(jié)垢，
影響紫外光的透出和殺菌效果．因此需要對(duì)套管進(jìn)行定期清
洗或采取表面降溫措施來防止管垢的形成。
(2)jlq能提供剩余消毒能力。當(dāng)被處理水離開反應(yīng)器之
后。如果遇到新的污染物或污染源。會(huì)被二次污染，因此不具
備剩余消毒能力。目前改進(jìn)的方法是配合其他消毒方法(如
C12、C102、03、H202等)共同使用。
(3)存在光復(fù)活現(xiàn)象[3．41。一些被紫外線殺傷的微生物在
離開紫外光的照射下會(huì)修復(fù)損傷的DNA分子．使細(xì)菌再生。
因此．要進(jìn)一步研究光復(fù)活的原理和條件，確定避免光復(fù)活
發(fā)生的最小紫外線照射強(qiáng)度、時(shí)間或劑量。
綜合以上處理特點(diǎn)．加上紫外光對(duì)水中COD去除的效
果差．后續(xù)管網(wǎng)中容易受到污染等因素。人們開始根據(jù)紫外
消毒的自身特點(diǎn)．將其與其他消毒工藝組合使用，以獲得更
好的處理效果。紫外，臭氧(UV／03)工藝以其自身的組合方式
和消毒特點(diǎn)開始被廣泛研究。
2紫外／臭氧組合工藝(UV／O，)
紫外／臭氧組合工藝(UVIO，)是將臭氧(03)和紫外(Uv)
相結(jié)合的一種高級(jí)氧化技術(shù)。該組合工藝具有強(qiáng)氧化性．不
需要加入任何催化劑．已經(jīng)被證明可以用于水中有機(jī)污染物
的去除．微生物的滅活等。目前已經(jīng)在水處理行業(yè)被廣泛研
究，并有可能實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。
2．1 臭氧的應(yīng)用
臭氧是飲用水處理中應(yīng)用最為廣泛的強(qiáng)氧化劑之一：其
作者簡(jiǎn)介：范太興(1986．)，碩士研究生，市政工程專業(yè)，研究方向?yàn)轱嬘盟炯夹g(shù)。
萬方數(shù)據(jù) 2010．No．3． o
優(yōu)點(diǎn)在于處理分解后的最終產(chǎn)物為氧氣．不向水中增添新的
元素。在普通的市政給水處理中．如果單純使用臭氧氧化，
COD去除率一般只能達(dá)到10％左右．難以達(dá)到較高的去除
效果。如何在紫外線的照射下進(jìn)一步強(qiáng)化臭氧的氧化性能，
提高臭氧的利用率．也是今后給水深度處理技術(shù)的主要研究
內(nèi)容．
2．2組合工藝的去除機(jī)理
關(guān)于臭氧和紫外的協(xié)同作用機(jī)理目前主要有2種觀點(diǎn)。
一種是臭氧先在紫外作用下分解成氧原子．氧原子再與水反
應(yīng)生成羥基自由基：外一種是臭氧在紫外照射下先與水反應(yīng)
生成雙氧水，雙氧水進(jìn)一步分解生成羥基自由基(·OH)。
(1)臭氧的分解。臭氧在水中與有機(jī)物的作用一般分為
直接反應(yīng)和間接反應(yīng)2種歷程：臭氧分解產(chǎn)生羥基自由基的
反應(yīng)會(huì)由于水體中存在堿度而受到抑制．使得氧化反應(yīng)以直
接反應(yīng)為主。然而在紫外線的照射下，使得臭氧的分解歷程
可以表示為：
03+致D』■吼D2+D2
H，o，j·OH
201+見0，—二+2·0日+30，
由于臭氧迅速分解產(chǎn)生羥基自由基．使得水中以臭氧與
有機(jī)物直接反應(yīng)為主的氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐宰杂苫陀袡C(jī)物
直接反應(yīng)為主的氧化反應(yīng)。從而可以增加臭氧的利用率，提
高反應(yīng)效率。
(2)羥基自由基氧化反應(yīng)。常溫常壓下，臭氧的標(biāo)準(zhǔn)電位
為2．07V．而羥基自由基的標(biāo)準(zhǔn)電位為2．80 V．氧化性方面后
者要大于前者．因此羥基自由基能夠與水中絕大多數(shù)有機(jī)物
發(fā)生氧化反應(yīng)。羥基自由基與水中有機(jī)物的氧化反應(yīng)大體上
可以分為2類：
A．除氫反應(yīng)
·OH+RH—，R·+(oHl一
B．加成反應(yīng)
： 0+．o一一映．一睇：一(：
有機(jī)物中的芳香烴和含有不飽和鍵的共軛體系在紫外
光區(qū)都有強(qiáng)烈的吸收．故羥基自由基更易于與芳香族化合物
及不飽和化合物發(fā)生加成反應(yīng)。臭氧在水中與有機(jī)物發(fā)生的
直接氧化反應(yīng)的選擇性較強(qiáng)，且速度不如羥基自由基快。因
此羥基自由基在有機(jī)物氧化方面比臭氧效果要好。
2．3組合工藝的影響因素
(1)污染物本身特性的影響。由于羥基自由基更易于與
水中的芳香族化合物或含有雙鍵或羰基的共扼體發(fā)生化學(xué)
反應(yīng)．所以當(dāng)水中存在著較多的不飽和化合物共扼體系時(shí)，
該系統(tǒng)可以取得較好的處理效果．麗當(dāng)水中存在的物質(zhì)為飽
和的有機(jī)污染物時(shí)．用該系統(tǒng)處理速度較慢．去除效果則會(huì)
不太明顯。
(2)堿度的影響。當(dāng)pH值過高時(shí)，如果水中只有臭氧存
2010．No．3．
在．堿度會(huì)與羥基自由基結(jié)合，對(duì)臭氧的催化反應(yīng)造成抑制。
使臭氧在水溶液中以直接反應(yīng)為主。當(dāng)紫外線和臭氧同時(shí)存
在時(shí)．可產(chǎn)生大量的羥基自由基。但過高的pH值同樣對(duì)反
應(yīng)不利．它會(huì)大量消耗水中的羥基自由基，使其濃度下降。處
理效率也會(huì)隨之下降。當(dāng)水中存在過多的碳酸根或重碳酸根
離子時(shí)．容易水解產(chǎn)生OH一，同時(shí)碳酸根或重碳酸根離子自
身也會(huì)與羥基自由基結(jié)合。降低處理效率，結(jié)合反應(yīng)式為：
(OH)·+HC03--*(OH)一+ⅣCD3·
(3)臭氧濃度的影響。在相同紫外線照射劑量和臭氧投
量的情況下．進(jìn)氣臭氧濃度越高．則處理效果越明顯。這是因
為當(dāng)水中臭氧濃度較高時(shí)．可以產(chǎn)生較高濃度的羥基自由
基。對(duì)有機(jī)物的氧化更為徹底，所以處理效果也較好。這表
明．處理效果不僅與紫外線的照射劑量有關(guān)。而且與進(jìn)氣中
的臭氧濃度有關(guān)。
(4)水流流速的影響。流速的不同也會(huì)對(duì)處理效果造成
影響。當(dāng)流速較高時(shí)。紫外光對(duì)總細(xì)菌和大腸桿菌均有良好
的去除效率．這一點(diǎn)似乎有悖常理。Iranpour Retal㈨等通過進(jìn)
一步研究發(fā)現(xiàn)．當(dāng)水流過紫外燈管與反應(yīng)器之間時(shí)．會(huì)形成
一個(gè)邊界層．如果這個(gè)邊界層較厚．則會(huì)阻礙水對(duì)紫外光的
吸收。水流速度較慢時(shí)，出現(xiàn)的邊界層較厚，反之則較薄，故
流速快時(shí)．殺菌效果較好。
2．4組合工藝的處理效果
目前國(guó)外許多水廠已經(jīng)開始將紫外及其組合工藝應(yīng)用
到給水處理系統(tǒng)中，其中以歐洲和北美居多。由于自然環(huán)境
及原水水質(zhì)的差異．國(guó)內(nèi)這方面的研究基本處于實(shí)驗(yàn)室水
平．部分地區(qū)已有條件進(jìn)行中試和小范圍的應(yīng)用。但目前國(guó)
內(nèi)尚無大規(guī)模的工程實(shí)例。
(1)殺菌效果。對(duì)于原水的殺菌效果，馬曉敏㈣等通過研
究發(fā)現(xiàn)．UV／O，聯(lián)合方法對(duì)細(xì)菌的去除率明顯高于單獨(dú)采用
UV、O，時(shí)的效果。這是因?yàn)橛捎诜磻?yīng)存在時(shí)間的順序問題，
細(xì)菌會(huì)首先在紫外光的照射下被去除．不能被紫外光去除的
細(xì)菌則會(huì)在臭氧的作用下被進(jìn)一步去除。單獨(dú)使用紫外的效
果較差．是因?yàn)槿绻屑?xì)菌數(shù)量較多，且NTU較大時(shí)，顆
粒物會(huì)對(duì)細(xì)菌進(jìn)行UV的遮蔽．從而降低UV的滅菌作用效
果。在紫外光和臭氧的雙重作用下．可以實(shí)現(xiàn)很好的細(xì)菌去
除效率。但隨著時(shí)間的不斷推移．UV／O，的去除效果會(huì)漸漸
下降．主要是因?yàn)樗写嬖诘念w粒物容易對(duì)紫外線進(jìn)行吸
收。對(duì)反應(yīng)的順利進(jìn)行產(chǎn)生影響。使殺菌效果降低，而0，的
存在可以避免這一問題的出現(xiàn)。
(2)有機(jī)物的去除效果。對(duì)于UV254的去除效果，王欣澤
[7】等分別在有紫外光輻照和無紫外光輻照2種情況下通入
臭氧考查水中UV斟的去除情況；結(jié)果顯示，臭氧與紫外線聯(lián)
合作用時(shí)水中的Uv烈去除效果較好，并且紫外光的照射可
以使去除率有明顯的升高：而對(duì)于COD．去除效果卻各不相
同．單獨(dú)臭氧或單獨(dú)紫外作用時(shí)．水中的COD值基本沒有變
化：即使在臭氧紫外線聯(lián)用時(shí)．最初COD的變化也不明顯；
隨著反應(yīng)的進(jìn)行，尤其是一段時(shí)間以后．則出現(xiàn)明顯的下降
趨勢(shì)。這些現(xiàn)象再次可以證明紫外和臭氧有協(xié)同作用效果。
萬方數(shù)據(jù) o
一般說來．臭氧在紫外線的照射下．其對(duì)COD去除率可以提一種十分重要的工藝選擇。但現(xiàn)有的UV／03工藝因成本等問
高5％．10％左右。題無法進(jìn)行廣泛應(yīng)用。如何延長(zhǎng)紫外設(shè)備的使用壽命，降低
(3)有機(jī)優(yōu)先物的去除效果。UV／O，工藝對(duì)于自來水中臭氧的制造成本，將是今后研究的一個(gè)重要方向。
常見的i氯甲烷、四氯化碳、鄰一二氯苯、對(duì)一二氯苯、1,2,4-三
氯苯以及極難氧化的六氯苯等有機(jī)優(yōu)先污染物均有令人滿參考文獻(xiàn)
意的去除效果IS]。關(guān)于三氯甲烷的氧化去除機(jī)理比較復(fù)雜； I周偉良．紫外線在飲用水生產(chǎn)中的應(yīng)用．凈水技術(shù)．2002，21(1)
目前還主要靠0，等強(qiáng)氧化劑的氧化作用，但紫外光的照射2劉文君．給水處理消毒技術(shù)發(fā)展展望．給水排水，2004，30(1)
可以提高處理效果。盡管三氯甲烷不是紫外強(qiáng)吸收物質(zhì)，但3矯彩山，孫曉宇，鄧國(guó)政·紫外線消毒中的光復(fù)活作用·環(huán)境科學(xué)與
如果沒有紫外光的照射，也不能生成氯化物；如果單獨(dú)使用
管理，2006,31(”
．．．
紫外線，只有少量的氯贏子轉(zhuǎn)化成氯化物。妄有在紫外和臭4宋欽華，?慶祥·DNA光復(fù)活作用機(jī)理的研究進(jìn)展·化學(xué)進(jìn)展·
氧的雙重作用下，才有明顯的效果；反應(yīng)機(jī)理如下：
5 Im二u，≤二．Hydmulic E舵cts。n ultmviolet Disi。fecIi0。：Modifi．
■化館甩cation Reactor Design．Water Environment Research．1999。71(1)
HCC每———◆H02CCb———◆％CHOCh碣鋤6馬曉敏．宋強(qiáng)．等．紫外一臭氧符合時(shí)飲用水的殺茵除微污染實(shí)驗(yàn)．
I蛾環(huán)境科學(xué)，2002·23(5)
．． COCl≯H++Cr 7王欣澤．王寶貞．王琳．臭氧一紫外線深度氧化去除水中有機(jī)污染
C曼c(diǎn)．8簍：囂囂箸麓裂搿的有機(jī)優(yōu)先污樅中0+Cl 呂錫武，孔青春．紫，卜一微臭氧處理飲用水中的萬機(jī)優(yōu)先珂黎物．甲
2．5 組合工藝存在的主要問題固環(huán)境科學(xué)，199r7，17(4)
UV／03臭氧T藝的在水處理方面的效果顯著．但現(xiàn)有的
9鄭燕秋，朱曉輝等·飲用水紫外線消毒一實(shí)施安全消毒的重要技術(shù)
uV，03下藝復(fù)雜，初期投資及后續(xù)運(yùn)行費(fèi)用很高。特別是對(duì)1。1巍翟警篇：茅線給水預(yù)處理技術(shù)的試驗(yàn)研究．㈣}
于小型凈水裝置，除光輻射源外，還需配備臭氧發(fā)生器，設(shè)備水。2004，30(9)
復(fù)雜，造價(jià)偏高，因而應(yīng)用上受到一定程度限制。另外，國(guó)產(chǎn)11 Yung-Shuen shen,Young Ku．Treatmenl of ga8一phm，。latile。卿．
紫外線燈強(qiáng)度小、壽命短，缺乏自動(dòng)清洗裝置；微生物方面缺ic coml30unds bv the UV／03 proce％．Chem—sphe陀，1999，38(8)
乏單類菌種的滅活經(jīng)驗(yàn)，光復(fù)活研究條件不夠，都是需要進(jìn)12張永吉，劉文君．紫外線消毒對(duì)光復(fù)活時(shí)大腸桿菌活性的影響．中
一步改進(jìn)的地方。國(guó)給水排水。2006，22(17)
3 結(jié)論13孫劍鋒，王智化，等．臭氧，紫外聯(lián)合降解甲醛的實(shí)驗(yàn)研究．環(huán)境工
UV／O，組合工藝通過2種方法的相互補(bǔ)充．以其顯著的程學(xué)報(bào)，2009t3(3)
處理效果和良好的出水水質(zhì)．逐漸成為未來給水深度處理中
14劉文君·紫外線消毒原理、設(shè)計(jì)和應(yīng)用．水工業(yè)市場(chǎng)，2009(4)
(上接第67頁)
(4)由于臭氧的強(qiáng)氧化性、強(qiáng)腐蝕性及有毒性，所以處理2005，23(I)
丁藝元件的材料必須用高耐腐蝕抗氧化材料．使得臭氧處理7危想平。肖鵬．活性炭一臭氧處理印染廢水試驗(yàn)·印染，2004(20)
成本增高．不利于臭氧技術(shù)的廣泛推廣．因此如何降低臭氧8 Patricia C·C·Fada·J∞e J．M·or‰tet al·M1艙mli咖i∞of ool伽矧
處理技術(shù)的成本成為目前臭氧技術(shù)研究的主要工作之一。
8q”刪8”lutio“8 bY o”n毗10“1“m8 p”朗”m擬“ed o咖“
(5)目前臭氧發(fā)生器的發(fā)展趨勢(shì)是體積越來越小，能耗
9趙Wa朝te成r R，e張se荽墨：：聲，臭氧氧化處理含酚廢水實(shí)驗(yàn)研究．油
越來越低，電能轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)率越來越高，其控制的自動(dòng)化程氣田環(huán)愛保≥。200l，ll(3)
度也越來越高，臭氧應(yīng)用越來越廣，加快了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。10蘇金鈺。田學(xué)迭．活性炭負(fù)栽TiO：催化臭氧化去除水中酚的研究．
湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)．2004。10(4)
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