2. 臭氧（O3）

　　2.1 臭氧的應用

　　1840年瑞士化學家Schōnbein證實了臭氧的存在。1886年法國人Meritenus發現臭氧具有殺菌作用。1893年荷蘭首先將臭氧應用于水的消毒處理。1906年法國的Nice城將臭氧用于大規模凈水廠的水處理，至今已有近百年歷史。

　　臭氧氧化能力強，用于消毒殺菌殺傷力大，速度快；臭氧可氧化溶解性鐵、錳，形成高價沉淀物，使之易于去除；可將氰化物、酚等有毒有害物質氧化為無害物質；可氧化致嗅和致色物質，從而減少嗅味，降低色度；可將生物難分解的大分子有機物氧化分解為中小分子量有機物，使之易于生物降解；使用臭氧預處理，還可以起到微絮凝作用，提高出水水質；應用臭氧，不會在處理過程中產生有害的三致物質。

　　目前，世界上有上千家水廠使用臭氧進行處理、消毒。在歐洲主要城市已把臭氧作為去除水中污染的一種主要手段用于飲用水的深度凈化。20世紀70年代初以來，許多國家還對臭氧應用于城市污水、工業廢水、循環冷卻水處理進行了研究并有很多成功的例子。70年代中期開始，我國也開始了利用臭氧氧化工藝處理受污染飲用水水源的試驗研究工作。現在國內已有數十家水廠應用于實際生產。

　　2.2 臭氧的物理性質

　　O3是一種具有特殊的刺激性氣味的不穩定氣體，常溫下為淺藍色，液態呈深藍色。O3是常用氧化劑中氧化能力最強的，在水中的氧化還原電位為2.07V，而氯為1.36V，二氧化氯為1.50V.另外，O3具有較強腐蝕性。

　　O3在空氣中會慢慢自行分解為O2，同時放出大量的熱量，當其濃度超過25%時，很容易爆炸。但一般臭氧化空氣中O3的濃度不超過10%，不會發生爆炸。

　　在標準壓力和溫度下，純臭氧的溶解度比氧大10倍，比空氣大25倍。0℃時，純臭氧在水中的溶解度可達1.371g/L.O3在水中不穩定，在含雜質的水溶液中迅速分解為O2，并產生氧化能力極強的單原子氧（O）和羥基（OH）等具有極強滅菌作用的物質。其中羥基的氧化還原電位為2.80V.20℃時，O3在自來水中的半衰期約為20分鐘。

　　2.3 臭氧的氧化消毒機理

　　O3溶于水后會發生兩種反應：一種是直接氧化，反應速度慢，選擇性高，易與苯酚等芳香族化合物及乙醇、胺等反應。另一種是O3分解產生羥基自由基從而引發的鏈反應，此反應還會產生十分活潑的、具有強氧化能力的單原子氧（O），可瞬時分解水中有機物質、細菌和微生物。

　　O3 → O2 +（O）

　　（O）+ H2O →2OH

　　羥基是強氧化劑、催化劑，引起的連鎖反應可使水中有機物充分降解。

　　當溶液pH值高于7時，O3自分解加劇，自由基型反應占主導地位，這種反應速度快，選擇性低。

　　由上述機理可知，O3在水處理中能氧化水中的多數有機物使之降解，并能氧化酚、氨氮、鐵、錳等無機還原物質。此外，由于O3具有很高的氧化還原電位，能破壞或分解細菌的細胞壁，容易通過微生物細胞膜迅速擴散到細胞內并氧化其中的酶等有機物；或破壞其細胞膜、組織結構的蛋白質、核糖核酸等從而導致細胞死亡。因此，O3能夠除藻殺菌，對病毒、芽孢等生命力較強的微生物也能起到很好的滅活作用。

　　2.4 臭氧的氧化消毒特性

　　（1） O3作為高效的無二次污染的氧化劑，是常用氧化劑中氧化能力最強的（O3>ClO2>Cl2>NH2Cl），其氧化能力是氯的2倍，殺菌能力是氯的數百倍，能夠氧化分解水中的有機物，氧化去除無機還原物質，能極迅速地殺滅水中的細菌、藻類、病原體等。

　　（2） O3消毒受pH值、水溫及水中含氨量影響較小，但也有一定的選擇性，如綠霉菌、青霉菌等對O3具有抗藥性，須較長時間才能殺死。O3用于飲用水消毒時，水的濁度、色度對消毒滅菌效果有影響，將有相當一部分O3被用于無機物和有機物的氧化分解上。

　　（3） O3去除微生物、水草、藻類等有機物產生的嗅、味，效果良好，脫色能力比Cl2和ClO2更為有效和迅速。

　　（4） 投加O3能改變小粒徑顆粒表面電荷的性質和大小，使帶電的小顆粒聚集；同時O3氧化溶解性有機物的過程中，還存在“微絮凝作用”，對提高混凝效果有一定作用。

　　（5） O3消毒效果好，劑量小，作用快，不產生三氯甲烷等有害物質，同時還可使水具有較好的感官指標。O3對一些頑強病毒的滅活作用遠遠高于氯，但水中O3分解速度快，無法維持管網中有一定量的剩余消毒劑水平，故通常在O3消毒后的水中投加少量的氯系消毒劑。

　　（6） O3能將水中不易降解的大分子有機物氧化分解為小分子有機物，并向水中充氧使水中溶解氧增加，為后續處理（特別是生物處理）提供了更好的條件。但從經濟上考慮，O3投加量不可能太高，所以氧化并不徹底，如果后續工藝處理不當，也會產生三鹵甲烷等有害物質。

　　（7） 在水處理過程中，應盡量不要生成新的三鹵甲烷物質，因為三鹵甲烷一旦形成，O3也很難將其氧化去除。