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紫外與臭氧(UV∕O3)組合工藝在給水處理中的應用

文檔作者：范太興1李德生2洪飛字3 文檔來源： 1蘭州交通大學環境與市政工程學院甘肅蘭州730070 2北京交通大學土木建筑工程學院北京100044 3鄭州市市政工程勘測設計研究院		點擊數：	更新時間： 2025年04月26日
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范太興1李德生2洪飛字3
(1蘭州交通大學環境與市政工程學院甘肅蘭州730070
2北京交通大學土木建筑工程學院北京100044
3鄭州市市政工程勘測設計研究院河南鄭州450046)
摘要介紹紫外線消毒的現狀、特點以及紫外，臭氧組合工藝的組合機理，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個主要因素；分析UV／03組合工藝對細菌、有機物、有機優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方向。
關鍵詞紫外線臭氧組合工藝消毒給水
中圈分類號：TU991．2 文獻標識碼：A 文章編號：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
識的提高．人們被迫在傳統給水消毒處理T藝的基礎上尋找
效率更高效果更好的方法．以保證符合更高安全標準的供水
水質。紫外線與臭氧組成的復合應用技術(UV／O，)，以其良好
的處理效果和出水水質成為新型給水凈化技術的首選。
l 紫外消毒(Ultraviolet Disinfection)
1．1紫外消毒的現狀
紫外線最早應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達國家已被廣泛應用。紫外線消毒技術
具有廣譜殺菌能力。作用快、效果好；經過多年的不斷改進。
已經發展為成熟高效的消毒技術。隨著三鹵甲烷(THMs)等
“三致”消毒副產物的出現以及人們對飲用水水質要求的提
高．以紫外線為主的新型處理技術得到了廣泛推廣。根據其
自身的消毒特點．預計會成為取代傳統化學消毒方法的主流
技術。
1．2紫外線的消毒原理
紫外線殺菌消毒的原理?是利用適當波長的紫外線．破
壞微生物細胞中DNA和RNA的分子結構．導致核酸鍵和鏈
的斷裂、股間交聯形成光化產物，阻斷其復制過程，進而造成
生長性細胞死亡或再生性死亡，以達到殺菌消毒的效果。
另一種機理是水及其中的溶解氧在紫外線的照射下．產
生超氧負離子(02_)、激發基態氧分子(0a、過氧化氫(H20：)，
羥基自由基(．OH)等氧化性極強的激發態物質。這些物質對
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DNA活性．破壞復制過程，造成細胞代謝發生紊亂從而導
致死亡．達到消毒目的。
I．3紫外線消毒的特點
1．3．1紫外線消毒的優點
跟其他化學消毒方法相比，紫外消毒具有使用安全、作
用廣泛、消毒性能穩定等優點。由于不向水中增加任何物質。
因此無需化學藥品，沒有其他副作用．也不會產生THMs類
消毒副產物。同時消毒效果不受水溫、酸堿度等環境因素影
響。紫外消毒工藝主要靠紫外光的照射。一般采用成套裝置，
不產生臭味，無噪聲，不影響出水水質。而且自動化程度高。操
作容易，管理簡單。因此具有殺菌效率高，作用快等特點(2J。
1．3．2紫外線消毒的缺點
(1)受濁度影響較大。原水濁度較高時，燈管容易結垢，
影響紫外光的透出和殺菌效果．因此需要對套管進行定期清
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。當被處理水離開反應器之
后。如果遇到新的污染物或污染源。會被二次污染，因此不具
備剩余消毒能力。目前改進的方法是配合其他消毒方法(如
C12、C102、03、H202等)共同使用。
(3)存在光復活現象[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修復損傷的DNA分子．使細菌再生。
因此．要進一步研究光復活的原理和條件，確定避免光復活
發生的最小紫外線照射強度、時間或劑量。
綜合以上處理特點．加上紫外光對水中COD去除的效
果差．后續管網中容易受到污染等因素。人們開始根據紫外
消毒的自身特點．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)
相結合的一種高級氧化技術。該組合工藝具有強氧化性．不
需要加入任何催化劑．已經被證明可以用于水中有機污染物
的去除．微生物的滅活等。目前已經在水處理行業被廣泛研
究，并有可能實現廣泛應用。
2．1 臭氧的應用
臭氧是飲用水處理中應用最為廣泛的強氧化劑之一：其
作者簡介：范太興(1986．)，碩士研究生，市政工程專業，研究方向為飲用水消毒技術。
萬方數據 2010．No．3． o
優點在于處理分解后的最終產物為氧氣．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去除率一般只能達到10％左右．難以達到較高的去除
效果。如何在紫外線的照射下進一步強化臭氧的氧化性能，
提高臭氧的利用率．也是今后給水深度處理技術的主要研究
內容．
2．2組合工藝的去除機理
關于臭氧和紫外的協同作用機理目前主要有2種觀點。
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
應生成羥基自由基：外一種是臭氧在紫外照射下先與水反應
生成雙氧水，雙氧水進一步分解生成羥基自由基(·OH)。
(1)臭氧的分解。臭氧在水中與有機物的作用一般分為
直接反應和間接反應2種歷程：臭氧分解產生羥基自由基的
反應會由于水體中存在堿度而受到抑制．使得氧化反應以直
接反應為主。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生羥基自由基．使得水中以臭氧與
有機物直接反應為主的氧化反應轉變為以自由基和有機物
直接反應為主的氧化反應。從而可以增加臭氧的利用率，提
高反應效率。
(2)羥基自由基氧化反應。常溫常壓下，臭氧的標準電位
為2．07V．而羥基自由基的標準電位為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有機物
發生氧化反應。羥基自由基與水中有機物的氧化反應大體上
可以分為2類：
A．除氫反應
·OH+RH—，R·+(oHl一
B．加成反應
： 0+．o一一映．一睇：一(：
有機物中的芳香烴和含有不飽和鍵的共軛體系在紫外
光區都有強烈的吸收．故羥基自由基更易于與芳香族化合物
及不飽和化合物發生加成反應。臭氧在水中與有機物發生的
直接氧化反應的選擇性較強，且速度不如羥基自由基快。因
此羥基自由基在有機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生化學
反應．所以當水中存在著較多的不飽和化合物共扼體系時，
該系統可以取得較好的處理效果．麗當水中存在的物質為飽
和的有機污染物時．用該系統處理速度較慢．去除效果則會
不太明顯。
(2)堿度的影響。當pH值過高時，如果水中只有臭氧存
2010．No．3．
在．堿度會與羥基自由基結合，對臭氧的催化反應造成抑制。
使臭氧在水溶液中以直接反應為主。當紫外線和臭氧同時存
在時．可產生大量的羥基自由基。但過高的pH值同樣對反
應不利．它會大量消耗水中的羥基自由基，使其濃度下降。處
理效率也會隨之下降。當水中存在過多的碳酸根或重碳酸根
離子時．容易水解產生OH一，同時碳酸根或重碳酸根離子自
身也會與羥基自由基結合。降低處理效率，結合反應式為：
(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．進氣臭氧濃度越高．則處理效果越明顯。這是因
為當水中臭氧濃度較高時．可以產生較高濃度的羥基自由
基。對有機物的氧化更為徹底，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。而且與進氣中
的臭氧濃度有關。
(4)水流流速的影響。流速的不同也會對處理效果造成
影響。當流速較高時。紫外光對總細菌和大腸桿菌均有良好
的去除效率．這一點似乎有悖常理。Iranpour Retal㈨等通過進
一步研究發現．當水流過紫外燈管與反應器之間時．會形成
一個邊界層．如果這個邊界層較厚．則會阻礙水對紫外光的
吸收。水流速度較慢時，出現的邊界層較厚，反之則較薄，故
流速快時．殺菌效果較好。
2．4組合工藝的處理效果
目前國外許多水廠已經開始將紫外及其組合工藝應用
到給水處理系統中，其中以歐洲和北美居多。由于自然環境
及原水水質的差異．國內這方面的研究基本處于實驗室水
平．部分地區已有條件進行中試和小范圍的應用。但目前國
內尚無大規模的工程實例。
(1)殺菌效果。對于原水的殺菌效果，馬曉敏㈣等通過研
究發現．UV／O，聯合方法對細菌的去除率明顯高于單獨采用
UV、O，時的效果。這是因為由于反應存在時間的順序問題，
細菌會首先在紫外光的照射下被去除．不能被紫外光去除的
細菌則會在臭氧的作用下被進一步去除。單獨使用紫外的效
果較差．是因為如果水中細菌數量較多，且NTU較大時，顆
粒物會對細菌進行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．可以實現很好的細菌去
除效率。但隨著時間的不斷推移．UV／O，的去除效果會漸漸
下降．主要是因為水中存在的顆粒物容易對紫外線進行吸
收。對反應的順利進行產生影響。使殺菌效果降低，而0，的
存在可以避免這一問題的出現。
(2)有機物的去除效果。對于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；結果顯示，臭氧與紫外線聯
合作用時水中的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：而對于COD．去除效果卻各不相
同．單獨臭氧或單獨紫外作用時．水中的COD值基本沒有變
化：即使在臭氧紫外線聯用時．最初COD的變化也不明顯；
隨著反應的進行，尤其是一段時間以后．則出現明顯的下降
趨勢。這些現象再次可以證明紫外和臭氧有協同作用效果。
萬方數據 o
一般說來．臭氧在紫外線的照射下．其對COD去除率可以提一種十分重要的工藝選擇。但現有的UV／03工藝因成本等問
高5％．10％左右。題無法進行廣泛應用。如何延長紫外設備的使用壽命，降低
(3)有機優先物的去除效果。UV／O，工藝對于自來水中臭氧的制造成本，將是今后研究的一個重要方向。
常見的i氯甲烷、四氯化碳、鄰一二氯苯、對一二氯苯、1,2,4-三
氯苯以及極難氧化的六氯苯等有機優先污染物均有令人滿參考文獻
意的去除效果IS]。關于三氯甲烷的氧化去除機理比較復雜； I周偉良．紫外線在飲用水生產中的應用．凈水技術．2002，21(1)
目前還主要靠0，等強氧化劑的氧化作用，但紫外光的照射2劉文君．給水處理消毒技術發展展望．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吸收物質，但3矯彩山，孫曉宇，鄧國政·紫外線消毒中的光復活作用·環境科學與
如果沒有紫外光的照射，也不能生成氯化物；如果單獨使用
管理，2006,31(”
．．．
紫外線，只有少量的氯贏子轉化成氯化物。妄有在紫外和臭4宋欽華，?慶祥·DNA光復活作用機理的研究進展·化學進展·
氧的雙重作用下，才有明顯的效果；反應機理如下：
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．等．紫外一臭氧符合時飲用水的殺茵除微污染實驗．
I蛾環境科學，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污染
C曼c．8簍：囂囂箸麓裂搿的有機優先污樅中0+Cl 呂錫武，孔青春．紫，卜一微臭氧處理飲用水中的萬機優先珂黎物．甲
2．5 組合工藝存在的主要問題固環境科學，199r7，17(4)
UV／03臭氧T藝的在水處理方面的效果顯著．但現有的
9鄭燕秋，朱曉輝等·飲用水紫外線消毒一實施安全消毒的重要技術
uV，03下藝復雜，初期投資及后續運行費用很高。特別是對1。1巍翟警篇：茅線給水預處理技術的試驗研究．㈣}
于小型凈水裝置，除光輻射源外，還需配備臭氧發生器，設備水。2004，30(9)
復雜，造價偏高，因而應用上受到一定程度限制。另外，國產11 Yung-Shuen shen,Young Ku．Treatmenl of ga8一phm，。latile。卿．
紫外線燈強度小、壽命短，缺乏自動清洗裝置；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驗，光復活研究條件不夠，都是需要進12張永吉，劉文君．紫外線消毒對光復活時大腸桿菌活性的影響．中
一步改進的地方。國給水排水。2006，22(17)
3 結論13孫劍鋒，王智化，等．臭氧，紫外聯合降解甲醛的實驗研究．環境工
UV／O，組合工藝通過2種方法的相互補充．以其顯著的程學報，2009t3(3)
處理效果和良好的出水水質．逐漸成為未來給水深度處理中
14劉文君·紫外線消毒原理、設計和應用．水工業市場，2009(4)
(上接第67頁)
(4)由于臭氧的強氧化性、強腐蝕性及有毒性，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·印染，2004(20)
成本增高．不利于臭氧技術的廣泛推廣．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
處理技術的成本成為目前臭氧技術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)目前臭氧發生器的發展趨勢是體積越來越小，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驗研究．油
越來越低，電能轉化率和產率越來越高，其控制的自動化程氣田環愛保≥。200l，ll(3)
度也越來越高，臭氧應用越來越廣，加快了產業的發展。10蘇金鈺。田學迭．活性炭負栽TiO：催化臭氧化去除水中酚的研究．
湖南環境生物職業技術學院學報．2004。10(4)
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