飲用水化學(xué)消毒技術(shù)—臭氧

臭氧（O₃）是已知最強的氧化劑，常溫常壓下為淡藍(lán)色的具有特殊臭味的氣體，密度為空氣的1.658倍。臭氧氣體經(jīng)低溫壓縮處理可呈液態(tài)，沸點為112.3℃.臭氧在水中的溶解度比氧大13倍，但因在空氣中的分壓較低，故在常溫常壓下只能得到數(shù)毫克每升濃度的溶液。臭氧穩(wěn)定性級差，常溫下在空氣和水中均易分解，并放出初生態(tài)氧。不僅能殺滅水中的普通菌類和蟲卵，還能殺滅抗氯性強的病毒和芽孢，且殘留的臭氧因易分解而不會造成二次污染。

① 臭氧殺菌的機理尚未完全清楚。有下列一些觀點：

a) 臭氧在分解成氧氣的過程中生成“新生態(tài)氧”，高度活性的新生態(tài)氧可起殺菌作用。

b) 臭氧能破壞細(xì)胞上的脫氫酶而干擾細(xì)胞的呼吸功能，直接氧化各種酶和蛋白質(zhì)，阻礙代謝過程, 破壞有機體鏈狀結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致細(xì)胞死亡。據(jù)報道，臭氧能和對其敏感的氨基酸殘基（半胱氨酸殘基、色氨酸殘基、蛋氨酸殘基）直接發(fā)生反應(yīng)，破壞蛋白質(zhì)。

c) 臭氧能影響細(xì)胞中的物質(zhì)的交換，使活性硫化物基團轉(zhuǎn)化過程中的平衡遭到破壞。

d) 臭氧能與細(xì)菌細(xì)胞膜作用，與細(xì)菌細(xì)胞壁脂肪酸雙鍵反應(yīng)，作用于細(xì)胞外殼脂蛋白和內(nèi)部的脂多糖等大分子聚合物，使細(xì)胞膜的滲透性改變，導(dǎo)致原生質(zhì)的流失和細(xì)胞體的溶解。

e) 臭氧能穿透細(xì)胞壁，滲入細(xì)胞內(nèi)部與細(xì)胞質(zhì)反應(yīng)，作用于脂蛋白和脂多糖、改變和分解RNA、DNA和線粒體結(jié)構(gòu)。臭氧能迅速穿透細(xì)胞壁的特性是其殺菌速度快的原因之一。

f) 臭氧滅活病毒的方式主要是氧化破壞其外殼和核酸。研究結(jié)果證明：臭氧可破環(huán)腸病毒衣殼蛋白的四條多肽鏈，并使RNA受到損傷；可使噬菌體中的RNA被釋放出來，還可以觀察到噬菌體斷裂分解成碎片。

g) 臭氧還能氧化分解死亡菌體內(nèi)的基因、熱原質(zhì)和支原體等。

② 臭氧消毒的優(yōu)點

a) 氧化能力強 能在消毒時兼代處理許多其他的水質(zhì)問題。臭氧的氧化能力比氯大50%，在消毒的同時可有效去除或降低復(fù)雜的味、臭、色和金屬離子的問題。據(jù)報道，臭氧能將氯化和活性炭工藝無法去除的味和臭去除。但臭氧對源于天然有機物的臭和味的去除效果不明顯。

臭氧消毒的同時兼有助凝和去除濁度的作用，采用臭氧處理往往可以提高混凝和過濾效果，間接上對控制微生物發(fā)揮了作用。

b) 殺菌效果顯著，作用迅速，據(jù)稱臭氧殺菌比氯快300～3000倍，消毒效率高于常用的液氯和次氯酸鈉約15倍，消毒接觸時間通常只需0.5～1min。

c) 廣譜高效。臭氧能迅速殺滅細(xì)菌和孢子，還能殺滅變形蟲、真菌。原生動物、一些耐氯、耐紫外線和耐抗生素的致病生物，如孢囊和一些病毒、賈第鞭毛蟲、隱孢子原蟲、藻類、低級水生生物等。所需的接觸時間通常很短（不過臭氧對一些霉菌如綠霉菌、青霉菌等作用時間較長）。微生物被臭氧滅活從易到難的順序一般為：細(xì)菌——病菌——孢囊。

d) 消毒處理的副作用較小。臭氧在殺菌后被還原成氧，因此能附帶提高水中的溶解氧。臭氧本身不會形成消毒鹵化副產(chǎn)物，也不產(chǎn)生和加重臭味, 投加臭氧也不會在水中產(chǎn)生pH值的變化，無需另行投加藥劑調(diào)節(jié)pH。

e) 消毒處理對健康的影響小。通常認(rèn)為臭氧處理不會增加被處理水的致突變活性。因此雖然使用臭氧也生成了一定量的消毒副產(chǎn)物，一般的觀點是對人體健康而言，使用臭氧消毒要比使用氯或二氧化氯安全。

③ 臭氧消毒的缺點

a) 消毒劑不穩(wěn)定 臭氧不夠穩(wěn)定，容易自行分解，半衰期短，應(yīng)就地生產(chǎn)使用。臭氧沒有長久殺滅能力，往往還要后續(xù)投加其他消毒劑（如氯氨等）。

b) 監(jiān)測較困難 臭氧不能留下易檢測的物質(zhì)，臭氧分析測定技術(shù)沒有足夠的特異性或靈敏性，因此對工藝進行方便和有效的控制比較難以實施。

c) 消毒副產(chǎn)物危害健康的可能性 關(guān)于臭氧的各種消毒副產(chǎn)物對健康的危害程度還要做進一步深入的研究，在臭氧消毒方法的安全性方面還存在著一些爭議。一般臭氧氧化處理的水平并不能使水中的有機物完全無機化，只能將其變成物理化學(xué)性質(zhì)不同的較低分子量的有機物，它們有可能在后續(xù)的化學(xué)處理過程中生成有害的副產(chǎn)物。水中的溴離子在被臭氧氧化成溴酸鹽后，可能在氯化反應(yīng)中生成致癌和有致突變活性的溴氯化合物。另外，有觀點認(rèn)為低劑量進行臭氧處理時，一部分反應(yīng)的中間產(chǎn)物也可能具有致突變活性。

d) 處理水的生物不穩(wěn)定性 許多實踐證明臭氧能將微生物難以降解的大分子有機物分解成容易被微生物利用的小分子，將總有機碳的一部分轉(zhuǎn)換為生物可同化有機碳（AOC），使AOC所占的比例增加，實踐表明AOC可增大為處理前的2~6倍。在AOC中，臭氧的氧化產(chǎn)物如各種有機酸和醛類占有重要組成。由于臭氧很容易被消耗掉并轉(zhuǎn)化成有利于生物生長的氧，結(jié)果使被處理的水生物不穩(wěn)定性加強。導(dǎo)致水質(zhì)惡化。

1893年，在荷蘭的奧茨胡恩建立了世界上第一家使用臭氧進行飲用水處理的工廠，但其后近100年的時間內(nèi)因為各種原因，應(yīng)用不很普遍。自從世界衛(wèi)生組織確認(rèn)經(jīng)氯化消毒的飲用水中存在致癌性的THMs后，臭氧便作為最安全可靠的飲用水消毒方法在世界各地迅速地發(fā)展起來。截止到2005年，美國擁有的應(yīng)用臭氧處理的水廠已達(dá)到400多家，加拿大有超過100家，法國有近700家，而德國則有大約70%的水廠裝備了臭氧系統(tǒng)?，F(xiàn)在，歐洲主要城市的自來水應(yīng)用臭氧消毒已很普遍，世界上最大的應(yīng)用臭氧消毒的自來水廠位于加拿大蒙特利爾和美國洛杉磯，其處理能力均為2.3×10⁸m³/d。同時，用臭氧對礦泉水、飲料用水等進行消毒處理，在許多國家都十分普及。