粉末活性炭和臭氧在水處理中的應(yīng)用研究

摘要：通過對臭氧在水中的反應(yīng)途徑和其對嗅味物質(zhì)的氧化去除規(guī)律的分析，采用單獨投加臭氧預(yù)氧化和臭氧與活性炭池聯(lián)用處理工藝的試驗，主要考察臭氧投加量、氧化時間對岀水嗅闊值的影響。試驗結(jié)釆表明，隨著臭氧投量的增加，出水嗅味減少；延長臭氧氧化時間，除臭效果變好；隨著臭氧投量的增加，氧化時間對除臭效果的影響下。臭氧與粉末活性炭聯(lián)用對嗅味的處理效果明顯優(yōu)于單獨使用臭氧、單獨使用粉末活性炭對嗅味的處理效果。

臭氧(O3)是氧的同素異形體，常溫常壓下是一種呈明顯藍(lán)色的有特殊刺激性臭味的氣體，而且不穩(wěn)定，可以自行分解成氧氣。

臭氧最早在水處理中的應(yīng)用是作為消毒劑，1886年到1916年期，臭氧一直用于飲用水的消毒處理。隨著臭氧發(fā)生器的研制取得巨大進展，其規(guī)模和效率有了大幅度提高，臭氧的應(yīng)用除消毒外有了新的拓展。1965年，人們首次用臭氧去除放線菌產(chǎn)生的臭味，并取得了成功。隨后，人們對臭氧在除臭方面作了大量的試驗研究，發(fā)現(xiàn)臭氧在去除由于藻類或放線菌的季節(jié)性繁殖而引起的水體嗅味的效果很好，并且強于其他氧化劑如氯、髙錳酸鉀等。臭氧對各種類的原水異臭都有較好的處理效果，特別是：植物性臭(藻臭青草臭)、魚腥臭、霉臭、土臭、苯酚臭等。

通過濾柱試驗，確定了臭氧對去除原水中嗅味的性能，同時研究了臭氧與粉末活性炭聯(lián)用的除臭效果。并通過GC-MS分析原水中嗅味物質(zhì)的種類。

臭氧具有極強的氧化能力，可以將水中大量的有機物氧化去除。研究發(fā)現(xiàn)，臭氧在水中去除有機物主要通過2種途徑：臭氧直接氧化(D反應(yīng))和臭氧通過分解產(chǎn)生的羥基自由基(OH)的間接氧化(R反應(yīng))。臭氧去除嗅味有機物的效率，實際上是D反應(yīng)與R反應(yīng)的疊加作用。

D反應(yīng)反應(yīng)速度緩慢，但對氧化的有機物有選擇性，而且基本上不與水中的無機物反應(yīng)，是去除水中有機物的主要反應(yīng)。

R反應(yīng)反應(yīng)速度快，氧化能力強，但反應(yīng)無選擇性，不僅可以與水中有機物反應(yīng)，將其氧化去除，還能與水中碳酸根和重碳酸根反應(yīng)，如果臭氧分解產(chǎn)生的羥基自由基可以迅速與碳酸根和重碳酸根反應(yīng)，就會減少羥基對臭氧的催化分解作用。

這2種反應(yīng)進行的程度取決于不同的反應(yīng)條件，當(dāng)溶液PH＜8時，0H的數(shù)量將大大減少，如果投加重碳酸鹽( NaHCO3)作為OH的捕集劑，就可以減弱臭氧分解速度和OH的反應(yīng)速度。當(dāng)溶液的pH＞8時，臭氧分子會迅速分解，強化了OH的氧化作用，加快了臭氧的分解速度。因此通過控制溶液的pH值，可以控制臭氧的反應(yīng)途徑，使其更有利于去除水中嗅味物質(zhì)等有機物。

試驗期間原水pH值在6-8.5之間，因此可以推斷，臭氧在除臭過程中，主要以D反應(yīng)為主，R反應(yīng)為輔來去除水中的致臭物質(zhì)。

臭氧作為一種強化劑，可以氧化水中大部分有機物，從其化學(xué)結(jié)構(gòu)上分析，臭氧具有3原子4電子Ⅱ鍵和偶極構(gòu)造，使臭氧可以和有機物的雙鍵＞C C＜反應(yīng)，可以進攻有機物富電原子，進行親電反應(yīng)，也可以進攻有機物分子中帶正電原子核而進行親核反應(yīng)。

烯烴由于具有Ⅱ鍵，可以和臭氧發(fā)生1，3偶極加成反應(yīng)，形成不穩(wěn)定的臭氧化物，并很快分解成雙極性離子和羥基化合物，它們之間相互作用，生成臭氧化物。反應(yīng)的最終產(chǎn)物可能是單體的、聚合的和交錯的臭氧化物的混合體。但當(dāng)烯烴帶有親電取代基時，反應(yīng)速度會受到抑制。炔烴與臭氧的反應(yīng)機理也是通過1，3偶極加成反應(yīng)，生成臭氧化物后，轉(zhuǎn)變成兩種羥酸。臭氧基本不與烷烴反應(yīng)，只有在非水溶液中，臭氧濃度較大時，可以將其氧化成過氧化基化合物，然后變成過氧化物、乙醇、酮，而在水中臭氧很難將其氧化。

由于胺類化合物都具有供電子基團NH2，因此易于與臭氧反應(yīng)，反應(yīng)速度很快。臭氧與伯胺反應(yīng)時生成硝基化合物及銨堿，仲胺經(jīng)常形成穩(wěn)定的硝基團，但易與臭氧反應(yīng)生成硝基化合物，叔胺變成氧化胺，臭氧還會導(dǎo)致胺或臭氧化中問產(chǎn)物的縮合反應(yīng)。若N原子上帶有其他得電子基團，該化合物的反應(yīng)速度會受到抑制。

芳香族化合物的氧化反應(yīng)發(fā)生在芳環(huán)本身或側(cè)鏈取代基上。當(dāng)帶有供電子取代基（-NH2、-OH）時，可以加速臭氧化反應(yīng)，而帶有得電子取代基(-NO2、-Cl)時，可以抑制臭氧化反應(yīng)。帶有OH的苯環(huán)，在酸性或中性時，臭氧化反應(yīng)發(fā)生在取代基鄰位或?qū)ξ坏奶荚�子上，生成鄰苯二酚和對苯二酚及對苯醌，最后氧化成CO2和H2O，在堿性條件下，臭氧反應(yīng)發(fā)生在-OH上或由羥基及-OH引發(fā)的自由基反應(yīng)，臭氧化產(chǎn)物可能是聯(lián)苯酚，苯醌，環(huán)斷裂生成的己二烯酸及其衍生物或甲醛草酸等。鹵素取代的苯環(huán)，氧化后形成草酸、乙醇酸脂族醛。具有不飽和結(jié)構(gòu)的雜環(huán)化合物都可以與臭氧作用，但不同的雜環(huán)反應(yīng)速度反應(yīng)時攻破的位置不同。